提出了一种基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪和相位信号解调的激光器线宽测量系统，基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，可对所采信号进行高速实时处理，快速给出待测激光器的频率噪声信息和线宽值。该系统光路结构简单，无须主动控制，测量结果重复性高。考虑采样信号是否同时包含源信号的最大值和最小值这一重要问题，在仿真和实验两种情况下着重讨论了对源信号进行采样窗口为0.5，0.4，0.1，0.05和0.01 s的采样对所测试激光器频率噪声功率谱密度的影响。仿真和实验均表明，使用采样窗口为0.1，0.05和0.01 s未同时包含源信号的最大值和最小值的采样信号计算获得的激光频率噪声功率谱密度幅值偏高。进一步使用β-分割线法对1.5 μm波段商用激光器和实验室自制的2 μm波段激光器进行线宽测量验证，结果表明，使用同时包含源信号最大值和最小值的采样信号处理得到1.5 μm波段商用激光器的线宽值在测量时间为2 ms时为5 kHz，同时本结论可拓展至全波段适用。

在空间下行相干激光通信系统中，激光器的线宽大小会影响通信系统的性能，而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声，目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时，大气湍流会引起光信号强度和相位的波动，从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题，基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理，进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动，给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型，数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明：大气湍流不仅严重影响系统性能，也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言，其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外，随着通信速率增大，激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。

We report two ultra-stable laser systems automatically frequency-stabilized to two high-finesse optical cavities. By employing analog-digital hybrid proportional integral derivative (PID) controllers, we keep the merits of wide servo bandwidth and servo accuracy by using analog circuits for the PID controller, and, at the same time, we realize automatic laser frequency locking by introducing digital logic into the PID controller. The lasers can be automatically frequency-stabilized to their reference cavities, and it can be relocked in 0.3 s when interruption happens, i.e., blocking and unblocking the laser light. These automatic frequency-stabilized lasers are measured to have a frequency instability of 6×10-16 at 1 s averaging time and a most probable linewidth of 0.3 Hz. The laser systems were tested for continuous operation over 11 days. Such ultra-stable laser systems in long-term robust operation will be beneficial to the applications of optical atomic clocks and precision measurement based on frequency-stabilized lasers.

The generation of supercontinuum (SC) often requires ultrashort pulsed lasers with high peak power and gain media with large nonlinear coefficients, such as a long piece of fiber or photonic crystal fiber. In this Letter, we propose and demonstrate that high-power SC can be generated through a simple narrow-bandwidth fiber Bragg gratings (FBGs)-based laser cavity without any modulation, based on the mechanism of intense nonlinear effects induced by the inherent self-pulsation generated inside the cavity. In the experiment, an ∼80W SC laser with the spectrum range from <600nm to 1600 nm was achieved. To the best of our knowledge, this is the first report about SC generation through a simple fiber laser cavity. This work enriches the research content of SC and provides a cost-effective method for high-power SC lasers.

窄线宽激光由于其具有单色性好、 稳定度高、 相干长度长等优点, 广泛应用于光电检测领域, 包括相干通信、 精密测量、 光学频率标准、 吸收光谱计量以及光与物质相互作用研究等。 目前频率稳定的氦氖激光器线宽可以达到MHz量级, 分布反馈式(DFB)光纤激光器线宽可达kHz量级, DFB半导体激光器线宽可以达到MHz量级, 然而光栅反馈半导体激光器可以实现百kHz量级线宽的输出。 为了进一步压窄各类激光器线宽, 需要通过反馈控制技术来锁定激光到某一频率参考。 该研究将自行设计的超稳腔作为频率参考, 实现了632.8 nm外腔半导体激光器(ECDL)线宽的有效压窄。 本窄线宽激光产生系统的研制包括超稳腔设计、 光路设计、 ECDL频率控制以及系统集成。 超稳腔采用两镜法布里-珀罗腔(F-P腔)结构, 腔体是膨胀系数约为10^-6 K^-1的微晶玻璃, 腔镜为一对反射率达99.988 5%(±0.003 5%)的平面镜和凹面镜。 为进一步减小外界环境对F-P腔腔长的影响, 需要对腔体进行温度控制, 本系统采用四片总功率为96 W的半导体制冷片以及水冷散热设计。 同时为了降低声音和空气流动对腔模频率的影响, 将F-P腔置于真空度为10^-5 torr的真空室中; 另外为了有效隔振, 腔体与真空室用硅橡胶材料隔离。 该系统采用的ECDL为德国Toptica公司的DL pro系列激光器, 其具有压电陶瓷(PZT)和电流调制两个频率控制端, 响应带宽分别为1 kHz和100 MHz。 激光器的频率控制采用了Pound-Drever-Hall (PDH)锁频技术, 18 MHz的调制频率加载到激光器的电流调制端, 通过对F-P腔的反射信号进行解调获得误差信号, 通过两路反馈控制, 实现了近1 MHz的锁定带宽。 通过对系统的不断优化, 最后将自由运转状态下约300 kHz的激光线宽压窄到了10 kHz量级, 并且系统运行稳定, 连续12小时锁定的频率漂移量约为30 MHz。 该研究研制的632.8 nm窄线宽激光源不仅可以应用到吸收光谱计量领域, 同时也可以在光学面型精密测量领域发挥重要作用。

为实现波长可调谐的窄线宽黄光波段激光输出，设计搭建了以倍频声光调Q Nd:YAG激光器的532 nm脉冲绿光输出为泵浦源、以II类相位匹配磷酸钛氧钾（KTP）晶体为非线性介质的折叠腔光学参量振荡器（OPO）。首先产生腔内振荡的近红外可调谐闲频光，在此基础上基于LBO晶体I类非临界相位匹配方式对OPO的闲频光进行内腔倍频，得到波长调谐范围587.2~595.2 nm的黄光波段输出。为改善OPO光谱特性，在OPO闲频光谐振腔内插入熔融石英标准具，有效压缩了OPO输出黄光的光谱线宽。绿光泵浦源脉冲重复频率10 kHz、平均功率24.0 W下在波长591.2 nm处获得了最高黄光输出功率2.89 W，光束质量因子M²=3.4，从532 nm泵浦光到黄光输出的转换效率为12.0%，脉冲宽度37 ns，对应峰值功率7.8 kW。此时黄光光谱半高全宽为0.15 nm，相比未在OPO腔内插入标准具自由运转状态下的光谱得到明显改善。