新進(jìn)展！*證明金剛石布里淵激光器實(shí)現(xiàn)線寬窄化

近日，河北工業(yè)大學(xué)呂志偉教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜，*在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮率*高4倍以上、線寬1.77 kHz的單頻激光輸出，*高功率超過20 W！這是自由空間布里淵激光器*證實(shí)可以實(shí)現(xiàn)激光的線寬窄化，該工作為獲得超窄線寬高功率激光輻射提供了一種全新的技術(shù)路線。研究成果以“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers” 為題發(fā)表在 High Power Laser Science and Engineering 上。論文*作者為博士生研究金舵，共同*作者兼通訊作者為白振旭教授。

原文鏈接：https:// doi:10.1017/hpl.2023.48

布里淵激光器近年來引起了人們的極大興趣，并已被應(yīng)用于光學(xué)時鐘和陀螺儀、超穩(wěn)定激光器和微波光子學(xué)。研究*為廣泛的波導(dǎo)布里淵激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低閾值的窄線寬激光輻射，但輸出功率通常在在微瓦到瓦的數(shù)量級，限制了其在一些大功率場景的應(yīng)用，如引力波探測、長距離高分辨光譜測量等。針對波導(dǎo)布里淵激光器在功率提升上面臨的窘境，空間結(jié)構(gòu)布里淵激光器以其腔與增益介質(zhì)分離的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)熱管理和相位匹配條件的控制，且增益介質(zhì)的選擇更豐富，使其實(shí)現(xiàn)特殊波長的窄線寬激光成為可能。

近幾年，空間布里淵激光器從上世紀(jì)受增益水平限制的20 mW的功率輸出，提升到了超過20 W的單頻功率的輸出且沒有出現(xiàn)功率曲線飽和的現(xiàn)象，這主要得益于金剛石晶體優(yōu)異的光學(xué)特性、熱物性以及布里淵性質(zhì)。2020年，該團(tuán)隊(duì)白振旭等人在國際上*測得了金剛石晶體的布里淵增益系數(shù)和線寬，并獲得了高達(dá)11 W的可見光布里淵激光輸出[APL Photonics, 5(3): 031301]；2022年，他們將輸出波長從可見光波段延伸到了近紅外波段，并實(shí)現(xiàn)了單頻激光穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[Opt. Lett., 2022, 47(20):5360-5363]。然而，關(guān)于空間光結(jié)構(gòu)布里淵激光器中斯托克斯光線寬窄化的特性卻還未見報道，這因此也成為籠罩在自由空間布里淵激光器頭頂上的一朵“烏云”，只有將其“撥開”才能推動其后續(xù)研究和發(fā)展。

近期，該團(tuán)隊(duì)利用金剛石晶體作為增益介質(zhì)，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮2.5倍（3.2 kHz），功率超過20 W的單頻功率輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 金剛石布里淵激光器的（a）相位匹配、（b）光路結(jié)構(gòu)和（c）線寬測量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)上，測得三組不同耦合鏡反射率（96%、97%，98.5%）對應(yīng)的斯托克斯線寬分別為3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光均實(shí)現(xiàn)了線寬壓縮。當(dāng)耦合鏡反射率為98.5%時，線寬*高壓縮了近4.2倍。圖2（b）給出了三個反射率對應(yīng)的泵浦-斯托克斯功率曲線。在*大泵浦功率下，三組反射率對應(yīng)的斯托克斯輸出功率分別為22.5 W、16.9 W和13.6 W，相應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率分別為37.5%，29.1%和23.4%。

圖2 不同耦合鏡反射率時的線寬和功率輸出曲線

結(jié)合理論模擬，作者證明未來通過進(jìn)一步降低腔內(nèi)元件插入損耗，理論上可以實(shí)現(xiàn)線寬更窄、功率更高的單頻激光輸出。該研究不僅為自由空間布里淵振蕩器實(shí)現(xiàn)高相干激光光源的研制鋪平了道路，也證明了金剛石布里淵激光器在實(shí)現(xiàn)大功率的超窄線寬特殊波長激光輻射方面的巨大前景！