在精密传感、相干通信、量子科研、激光雷达等高端领域，窄线宽激光器早已是核心光源，而对其线宽、尤其是洛伦兹线宽的精准测量，更是评判激光器性能的关键。

但很多刚接触的朋友都会被三个概念绕晕：什么是激光器线宽？什么是窄线宽激光器？洛伦兹线宽又是什么？

一、什么是激光器线宽 

理想状态下的激光，应该是单一波长、光谱无限窄的一条线，具备完美的单色性。但现实中，受自发辐射、环境干扰、器件本身等因素影响，激光的波长并非绝对单一，而是会落在一个很小的波长/频率范围内，这个光谱的宽度（FWHM，Δν=ν2 −ν1），就叫激光器线宽，即激光频率谱线峰值强度的一半处的频谱范围宽度（如下图所示）。

线宽的波长和频率：

式中，Δλ：激光线宽（波长表达），λ：工作波长，c：光速，Δv：激光线宽（频率表达）。

激光的相干长度与线宽：

式中，L_coh：激光的相干长度，n：对应传输介质的折射率。因为相干长度与线宽成反比，频谱宽度越小说明线宽越窄，线宽越窄说明相干长度越长。

那么，到底线宽多窄的激光器可以称为窄线宽激光器呢？

二、什么是窄线宽激光器 

满足线宽极窄、光谱极纯、频率极稳的激光器，统称为窄线宽激光器，其线宽通常可达 kHz、Hz 级别，远优于普通激光器。

简单来说：普通激光器是基础 “光源”，而窄线宽激光器是满足高端场景的 “高精度相干光源”，而对这类激光器的线宽检测，也成为了性能验证的关键环节。

对于激光器用户而言，首先关注的便是核心参数。

打开窄线宽激光器的参数表，通常会标注洛伦兹线宽，部分厂家会明确说明采用延时自外差法进行测试。

例如上图参数所示，激光洛伦兹线宽典型值可达到 3 kHz。那么，何为洛伦兹线宽？何为延时自外差法呢？

三、什么是洛伦兹线宽和延时自外差法

洛伦兹线宽：激光频谱呈现洛伦兹线型时的谱线宽度，主要由激光辐射过程中的自然展宽与碰撞展宽共同决定。当激光频谱为洛伦兹曲线时，其强度半高位置对应的频率（或波长）宽度，即为洛伦兹线宽。

延时自外差法：如下图所示，工作原理是将激光分为两路：一路通过长光纤产生时间延迟，再与另一路未延迟的光进行拍频。通过分析拍频信号的频谱，可反演得到待测激光的频谱特性。比如利用洛伦兹曲线对拍频谱进行拟合，即可得到激光的洛伦兹线宽。

表面上看，线宽的定义与测量方法直观清晰，但深入思考就会发现一个关键问题：为什么要采用洛伦兹曲线进行拟合？激光的频谱真的是严格的洛伦兹线型吗？

从激光物理原理来看，激光线宽是多种展宽机制共同作用的结果：原子或分子激发态的有限寿命（自然展宽）、粒子间的相互碰撞（碰撞展宽）会使频谱呈现洛伦兹线型；而粒子热运动带来的多普勒频移（多普勒展宽）则会使频谱表现为高斯线型。

因此，实际激光的频谱并非单纯的洛伦兹曲线，而是多种展宽机制与噪声共同叠加后的复合线型。

四、为什么使用延时自外差法 

我们先从延时自外差法的基本理论来看，如下图摘取的文献所示，此文从激光自外差拍频信号出发，通过一系列假设完成其频谱的理论推导，其中最关键的假设：激光噪声为白噪声分布，且白噪声分布与噪声强度和频率无关。

来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/1072909

如下图所示，按照这个假设继续推导，计算得出激光频谱是一个洛伦兹和高斯曲线卷积的曲线（也被称为Voigt曲线）。此理论表明，当τ≫τ_c时（τ表示长光纤带来的延迟时间，τ_c表示相干长度，定义为线宽的倒数。

文内建议是延迟时间大于相干长度的6倍，这也是为什么很多人会说光纤要长于6倍的光源的相干长度），拍频曲线呈现出洛伦兹曲线，此时洛伦兹线宽为洛伦兹曲线半高全宽的1/2。

在实际测试和计算中，光谱曲线的3dB 带宽往往难以精准读取，通常直接提取实测曲线的-20dB 宽度，或采用洛伦兹函数对实测光谱进行拟合后读取洛伦兹谱的-20dB宽度，再通过公式（宽度 ÷ 2√99）换算得到激光器的“洛伦兹线宽”。

以上分析可见，该方案虽操作简便，但其核心假设过于理想化：将激光噪声简化为纯白发噪声分布。而在实际场景中，激光噪声的构成远比这复杂 —— 理论模型表明，激光会受到多种形式的(1/f)ⁿ噪声（n=0，1，2，3等）影响，同时叠加电学噪声、环境扰动等额外分量，并不满足 “仅含白噪声” 的前提。

这也导致拍频信号的频谱形态偏离标准洛伦兹线型：如图所示，经长延迟自外差光路得到的激光拍频谱（红色实测数据），既无法用单一洛伦兹曲线（绿色 / 紫色）精准拟合，也不符合高斯线型，其轮廓更接近Voigt 线型（蓝色拟合曲线）。

这就导致，激光如果有1/f分布或其它噪声，长延迟自外差方案测量和计算得到的线宽，会大于实际激光器的洛伦兹线宽。且线宽测试分辨率受限于延迟光纤长度（比如3KHz线宽的相干长度达20km，六倍相干长度则是120km）。

当前，窄线宽激光器一般标 <3KHz或1KHz的主要原因就是长延迟自外差法无法准确衡量窄线宽激光器的性能。

那么，有没有更好的方法来测激光器的洛伦兹线宽呢？

 五、激光器的洛伦兹线宽怎么测？

对于激光器的洛伦兹线宽，很多客户都会有这样的疑问：如何衡量一个激光器的洛伦兹线宽呢？

其实，更为准确的方法是看激光的相位（频率）噪声，这种衡量方式的基本光路结构和常用的长延迟自外差法几乎一致，但核心优势的是无需使用远大于激光相干长度的光纤长度。

从实际测试结果来看，其实是通过拍频信号的相位噪声功率谱密度计算激光的频率噪声功率谱密度，是客户衡量洛伦兹线宽时，既科学又便捷的核心方式。

下图展示了典型窄线宽激光器的频率噪声功率谱密度（PSD）测试结果，横坐标为频偏（10²–10⁶ Hz），纵坐标为频率噪声强度（Hz²/Hz）。

蓝色实验曲线显示，低频段（<10⁴ Hz）噪声随频偏增加呈 1/f 衰减趋势；当频偏接近 1 MHz 时，噪声谱趋于平坦，进入由自发辐射相位涨落主导的本征白噪声极限，本实验中该极限值为 0.3 Hz²/Hz。

基于激光物理的核心关联公式，激光器的洛伦兹线宽（瞬时线宽）可由高频白噪声极限直接计算得到：

Δν_L=π×SΔν(∞)

其中 SΔν(∞) 为高频白噪声功率谱密度。代入本实验数据可得：

Δν_L=π×0.3≈0.93 Hz

该结果精准反映了激光器的本征光谱纯度。

六、 如何精准完成激光器洛伦兹线宽的实际检测？

综上，可知：

线宽：激光频率谱线峰值强度的一半处的频谱范围宽度。

窄线宽：激光频谱宽度窄。

洛伦兹线宽：激光展宽成洛伦兹曲线的宽度。

在很多激光器的参数表中，窄线宽其实是指洛伦兹线宽窄。而洛伦兹线宽只是衡量窄激光激光噪声的一个角度，并且通过长延时自外差法无法测试kHz内的洛伦兹线宽。

但是，通过对频率噪声的测试，能准确测试洛伦兹线宽，并且更全面的描述激光在不同频率下的噪声分布。

针对窄线宽激光器的洛伦兹线宽、相位噪声等核心指标的精准测量，光品汇推出的激光相位噪声分析仪给出了专业解决方案。

这款设备融合非零拍延迟自外差等核心技术，专为极窄线宽检测设计，核心性能优势突出：

探测极限极低，适配超窄线宽：整机噪声极限达 0.01 Hz²/Hz@1MHz，可探测低至0.1 Hz的极窄线宽，推荐测试 0.1 Hz~100 kHz 区间的窄线宽激光器，完美覆盖洛伦兹线宽的测量需求；

分辨率超精细，分析更精准：最高分辨率可达 0.1 Hz，能精准捕捉频率噪声的细微变化，同时可自动测量相位（频率）噪声功率密度谱及线宽，数据更可靠；

操作便捷，无需上位机：配备大屏触控的中英双语界面，操作逻辑简单，无需额外连接电脑，现场检测更高效；

功能可拓展，适配多场景：支持模块升级，内置功率检测和自动衰减模块，基础型号 GPH-LPNA-NIR 适配 1510 nm - 1590 nm 的 1.5μm 通讯波段，还可定制 400 nm-2 μm 全波长范围，同时提供多频偏范围与分辨率选项，满足不同领域的测量需求；

输入输出适配性强：基础型号输入功率范围为 0 dBm - 20 dBm，频率噪声测量带宽达 1 Hz - 10 MHz，适配主流窄线宽激光器的检测参数。

这款设备的出现，也为窄线宽激光器的洛伦兹线宽、相位噪声等核心指标的精准检测，提供了高性价比的专业方案，解决了高端光器件检测的实操难题。