基于自同频相干检测系统的时间拉伸超快波长扫描激光动力学研究

《Optics & Laser Technology》：Exploration of time-stretch ultrafast wavelength-swept laser dynamics based on self-homodyne coherent detection systems

扫描动力学和瞬态线宽分析：基于时间拉伸技术的超快波长扫描激光器研究，采用自谐振coherent检测系统，实验测得扫描速度8.47×10^8 nm/s，瞬态线宽约10 MHz，并探讨了延迟光纤长度对测量精度的影响，揭示了色散效应和非线性在激光 linewidth形成中的作用。

　　本文探讨了基于时间拉伸技术的超快波长扫描激光器的扫频动态特性与瞬态线宽的测量方法，以及这些特性在高精度光学系统中的应用价值。随着科技的进步，这类激光器因其快速的波长扫描能力和较宽的波长范围，被广泛应用于诸如频率调制连续波（FMCW）激光雷达、扫频源光学相干断层扫描（SS-OCT）和生物医学成像等高要求领域。这些应用通常需要激光器具备较高的扫描速度和精确的线宽控制，以实现高质量的成像效果和高精度的测量结果。

超快波长扫描激光器的工作原理基于时间拉伸技术，该技术利用光纤的色散效应将超短脉冲的光谱在时域中展开，从而实现波长的快速扫描。这种技术不仅能够实现高重复率的波长扫描，还能够提供高灵敏度和广谱扫描能力，为生物组织的三维成像提供了理想的选择。然而，传统的测量方法在面对如此高速度的激光时，往往难以准确捕捉其瞬态线宽，这限制了其在某些精密应用中的潜力。

为了克服这一限制，研究人员构建了一个自同频相干检测系统，结合理论分析和实验验证，对超快波长扫描激光器的扫频特性及瞬态线宽进行了深入研究。通过这一系统，研究人员不仅能够重建激光器的扫频光谱，还能够准确测量其瞬态线宽，达到了约10 MHz的精度。这一成果对于理解超快波长扫描激光器的动态行为至关重要，同时也为优化其在高精度光学系统中的应用提供了理论支持。

研究中发现，延迟光纤的长度对线宽测量的准确性有显著影响。过短的延迟光纤会导致系统噪声过高，使得测量结果不准确；而过长的延迟光纤则会引入额外的环境噪声，同样影响测量精度。因此，选择合适的延迟光纤长度对于确保测量结果的可靠性具有重要意义。实验结果表明，当延迟光纤长度适中时，系统噪声最低，能够提供较为准确的线宽测量数据。这一发现为设计和优化超快波长扫描激光器的相干检测系统提供了重要的指导。

此外，研究还探讨了光纤拉伸装置中的色散对线宽的影响。结果表明，较大的第三阶色散系数会导致激光线宽的显著展宽。这意味着，在设计超快波长扫描激光器时，必须考虑色散的影响，以避免不必要的线宽展宽，从而提高系统的性能。通过调整光纤的色散参数，可以有效控制激光器的扫频线性度和线宽，进而提升其在生物医学成像等领域的应用效果。

实验中还展示了不同延迟光纤长度下的扫频特性。例如，在5 mm、15 mm和25 mm的延迟光纤长度下，激光器的扫频线性度和瞬态线宽表现出不同的行为。研究发现，随着延迟光纤长度的增加，系统噪声逐渐降低，从而使得线宽测量更加稳定。然而，当延迟光纤长度继续增加时，环境噪声的影响变得更加显著，导致线宽的增加。这一现象表明，延迟光纤长度的选择必须在系统噪声和环境噪声之间取得平衡，以实现最佳的测量效果。

在数值模拟部分，研究通过非线性薛定谔方程对激光器的扫频行为进行了模拟。模拟结果表明，第三阶色散系数对扫频线性度和瞬态线宽的影响尤为显著。较大的第三阶色散系数会导致扫频曲线的曲率增加，从而影响线宽的稳定性。同时，模拟还显示，拉伸后的激光器线宽显著增加，这主要是由于色散拉伸装置的引入。因此，在实际应用中，必须仔细选择光纤的色散参数和延迟长度，以确保激光器的性能符合应用需求。

研究还分析了扫频过程中的频率噪声特性。结果表明，拉伸后的频率噪声不仅表现出更高的噪声地板，还显示出显著增强的1/f噪声。这一发现对于评估激光器在实际应用中的性能具有重要意义，尤其是在需要高精度频率控制的场景中。通过合理设计相干检测系统，可以有效降低频率噪声的影响，从而提高激光器的稳定性和可靠性。

总的来说，本文通过构建自同频相干检测系统，结合理论分析和实验验证，深入研究了超快波长扫描激光器的扫频动态特性及瞬态线宽的测量方法。研究结果表明，扫频曲线由光纤色散和非线性效应共同决定，而延迟光纤长度的选择对线宽测量的准确性至关重要。通过优化这些参数，可以有效提升激光器的性能，为其实现在高精度光学系统中的广泛应用提供了理论基础和技术支持。