金刚石布里渊激光器高功率输出，线宽压缩接近60%！

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受激布里渊散射：实现窄线宽激光输出

激光器的发明为人类探索世界提供了一种强有力的工具。在激光器的发展历程中，一个最重要的方向就是单色功率密度的提升。作为现代光学最重要的一部分，非线性光学效应中强相互作用的产生也无不依赖于强单色功率密度的激光。而所谓的强单色功率密度激光即为我们所熟知的高功率单频窄线宽激光器。

传统获取高功率窄线宽激光的技术手段，不仅存在热积累导致光束质量退化和模式不稳定的问题，还存在由放大自发辐射噪声所引起的线宽展宽。此外，由于增益介质原子能级的缺陷，传统的技术手段在一些特殊波段，例如2 μm时无法实现窄线宽激光输出。伴随着激光技术的发展，光学非线性效应的出现为实现特殊波长的窄线宽激光辐射提供了一种新思路。其中作为三阶非线性效应的受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）在实现超窄线宽激光方面存在着巨大的优势。利用SBS过程中声波声子的快速衰减机制结合腔提供的强反馈，微波导布里渊激光器和光纤布里渊激光器都实现了远低于传统单频激光器的窄线宽激光输出。然而，这些基于波导结构的演示在功率提升时也面临着产生高阶斯托克斯光等问题，限制了其进一步地实现单频功率提升。

自由空间金刚石布里渊激光器：实现高功率窄线宽输出的新途径

针对波导布里渊激光器在功率提升上面临的窘境，空间结构布里渊激光器因其腔与增益介质分离，方便实现高功率下的热管理、对相位匹配条件的控制和增益材料的多样性，使得特殊波长窄线宽激光的实现成为可能。空间布里渊激光器从最初受增益水平限制的20 mW的功率输出提升至超过20 W的单频功率的输出水平，并且没有出现功率曲线饱和的现象，输出波长也从可见光波段延伸到了近红外波段。由此可以看到在功率输出上，空间结构布里渊激光器远超导波结构布里渊激光器。并且，由于空间光结构布里渊激光器中斯托克斯光线宽窄化的特性鲜有报道，从而限制了布里渊激光器的研究和发展。

近日，河北工业大学先进激光技术研究中心的吕志伟、王雨雷教授团队的金舵和白振旭等人基于对空间运转的布里渊激光器线宽的理论分析和测量方案优化的基础上，在连续运转的金刚石布里渊激光器中获得了接近60%线宽压缩、线宽为3.2 kHz、单频功率输出超过20 W的激光辐射。此外，该研究还进一步给出了同时实现单频功率提升和线宽压缩的技术手段。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第4期的文章（Duo Jin, Zhenxu Bai, Zhongan Zhao, Yifu Chen, Wenqiang Fan, Yulei Wang, Richard P. Mildren, Zhiwei Lü. Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(4): 04000e47）

图1 金刚石布里渊激光器的（a）相位匹配、（b）光路结构和（c）线宽测量系统

图1给出了金刚石布里渊激光器运转和测量的结构示意图。在此计算了在三组耦合镜反射率（R₁）下，斯托克斯光的热量子噪声引起的线宽和由泵浦光相位扩散引起的线宽，如表1所示，其中γ_ex、γ、Q_ex和Q_L分别表示腔的耦合损耗、总损耗、耦合Q值和负载Q值，∆ν_{S_T}为量子噪声引起的线宽、∆ν_{S_P}为泵浦光相位扩散引起的线宽。可以发现，由于空间腔中存在固有损耗，空间布里渊激光器中的基本线宽主要由泵浦光相位扩散决定。

表1 不同耦合镜反射率下的斯托克斯光输出基本线宽

在图1(c)中，对线宽测量结构中使用的光纤长度进行优化后，取延时光纤长度为1 km，测量在不同耦合镜反射率下对应的斯托克斯光输出线宽，得到结果如图2（a）所示。随着耦合镜反射率的提高，斯托克斯输出线宽逐渐变窄。三组耦合镜反射率对应的斯托克斯线宽分别为3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光其均已实现了线宽压缩。即使在耦合镜反射率为96%时，线宽依旧压缩了将近60%。相应的线宽压缩趋势与表1预测的一致，但测得的线宽值均高于理论计算值。实验测量值与理论值的差异可以归因于额外技术噪声的引入，例如环境噪声、锁定系统的电子噪声等。图2（b）给出了三个反射率对应的泵浦-斯托克斯功率曲线。在最大泵浦功率下，三组反射率对应的斯托克斯输出功率分别为22.5 W、16.9 W和13.6 W，相应的光转换效率分别为37.5%，29.1%和23.4%。

图2 不同耦合镜反射率时的线宽和功率输出曲线

总结和展望

金刚石布里渊激光器的出现，为实现大功率的超窄线宽特殊波长激光辐射提供了一种新的技术路线。此外，理论分析还表明通过降低腔内元件的插入损耗，在理论上可以实现线宽更窄、功率更高的单频激光输出，这也将是课题组进一步研究的方向。

作者简介

论文共同第一作者

金舵，河北工业大学博士研究生，导师为吕志伟教授。主要从事金刚石布里渊激光技术研究。目前以第一作者发表SCI论文6篇，合作发表SCI期刊论文8篇，授权发明专利1项，主持河北省研究生创新资助项目1项。入围2022年全国光学与光学工程博士生学术联赛全国总决赛并荣获优秀奖。

论文共同第一作者&通信作者

白振旭，教授，博士生导师，河北工业大学先进激光技术研究中心副主任、河北省先进激光技术与装备重点实验室副主任、研究生院副院长（挂职），主要研究方向为高功率金刚石激光技术。担任中国光学光电子行业协会激光应用分会青年委员、天津市激光技术学会常务理事、北京光学学会青年工作委员会委员，以及《光电技术应用》、《红外与激光工程》、《中国激光》、《应用光学》等学术期刊青年编委。成果荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖、“Rising Stars of Light”一等奖、河北省技术发明二等奖、国家部委“源创杯”全国总决赛三等奖。主持装备发展部领域基金、国家/河北省/天津市自然科学基金等课题16项。第一/通讯作者在APL Photonics、Optics Letters等期刊发表SCI论文40余篇，授权专利17项。

论文共同通信作者

王雨雷教授，国家自然科学基金委优秀青年基金项目获得者，河北工业大学电子信息工程学院院长，先进激光技术研究中心副主任，河北省先进激光技术与装备重点实验室主任，英国帝国理工访问学者。曾获总装备部科技攻关先进个人、黑龙江省自然科学一等奖、军队科技一等奖、河北省技术发明二等奖等奖项。天津市光学学会副理事长、天津市激光学会常务理事，《应用光学》、《中国激光》杂志青年编委，国家科技奖励计划评审专家，国家自然科学基金函评专家，国家留学基金评审专家，教育部科技评价与评审专家主要从事受激布里渊散射(BS)和高功率激光技术研究承担了国家科技重大专项、863高技术重点项目、国家自然科学基金优秀青年基金、重点项目和面上项目等课题20余项，发表SCI收录论文100余篇，获得授权发明专利25项。

论文共同通信作者

吕志伟，“长江学者”特聘教授，教授、博士生导师，河北工业大学学术委员会主任、先进激光技术研究中心主任。担任中国光学学会激光专业委员会副主任、中国电子学会工业工程分会副主任、中国工程教育电子信息与电气工程类专业认证委员会副主任。长期从事高功率固体激光技术、非线性光学和激光光谱技术的教学和科研工作，主持国家重大专项项目、国家重大科技工程项目、国家863高技术项目、国家自然科学基金重大仪器专项项目和重点项目等科研项目50余项。成果获军队科技进步一等奖2项、黑龙江省自然科学奖一等奖1项、航天工业总公司科技进步二等奖1项。发表学术论文400余篇，授权发明专利40余项。

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编辑 | 周琦雅

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