3分钟了解布里渊激光器

白振旭，河北工业大学先进激光技术研究中心副主任，哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室和澳大利亚麦考瑞大学光子中心博士，主要从事高功率固体激光器及金刚石激光技术研究。

近年来，具有高亮度、窄线宽的激光器在激光雷达、干涉测量传感器、计量学、量子物理和微波光子学等领域有着广阔的应用前景，并带动诸多交叉科学的发展。尤其是高功率、低噪声、高光束质量的极窄线宽激光光源已成为前沿科学研究中无可替代的有力工具，如空间相干光通信和激光干涉引力波探测（LIGO）要求激光既满足长程传输，又具备足够的相干长度（譬如，线宽为10 Hz的激光光源的理论相干长度可达3万公里）。

图1 窄线宽激光器的应用

目前获得窄线宽激光器的方法包括：半导体直接辐射、分布反馈型（DFB）光纤激光器和法布里-珀罗（FP）纵模选择固体激光器。

尽管部分窄线宽半导体激光器和DFB光纤激光器的输出线宽已经可以达到kHz量级，但是输出功率较低（毫瓦至瓦量级），且线宽的进一步压缩受到了技术本身的制约。基于FP标准具纵模选择的固体激光器可以获得瓦级以上的单纵模激光输出，但是受制于激光工作物质固有的增益线宽和FP标准具有限的透射光谱宽度，输出激光的线宽往往只能达到MHz或者GHz量级。

图2 激光线宽的概念示意图

除上述的传统方法以外，基于受激布里渊散射（SBS）效应的布里渊激光器被视为获得极窄线宽、低噪声激光的潜在技术途径，并且目前已实现亚Hz的极窄线宽激光输出，相比其他技术手段获得的激光线宽要窄10³-10⁶倍。

什么是布里渊激光器？

若要了解布里渊激光器的工作原理，我们需要知道什么是SBS。

图3 SBS及布里渊激光器的概念 (a) SBS能级示意图，(b) 布里渊激光器工作示意图，(c) 布里渊激光线宽示意图

SBS是强光光子与介质内部声子场作用产生具有一定频移的斯托克斯光子并被不断放大的过程，其能级转换如图3(a)所示，在散射过程中频率满足

，其中

和

分别为斯托克斯光、抽运光以及介质的声子场频率。

由于声波场的振动频率

较低（介质的布里渊频移通常只有0.1-2 cm^-1），因此SBS过程的量子转换效率理论上可达99.9%以上。当抽运光入射至布里渊增益介质且功率达到SBS阈值时，通过介质内部的声波场产生反向于抽运光传播方向的斯托克斯光，斯托克斯光和抽运光在带有反馈的振荡器内振荡的过程中受到布里渊放大的作用，斯托克斯光被不断放大进而达到阈值输出，这即为布里渊激光的产生过程，示意图如图3(b)所示。

由于布里渊介质的增益线宽很窄（通常为MHz-GHz），因此斯托克斯光在谐振器中多次放大后将获得光谱明显窄于介质的增益线宽以及抽运光线宽的布里渊激光输出，同时其输出的噪声也远低于抽运光；图3(c)为抽运光和输出布里渊激光的光谱对比图，结果显示输出的光谱被窄化了15倍以上。

为了使产生的斯托克斯光与抽运光在振荡器内同时谐振以获得布里渊激光输出，人们通常将布里渊增益介质设计成光纤、微腔、薄片等波导型结构，进而有效控制谐振腔腔长、促进斯托克斯光与抽运光的相互作用、提高布里渊放大的总增益。虽然波导型结构的布里渊激光器容易获得低阈值且窄线宽的布里渊激光输出，但由于此类型振荡器的光束模体积很小，其输出功率受到了极大的限制（通常为微瓦至百毫瓦），示意图如图4所示。

图4 基于波导型结构布里渊激光器 (a) 光纤结构，(b) 微腔结构，(c) 薄片结构， (d) 波导结构

金刚石，一种潜在的布里渊材料

寻找新的布里渊工作介质以及探索非波导型结构的布里渊激光，或成为突破现阶段布里渊激光器功率瓶颈的潜在手段。然而，若想在非波导结构中实现高功率的布里渊激光的运转，需要布里渊工作介质具有高布里渊增益系数和高热导率；此外，为了满足不同工作波长的需求并获得高转换效率，也需要材料具有较宽的透过光谱。

金刚石俗称“钻石”，为目前已知自然界存在的最硬物质，它具有极宽的光谱透过范围（>0.23 μm）和极高的热导率（2000-2300 W·mK^?1，为常用激光晶体Nd:YAG的140倍以上），因此是一种可以实现几乎不受热影响的高功率且高光束质量激光输出的光学材料。

自然界中的金刚石带有一定的杂质元素或本身存在不均匀性，致使天然金刚石很难满足在精密光学、尤其是激光领域的应用。在过去的近十年里，单晶金刚石的生长技术逐渐成熟，目前已经获得长度1 ㎝以上的高质量光学级的片状人造金刚石晶体，其纯度比自然界中存在的金刚石高几个量级。人造单晶金刚石的出现成为人们再次探索金刚石在激光领域应用的重要转折，近几年已成功实现高功率、多波长、高亮度的拉曼激光输出。

图5 金刚石晶体

相比于现有的布里渊晶体材料，金刚石具有更高的布里渊频率（>10 GHz），因此更易获得频率可分辨的斯托克斯光输出。另外，与同处于第四组元素的硅晶体相比（硅波导布里渊激光器 道于Science, 2018, 360: 1113-1116），金刚石的多光子吸收的阈值功率比硅高3个数量级，且金刚石能够在抽运功率为千瓦量级以及功率密度达到1 GW/cm²的情况下无负面非线性效应产生。因此，金刚石可以作为一种潜在的新型布里渊材料，但是在SBS领域金刚石还是一个“新成员”。

金刚石布里渊激光器

近期，澳大利亚麦考瑞大学Mildren课题组通过直接抽运外腔金刚石拉曼激光器，在实验中首次观察并测到了金刚石的SBS，并通过振荡器的结构优化实现了自由空间运转的布里渊激光输出，见图6。

图6 基于拉曼实现自由空间布里渊激光运转的示意图 (a) 实验装置图，(b) 工作原理

其工作原理是将抽运光注入拉曼腔，通过与金刚石的作用首先达到拉曼激光的阈值产生拉曼激光；随着抽运光功率的增加，腔内的拉曼光功率密度也随之增加，当拉曼光的功率密度达到SBS阈值时将激发SBS的斯托克斯光；若腔长满足拉曼光与斯托克斯光的共振条件时，腔内的斯托克斯光将实现振荡并放大输出。该技术方案不仅突破了传统波导型结构布里渊激光器的功率瓶颈、有效实现了布里渊激光的自由空间运转，同时，将现有布里渊激光器的功率提升了1个数量级。

总结

近些年，随着微纳材料制备工艺的不断提升，基于波导型结构的布里渊器件已经在微波光子学、集成光信号处理等领域崭露头角，并朝着小型化、高集成度和更高分辨率的方向快速发展。此外，随着人造金刚石生长水平的提高，利用金刚石出色的光学和布里渊特性实现非波导结构的布里渊激光运转，将有望进一步突破以往布里渊激光器的功率和波长瓶颈，并将现阶段布里渊激光器的应用拓展至全新领域。