近日，河北工業(yè)大學(xué)呂志偉教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜，首次在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮率最高4倍以上、線寬1.77 kHz的單頻激光輸出，最高功率超過20 W！這是自由空間布里淵激光器首次證實(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。論文第一作者為博士生研究金舵，共同第一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(shí)鐘和陀螺儀、超穩(wěn)定激光器和微波光子學(xué)。研究最為廣泛的波導(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(jí)，限制了其在一些大功率場(chǎng)景的應(yīng)用，如引力波探測(cè)、長(zhǎng)距離高分辨光譜測(cè)量等。針對(duì)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(zhǎng)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(guó)際上首次測(cè)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(zhǎng)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(bào)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(dòng)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(cè)量系統(tǒng)

       實(shí)驗(yàn)上，測(cè)得三組不同耦合鏡反射率（96%、97%，98.5%）對(duì)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(shí)，線寬最高壓縮了近4.2倍。圖2（b）給出了三個(gè)反射率對(duì)應(yīng)的泵浦-斯托克斯功率曲線。在最大泵浦功率下，三組反射率對(duì)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(shí)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(zhǎng)激光輻射方面的巨大前景！

       作者簡(jiǎn)介：

       第一作者：金舵，河北工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事金剛石布里淵激光技術(shù)研究。目前第一作者發(fā)表SCI論文5篇，授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)，主持河北省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目1項(xiàng)。入圍2021年國(guó)際光學(xué)頂級(jí)會(huì)議ASSL的Student Awarded候選人，榮獲2022年全國(guó)光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽全國(guó)總決賽并獲得獲優(yōu)秀獎(jiǎng)。

       共同第一作者&通信作者：白振旭，教授，博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)研究中心副主任、河北省先進(jìn)激光技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、研究生院副院長(zhǎng)（掛職）。擔(dān)任中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)激光應(yīng)用分會(huì)青年委員、天津市激光技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、北京光學(xué)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員，以及《光電技術(shù)應(yīng)用》、《紅外與激光工程》、《中國(guó)激光》、《應(yīng)用光學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊青年編委。主要研究方向?yàn)楦吖β式饎偸す饧夹g(shù)。成果榮獲國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)Teddi Laurin獎(jiǎng)、“Rising Stars of Light”一等獎(jiǎng)、河北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、國(guó)家部委“源創(chuàng)杯”全國(guó)總決賽三等獎(jiǎng)。主持裝備發(fā)展部領(lǐng)域基金、國(guó)家/河北省/天津市自然科學(xué)基金等課題16項(xiàng)。第一/通訊作者在APL Photonics、Optics Letters等期刊發(fā)表SCI論文40余篇，授權(quán)專利17項(xiàng)。

       團(tuán)隊(duì)帶頭人：呂志偉，“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授，教授、博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、先進(jìn)激光技術(shù)研究中心主任。擔(dān)任中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光專業(yè)委員會(huì)副主任、中國(guó)電子學(xué)會(huì)工業(yè)工程分會(huì)副主任、中國(guó)工程教育電子信息與電氣工程類專業(yè)認(rèn)證委員會(huì)副主任。長(zhǎng)期從事高功率固體激光技術(shù)、非線性光學(xué)和激光光譜技術(shù)的教學(xué)和科研工作，主持國(guó)家重大專項(xiàng)項(xiàng)目、國(guó)家重大科技工程項(xiàng)目、國(guó)家863高技術(shù)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器專項(xiàng)項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目等科研項(xiàng)目50余項(xiàng)。成果獲軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、黑龍江省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、航天工業(yè)總公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)。