高功率布里淵激光器的研究進展

近年來，布里淵激光器引起了人們的極大興趣，其中研究最為廣泛的波導布里淵激光器已經實現了低噪聲、低閾值的窄線寬激光輻射，并被應用于光學時鐘和陀螺儀、超穩定激光器和微波光子學等領域。但導波結構面臨的功率難以提升和運轉波長難以拓展的問題，制約了布里淵激光器在引力波探測、長距離高分辨光譜測量等方向的應用。

鑒于此，河北工業大學白振旭等人提出了以金剛石晶體作為布里淵增益介質實現自由空間運轉布里淵激光器的方案，并于2020年在國際上首次報道了金剛石布里淵激光的直接輻射，獲得了功率為11 W的可見光布里淵激光輸出，相較于導波布里淵激光器提高了一個數量級。隨后，該團隊于2022年，將輸出波長從可見光波段延伸到了近紅外，并實現了功率高達22.5 W、信噪比高達71.8 dB的單頻激光穩定運轉。

但是，自由空間結構的布里淵激光器是否同導波結構布里淵激光一樣具有線寬窄化特性，這個重要問題卻尚未得到解答。

近日，該團隊發表在學術期刊High Power Laser Science and Engineering題為“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers”的論文成功解答了上述疑問，首次在連續運轉的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮率大于4倍的單頻布里淵激光輸出。

圖1.金剛石布里淵激光器結構示意圖

實驗采用直接泵浦的環形腔結構(見圖1)，通過PDH鎖腔技術實現泵浦光和Stokes光的雙諧振，其中泵浦光的線寬為7.36 kHz。通過利用三組不同的耦合鏡反射率96%、97%和98.5%進行對比實驗，測得對應的Stokes光線寬分別為3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光均實現了線寬壓縮，最高壓縮比達4.2倍。在最大泵浦功率下，三組反射率對應的Stokes光輸出功率分別為22.5 W、16.9 W和13.6 W，相應的光轉換效率分別為37.5%，29.1%和23.4%(見圖2)。

研究結果表明，利用自由空間布里淵振蕩器靈活的結構特性，未來通過降低腔內元件損耗、優化振蕩器設計和調整泵浦光參數，將有望實現線寬更窄、功率更高、波長更豐富的單頻激光輸出，研究成果對推動高相干激光技術的發展和應用具有重要意義。

圖2.不同耦合鏡反射率時的線寬和功率輸出曲線

河北工業大學金舵博士為論文的第一作者，通訊作者為白振旭教授(共同第一作者)、王雨雷教授和呂志偉教授，論文的合作者為澳大利亞麥考瑞大學光子中心Richard P. Mildren教授。該項研究工作得到了國家自然科學基金、河北省自然科學基金和天津市自然科學基金等項目資助。

審核編輯：湯梓紅