窄线宽激光器技术的起源和发展历程

摘要

窄线宽激光器具有极高的光谱纯度、极大的峰值谱密度、超长的相干长度和极低的相位噪声，因而作为核心光源在引力波探测、光学时钟、冷原子物理、相干光通信、光学精密测量以及微波光子信号处理等领域中具有重要应用。激光及应用研究的深入开展，对激光器的综合参数性能提出了更高的要求，窄线宽激光器正沿着线宽超窄、时频超稳、波长可调和波长可扫等方向发展。立足激光腔内自发辐射与受激辐射的互作用原理，对激光腔的架构进行深入研究是目前实现窄线宽激光参数极致调控的重要研究思路之一。为了抑制自发辐射对受激辐射能量的扰动，激光自发明以来，逐渐发展了主腔激光、固定外腔反馈激光和自适应分布反馈激光等构型的激光器。其中，基于自适应分布反馈的激光架构主要是基于分布反馈对主激光腔内自发辐射的时空随机微扰进行深度抑制，达到对激光线宽进行波长自适应压缩的目的。本文首先介绍了窄线宽激光器的应用需求与架构演化脉络，随后介绍了主腔激光和固定外腔反馈激光的研究进展。然后重点介绍了新近发展的自适应分布反馈窄线宽激光器，对该类新型激光器的物理思想、核心器件和系统性能进行了分析和讨论。最后以分布式光纤传感、激光相干通信以及片上光信息处理作为典型应用领域介绍了窄线宽激光器的潜在应用，并展望了窄线宽激光器的发展前景和未来趋势。

 

 

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1 主腔窄线宽激光器

要使激光器实现单纵模窄线宽，首先要抑制激光多纵模输出，获得稳定的单纵模激光，即在激光器的增益带宽内有且仅有一个纵模运转。到目前为止，实现单纵模运转的方法主要有两大类：1）在确定增益带宽内增大纵模间隔；2）在确定纵模间隔下减小增益带宽。按照激光器腔体结构的不同，窄线宽激光器的主腔构型有线形腔和环形腔。对于线形腔激光器来说基本采用缩短谐振腔长度以增大纵模间隔，这类结构适合半导体激光器和光纤激光器。线形腔具有结构简单、工作稳定的优点，但由于腔内激光为驻波，存在空间烧孔效应，因此不能简单通过增加腔长实现线宽压缩。同短线形腔相比，环形腔结构通过利用较长的腔体结构增加了光子在激光腔中的寿命，有助于获得更小的激光线宽，同时有利于消除空间烧孔效应，以直接获得较高功率和能量的输出。但环形腔激光器在增大腔长的同时也会减小纵模间隔，导致选模结构复杂且容易跳模。本节介绍线形与环形主腔结构的窄线宽激光器。

1.1　线形主腔激光器

以分布反馈（DFB）结构、分布布拉格反射（DBR）结构等为主的线型腔窄线宽激光器由于谐振腔较短，约为厘米量级以下，增大了纵模间隔，是实现单纵模运转的方式之一。其中，半导体激光器受激发射的物理过程与增益材料有源区内的电子-空穴对的运动密切相关，对于窄线宽半导体激光器，利用半导体激光器较宽的增益谱结合光栅的选频特性，可以较为理想地实现半导体激光器的模式选择，因此，按照布拉格光栅分布位置的不同，可分为DFB半导体激光器和DBR半导体激光器。DFB半导体激光器的布拉格光栅分布于整个谐振腔，如图1（a）所示，具有较高的频率稳定性；DBR半导体激光器的谐振腔通常由反射光栅结构和增益区构成，如图1（b）所示，输出功率高，输入电流大，但易功率抖动。20世纪70年代，美国贝尔实验室KOGELNIK H和SHANK C V首次提出了DFB主腔激光器的结构，研究了由后向布拉格散射提供反馈的周期结构中激光振荡过程，其反馈结构分布在整个增益介质中并与增益介质集成，因而此类激光构型非常紧凑和稳定；1973年，美国加州理工大学的NAKAMURA M等利用光泵方式在Ga As材料上制作了第一只受激谱宽为0.83 μm的DFB半导体激光器，此后，通过采用先进的光栅制备技术和芯片外延技术，国内外研究机构致力于研发可满足不同需求的窄线宽、高效率、高功率激光器。2013年，美国加州大学圣芭芭拉分校BELT M等在一个超低损耗的氮化硅上设计了一组掺铒波导分布反馈激光器，通过在氮化硅层中刻蚀提供激光反馈的侧壁光栅，实现了在12 nm（1 531~1 543 nm）波长范围内5个单独的激光器阵列输出，其输出激光线宽为501 kHz；2018年，法国巴黎萨克莱大学DUAN J等提出了一种基于InAs/InP量子点分布反馈激光器，所提出的激光器利用化学束外延（Chemical Beam Epitaxy，CBE）的方法在n型InP基板上生长，激光器的未掺杂活性区由5层堆叠的InAs量子点组成，通过制备条纹宽度为3 μm、空腔长度为1 mm的脊形波导激光器，在端面涂层以改变激光腔的反射率，利用这种设计，激光器输出线宽为160 kHz；2019年，美国加州大学圣芭芭拉分校HUANG D等设计了一种III-V增益材料与15 nm长的硅波导布拉格反射结构集成的E-DBR激光器，该激光器由一个2.5 mm长的增益部分、一个0.3 mm长的相位控制部分和一个15 mm长的布拉格光栅组成，通过在结构中引入半径为0.7 mm的环形谐振器，实现了500 Hz的窄线宽输出。

窄线宽光纤激光器依赖于各种激射波段的传输光纤和增益掺杂光纤，主要利用高掺杂增益光纤结合光栅刻蚀或其他反射结构来实现，激光腔体结构以DFB、DBR和法珀结构为主，线宽可以达到kHz量级。2004年，SPIEGELBERG C等利用由铒镱共掺的磷酸盐光纤和一对具有高低反射率的布拉格光栅所组成的DBR短腔结构，获得了输出线宽小于2 kHz的激光输出。华南理工大学于2017年设计并制作了一种基于Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤（Er3+/Yb3+ co-doped Phosphate glass Fiber，EYPF）的DBR激光器，激光器通过16 mm长的EYPF结合高反射光纤布拉格光栅（Highly Reflective Fiber Bragg Gratings，HR-FBG）和部分保偏FBG（Polarization Maintaining FBG，PM-FBG）构建，实现了功率为20 mW、线宽为1.9 kHz、波长为1 603 nm的激光输出，其实验结构如图2所示。2021年，美国Cybell公司WALASIK W等通过在掺铥光纤内刻写高反射率和低反射率的光栅，设计了一种工作波长在2 051 nm和2 039 nm处的DFB-FBG掺铥光纤激光器，激光输出线宽为5 kHz［47］。基于光纤的DFB激光器基本原理跟半导体DFB激光器类似，只不过光纤DFB激光器是在增益光纤上写性能良好的Ⅱ相移布拉格光栅来实现线宽压缩。

1.2　环形主腔激光器

环形腔结构是实现激光器单纵模输出的另一种架构，旨在通过增加腔长和光子在激光腔内的循环时间来减小线宽。环形腔窄线宽激光器结构多变，线宽可达到kHz量级，与线性腔结构相比，可以消除空间烧孔效应，但由于环形腔激光器为全光纤结构，易受环境影响，强度噪声相对较高。2007年，SUZUKI A等通过将保偏的相移光栅和光纤环形激光腔结合的方式实现了输出线宽为6 kHz的单纵模激光输出；2014年，德国马克斯-普朗克研究所COLLODO C等将高品质因子（10⁸）的CaF2回音壁（Whispering Gallery Mode，WGM）微腔应用于掺铒环形腔光纤激光器中，实现了波长为1 530 nm、瞬时线宽为650 Hz的激光输出，其结构如图3（a）所示；2021年，天津大学利用3 m长的荧光掺杂光纤（NufernSM-TSF-9/125）的饱和吸收效应结合高反射FBG，提出了一种输出功率为2.56 W、激光线宽为3.3 kHz的光纤环形腔激光器；同年，河北大学提出了一种复合环形腔光纤激光器，利用2.9 m长的掺铒光纤，结合四通道偏振控制滤波器，实现了线宽小于600 Hz、相对强度噪声小于-154.58 dB/Hz的激光输出。除全光纤结构之外，非平面环形腔（NPRO）激光器也可以实现窄线宽输出，20世纪80年代，NPRO激光器的概念被首次提出，KANE T J等阐述了一种固态非平面内反射环形激光器，包括具有两个镜面的单片固态激光器，这两个镜面用于定向改变光线的传播路径，当镜面位于足够强度的磁场中时，激光将以单一模式发射；1989年，ALAN C N等指出，在外加磁场中，二极管激光泵浦的单片非平面环振荡器可以作为单向行波激光器工作，二极管激光泵浦、单片结构和单向振荡导致了较窄的线宽辐射，他们原理上分析了NPRO激光器的偏振特性，并为进一步降低NPRO激光器的线宽提供了理论支撑。此后，科学家致力于研究泵浦效率和斜率效率更高的NPRO激光器。NPRO激光器具有腔内损耗低、强度噪声低和输出稳定等优势，图3（b）是一种典型的NPRO激光器构型。2018年，中国计量科学研究院通过二极管激光器直接将增益介质Nd³⁺：YAG泵浦到亚稳态能级，当在1 064 nm波长条件下输入7.6 W的泵浦功率时，激光输出功率可以达到4.54 W，且其斜率效率可以达到76.9%，其结构如图3（b）所示。