激光的噪声

　　激光噪声是随着激光技术的发展而产生的一个重要研究领域。1960年，激光器被发明出来，随着科技的进步，人们开始注意到激光的各种参数，如光功率和相位的波动，这就是激光的噪声（Laser Noise）。
　　对噪声的深入研究与有效控制，不仅推动了激光器本身的发展，更直接催生了一系列革命性的科学和工程奇迹，让我们能够倾听宇宙的涟漪（引力波探测）、打造前所未有的精准时钟（光学原子钟），并构建未来的高速信息网络。
　　1、激光噪声的定义
　　激光器的“噪声”是指激光器的各种输出参数，包括强度、频率和相位、光束质量和指向性等在时间维度上存在着无法完全消除的随机波动。
　　激光器在工作过程中产生的各种随机波动，可能来源于激光器的内部机制，如温度波动、电流不稳定等，也可能受到外部环境的影响，如机械振动、电磁干扰等。

　　理解并抑制这些噪声，是提升激光性能、推动精密测量和高速通信技术发展的关键。在许多高端应用中，激光不仅仅是提供能量的光源，更是作为一把极其精密的“尺子”。例如，引力波探测需要测量比原子核直径还小千倍的空间应变，任何激光的微小波动都可能淹没信号；光学原子钟作为时间基准，其稳定度直接取决于所使用激光的噪声水平；相干光通信中，噪声会降低信噪比，增加误码率，限制通信容量和距离；精密光谱学中，噪声会掩盖物质的精细光谱结构，影响测量精度。因此，激光噪声已成为衡量激光器性能的核心指标之一。
　　2、激光噪声的主要类型
　　激光器的工作原理是通过受激发射产生相干光，但是在这个过程中，由于各种因素的影响，如激光器的工作环境、激光器的结构、激光器的工作状态等，都会导致激光的参数发生波动，从而产生噪声。激光噪声主要包含以下两类：
　　2.1 强度噪声
　　强度噪声是指激光输出功率（光强）随时间的随机起伏。它是最直观也是最重要的噪声形式。
量化指标：相对强度噪声（RIN, Relative Intensity Noise），定义为噪声功率与平均光功率平方的比值，单位通常是 dB/Hz。
　　主要来源：（1）量子噪声（散粒噪声极限）：源于光子的量子本性，其产生和探测是一个随机泊松过程。这是经典激光理论中的 fundamental noise limit，是无法避免的物理极限。（2）技术噪声：主要包括泵浦源（驱动电流）的波动、机械振动和温度起伏等。这些因素导致激光增益介质粒子数反转密度变化，从而引起输出光强波动。（3）弛豫振荡：在半导体激光器等器件中，载流子密度和光子密度之间的相互作用会产生一种特有的阻尼振荡（通常在MHz量级），表现为强度的高频起伏。
　　2.2 频率与相位噪声
　　频率噪声和相位噪声本质上是同一现象的不同表述（频率是相位的导数），它们描述了激光电磁波振荡频率的随机漂移和相位的随机抖动。
　　量化指标：线宽（Linewidth）。一个理想单频激光器的线宽无限窄，而实际激光器因存在相位噪声，其频谱会被展宽。线宽是衡量激光单色性的终极指标。
　　主要来源：（1）环境扰动：温度变化导致激光腔热胀冷缩，改变腔长（Δν/ν = ΔL/L）；声波压力和机械振动也会调制腔长和折射率。（2）自发辐射：每一个自发辐射产生的光子都会随机地改变激光场的相位，这是导致激光线宽展宽的物理本质（Schawlow-Townes线宽公式）。
　　影响：频率噪声直接决定了激光的相干时间。噪声越大，相干时间越短，干涉能力越弱，这在干涉测量和相干通信中是致命的。
　　3、激光噪声的降低
　　噪声对激光器的性能有着显著的影响。强度噪声会导致激光输出的不稳定，进而影响激光加工、测量等应用的精度和可靠性；相位噪声会降低激光的相干性，影响激光在干涉、衍射等实验中的应用效果。因此，降低激光器噪声是提高激光器性能的关键。
　　为了降低激光器噪声，可以采取一系列措施。例如，优化激光器的设计，提高制造精度；改善激光器的散热系统，减少温度波动；使用稳定的电源，减少电流波动等。此外，还可以通过外部反馈控制系统来实时监测和调整激光器的输出，从而进一步降低噪声。
　　在激光器设计中，在未采取选频措施时，激光器通常为多纵模状态运转。多纵模运转会引起很多问题，如使激光输出频带加宽、激光时间和空间相干性变差、由于纵模竞争导致激光输出功率不稳等。尤其是在腔内插入非线性光学元件时，不同纵模之间还会在极化物质中相互耦合，产生随机的和频、差频等现象，使输出激光的性能进一步下降。

单纵模低噪声状态（左：单纵模；右：光电流）

多纵模耦合产生噪声（左：多纵模；右：光电流）
　　

　　大幅度降低激光器输出噪声的一个直接方法就是迫使激光器单纵模（单频）运转。实现激光器的单频运转，可以提高激光器的稳定性、获得更加单色的高相干性光源。
　　因此，单频激光器是要求激光超低噪声输出应用场景下的良好选择。单频或稳频激光器在光谱学、相干通讯、激光雷达、引力波探测、快速印刷、图象处理、光学数据存储、DNA芯片和平板显示器检测等诸多领域有着广泛的应用。
　　4、单频激光器的噪声
　　测量激光器的相对强度噪声（RIN）的方法是通过光电检测和频谱分析。目前CNI生产的单频激光器典型相对强度噪声可达到0.01%-0.05%。