激光器的噪声对构建迈克耳逊干涉仪的影响

　　1　引　言

　　传统用来进行干涉的激光光源多为气体激光器,体积大,驱动电源复杂等限制了它的实际应用。半导体激光器具有驱动电压低、功耗小、体积小、幅度和频率调制方便、寿命长、价格低等众多优越性,但是半导体激光器形成干涉并不容易,这不仅由于激光二极管的发散角较大,输出随着距离的增加衰减很快以及相干长度短等原因,还和其噪声特性有关。本文着重从半导体激光器的噪声特性入手,探讨其对干涉的影响,并通过实验,利用现有的可见光半导体激光器加一会聚透镜,在短光程的条件下构建迈克耳逊干涉仪并得到了明显可检的干涉条纹。这个系统证明了用半导体激光器构建微小干涉仪的可能性,并验证了从其噪声特性的研究中所得出的相关结论。

　　2　半导体激光器的噪声特性

　　我们将主要考虑与干涉测量有关的半导体激光器的噪声特性,因为它们有苛刻的条件。二极管激光器除了在恒电流驱动条件下的情况之外,其幅度和频率随驱动电流而变化,且幅度正比于阈值之上的驱动电流,频率以典型值2GHz/mA的系数随电流而变化,这些变化则直接影响到激光器的干涉效果。

　　2.1　半导体激光器的AM噪声特性

　　针对幅度调制(AM)噪声特性的研究,将输出展开成两个正交极化量,即强度I∥平行于结和I⊥垂直于结[1]。它们随电流的变化,对于沟道衬底平面器件来说,可参见图1。

　　可见,低于阈值时,都是自发射占优势,而高于阈值时(图中器件的阈值为28mA),I∥迅速增加,这主要是由于有了受激发射。这样,在大于阈值时,总强度IT主要由I∥控制,对于d I∥和d I⊥这两个噪声项,其在100Hz频率上,1Hz带宽内测量的结果如图2所示。

　　当驱动电流在10mA到阈值间变化时,dI∥增加了三个数量级,但在阈值之上时,dI∥与驱动电流无关。在15mA到阈值之间,dI⊥增加不到一个数量级,但当器件开始发出激光时,它下降5dB后变成一个常数。

　　多数相干系统中,信号一般正比于总强度IT,或更严格的正比于IT的激发(相干)部分(在阈值之上时,ISTIM≈IT≈I∥)。I⊥的光谱分布很宽,而且它的模包括比单I∥模多得多。因此,大于阈值时,信噪比可用d I∥/IT和d IT/IT表示,其典型值如图3所示。

　　可见,信噪比由d I∥决定,而d I∥/TT在大于阈值时可通过使驱动电流达到最大来得到改善。一般说来,干涉测量中的干涉条纹的可见度V不为1,对相位检测能力的幅度限制可表示为(d I∥/TT)(1/V),在图3中所示的最好情况及干涉条纹可见度为50%(V=0.5)时,其对应的幅度-噪声-限制的相位分辨率也只有10μrad。干涉测量的d I⊥/IT幅度值比一般系统所需要的要小两个数量级。图3　正交极化分量的相对强度噪声(d I∥/IT(.)t d I⊥/IT(。)与正向驱动电流的关系