近日，河北工業(yè)大學呂志偉教授課題組，在金剛石晶體中實現(xiàn)了中心波長1.2 μm、頻率間隔71 GHz、頻譜寬度1.55 THz的布里淵梳狀頻率運轉，穩(wěn)態(tài)功率高達101 W，該實驗驗證了金剛石晶體作為布里淵增益介質實現(xiàn)光學頻率梳的可能性。成果以封底文章發(fā)表于《中國激光》，論文第一作者/通訊作者為白振旭教授。

       光學頻率梳是由頻域中若干個等間隔的頻率分量組合而成的光譜，可用于實現(xiàn)超高分辨率的距離、頻率和時間的測量，它的出現(xiàn)推動了超精密計量和光譜學的革命性發(fā)展。在諸多應用領域，不僅需要光學頻率梳具有等頻率間隔的特點，同時也對其頻率間隔提出了更高的要求，例如，在行星探測等空間應用中，往往需要光頻梳的頻率間隔在20 GHz以上，以滿足對天文光譜儀的定標和分辨率需求。不僅如此，在遠距離探測、遙感等領域，還需要光頻梳具有高功率、高光束質量和特定波長輸出的特性，以更好地滿足在特定介質中的長程傳輸和檢測。因此，開展具有符合特性的光學頻率梳研究，對拓展其在遙感、空間和海洋探測等領域的應用具有重要的意義，也是當前激光技術領域研究的熱點。

       受激布里淵散射（SBS）是一種基于光波場和聲波場互作用增益機制的三階非線性光學效應，對多數(shù)晶體材料的布里淵介質，其聲子頻率（>10 GHz）和高的時間相干特性（~MHz）使獲得低噪聲和窄線寬的激光輸出、以及產生大頻率間隔的光學頻率梳成為了可能。但是目前關于布里淵頻率梳的報道僅限于基于導波結構的CaF2、二氧化硅、硫系化合物等材料，輸出功率通常僅有百mW量級。

       針對導波結構布里淵光頻梳的技術瓶頸，河北工業(yè)大學呂志偉教授課題組率先提出以金剛石晶體作為增益介質、拉曼場作為媒介在空間光腔中激發(fā)SBS的方案。金剛石晶體具有高布里淵增益系數(shù)（~80 cm/GW）、極高的熱導率（>2000 W/（m.K））和極寬的光譜透過范圍（>0.2 μm），因此有望突破傳統(tǒng)導波結構布里淵頻率梳的功率和光譜極限，大幅度提升布里淵光學頻率梳的性能。所采用的實驗裝置如圖1所示，以長度為8 mm金剛石晶體作為增益介質，將泵浦光注入金剛石拉曼腔中，首先激發(fā)出具有較大頻移的拉曼光；然后，通過腔內的拉曼激光作為新的泵浦源，激發(fā)金剛石晶體內部的聲波場，產生SBS；最后，隨著泵浦功率提升，在級聯(lián)SBS和四波混頻的共同作用下，產生若干階次的頻率差為確定關系的級聯(lián)Stokes和反Stokes光，進而形成梳狀頻率的輸出。

       基于上述原理和裝置，作者利用1 μm激光作為泵浦源，獲得了中心波長為1.2 μm、梳齒間隔為71 GHz、頻譜寬度為1.55 THz的布里淵頻率梳輸出，穩(wěn)態(tài)功率高達101 W（圖2）。該功率為已知布里淵頻率梳的最高功率，相較于微腔結構提升了4個數(shù)量級以上。由圖2中的插圖可知，輸出激光的光束質量相較于泵浦光得到了顯著提升，即該裝置在實現(xiàn)級聯(lián)SBS運轉的同時也發(fā)揮了拉曼和布里淵轉換過程中優(yōu)異的光束凈化特性。

       研究結果表明，以拉曼場作為媒介在空間光腔中激發(fā)級聯(lián)SBS的金剛石激光器方案為實現(xiàn)光學頻率梳運轉提供了新的技術路徑，也為進一步突破光學頻率梳的功率和光譜極限指明了新的方向。

       團隊負責人介紹：

       呂志偉，教授，“長江學者”特聘教授，中國光學學會激光專業(yè)委員會副主任、中國電子學會工業(yè)工程分會副主任、國防科技創(chuàng)新團隊帶頭人和教育部創(chuàng)新團隊帶頭人。主要研究方向為高功率固體激光技術和非線性光學效應，主持完成國家重大專項項目、國家重大科技工程項目、國家863高技術項目、國家自然科學基金重點項目等科研項目50余項。研究工作獲軍隊科技進步一等獎2項、黑龍江省自然科學獎一等獎1項。

第一作者/通訊作者介紹：

       白振旭，教授，博士生導師，河北工業(yè)大學先進激光技術研究中心副主任、河北省先進激光技術與裝備重點實驗室副主任。主要研究方向為高功率金剛石激光技術及應用，在APL Photon.、Opt. Lett.、Opt. Express等期刊發(fā)表論文70余篇，授權專利20余項。研究成果榮獲國際光學工程學會Teddi Laurin獎、光學青年科學家競賽Light “Rising Stars of Light”一等獎、河北省技術發(fā)明二等獎。