朱涛，韦达，史磊磊，黄礼刚，李嘉丽，徐敏志
重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室
1917年，Einstein在提出“光与物质相互作用”理论时，便预言了受激辐射的存在。美国加利福尼亚州休斯实验室的Maiman利用人工合成的红宝石获得波长为694.3 nm的高纯度光源，至此，激光正式进入人们的视野之中。
经过六十多年的发展，激光波长、功率，以及线宽等参数的性能不断提升。推动了制造业、生命科学、信息技术、科学研究等领域的快速发展，激光的科研价值和商业价值早已不言而喻。尤其是近些年，量子通信、相干传感、光学精密测量、引力波探测等技术的突破，对光源的相干长度、功率、噪声等参数提出了更高的要求，窄线宽激光再一次引发了人们的研究热潮。
窄线宽激光器发展到如今，激光反馈模式的演变就是激光谐振腔结构的演变。下面按照激光器谐振腔的演变顺序介绍各种构型的窄线宽激光器技术。
单主腔型激光器从腔型结构上可以分为线形腔和环形腔结构，而从腔长上来划分，又可分为短腔结构和长腔结构。短腔型激光器纵模间隔大，在实现单纵模（SLM）运行方面更有优势，但本征线宽较宽，噪声难以抑制。长腔结构本身就具有窄线宽特性，且腔内可集成多种光学器件，结构灵活，但是纵模间隔过小，所以该激光构型的技术难点在于如何实现SLM运行。
线形腔，作为激光主腔的经典构型，具有结构简单、效率高、调控容易等优点，历史上第一束真正意义上的激光便是通过F-P线形腔结构得到的，之后随着科学技术的不断发展，F-P结构被广泛应用到了半导体激光器、光纤激光器和固体激光器中。
环形腔结构是经典线形腔结构的变形，它克服了线形腔空间烧孔的弊端，以行波场代替驻波场，实现光信号的循环增益。随着光纤器件的发展，结构灵活、全光纤结构的光纤激光器受到了广泛关注，成为近二十年发展最快的一类激光器。
非平面环形腔（NPRO）激光器是一种特殊的行波场激光构型，通常这种激光器主腔为一整块的晶体，如图1（c）所示，利用晶体端面反射和外加磁场对激光偏振态调控，实现激光的单向行波场运行，可以极大降低激光谐振腔的热负荷，且波长和功率非常稳定，还具有窄线宽的特性。
图1 主腔型激光器结构。（a）F-P线形腔结构；（b）光纤环形腔结构；（c）NPRO结构
受限于腔长过短、固有损耗大等因素，基于腔内反馈的F-P短腔型单腔激光构型光子作用时间有限、增益介质的自发辐射难以消除，为了解决这一难题，研究人员提出了单外腔反馈结构。外腔的作用是延长光子的作用时间并将经过筛选的光子反馈回主腔，用以优化激光性能、压缩激光线宽。早期基于空间光学的简单外腔结构如Littrow和Littman型，都是利用光栅的分光能力，将提纯的激光信号再次注入到激光主腔之中，对主腔进行频率牵引，实现线宽压缩。随后这种单外腔结构也被拓展到光纤激光器和半导体激光器之中。
单外腔反馈激光构型的难点在于外腔与主腔间的相位匹配，有研究表明，外腔反馈信号的空间相位对于确定激光阈值、频率和相对传输功率至关重要，激光纵模对于反馈信号的强度和相位非常敏感。
图2 单外腔激光器机械设计。（a）机械设计；（b）由光纤耦合增益芯片和准直光学元件组成的激光头的隔离剖面图
为了提高激光系统的稳定性，并将波长选择器件集成到主腔结构当中，DBR结构被提出。DBR型谐振腔是基于F-P型谐振腔设计而来的，以周期性的无源布拉格结构代替F-P结构的反射镜提供光反馈。DBR型主腔由于布拉格结构对于激光干涉模式的周期性微扰，本身具有一定的滤波特性，结合短腔结构带来的大纵模间隔很容易实现SLM运行。虽然设计周期性的布拉格结构最初的目的只是为了选择激光波长，但是从腔型的角度来看，这也是单腔结构反馈面增多后的一种表现。
DBR结构如图3（a）所示。按照增益介质划分，DBR型激光器又可分为半导体激光器和光纤激光器等。半导体激光器在制作工艺上具有与半导体材料和微纳工艺兼容的天然优势，很多半导体领域的工艺，如二次外延、化学气相沉积、步进光刻、纳米压印、电子刻蚀、离子刻蚀等都可以直接应用到半导体激光器的研发制作上。DBR光纤激光器的出现要晚于DBR半导体激光器，这主要受限于光纤波导的加工技术和高浓度光纤掺杂技术的发展。目前常用的光纤波导结构加工技术有载氢相位掩膜和飞秒加工技术等，高浓度光纤掺杂技术有改性化学气相沉积（MCVD）和表面等离子化学气相沉积（SPCVD）技术等。
图3 典型的DBR和DFB半导体激光器结构。（a）DBR半导体激光器；（b）DFB半导体激光器
基于布拉格结构的另一种谐振腔结构便是DFB构型。DFB激光主腔将布拉格结构与有源区相结合，并在结构的中间位置引入相移区，以此来选择激光波长。典型的DFB结构如3（b）所示，这种结构集成化程度更高、一体性更强，还改善了DBR结构波长漂移严重、跳模等问题，是现阶段稳定性和实用性最高的一类激光构型。
DFB激光器的技术难点在于光栅结构的加工，DFB半导体激光器的光栅加工一般有两种方式，二次外延和表面刻蚀。二次外延RG-DFB半导体激光器是在有源区利用二次外延和光刻技术生长一组低折射率光栅结构，这种方法不会破坏有源层结构，损耗较低，有利于制作高Q值谐振腔。表面光栅SG-DFB半导体激光器是直接在有源层的表面刻蚀一层光栅结构，这种方法较为复杂，需要根据有源区材料和掺杂离子进行精密调整，且损耗较高，但是对光信号的束缚能力和高阶模式抑制能力更强。
DFB光纤激光器与DBR光纤激光器相似，同样依赖于光纤波导加工技术和高浓度掺杂光纤技术的发展。相较于DBR光纤激光器，由于稀土离子的波长吸收特性，导致DFB的光栅结构加工更加困难。
DFB与DBR等短腔型主腔激光器腔内光子作用时间有限，线宽很难深度压缩。为了进一步压缩线宽、抑制噪声，这种短主腔型激光构型也常结合外腔结构进行性能优化。目前常见的外腔结构包括空间外腔结构、光纤外腔结构和波导外腔结构等。在光纤器件和波导结构发展起来之前，外腔结构主要以空间光结合分立的光学器件为主。其中，基于光栅的空间外腔反馈结构主要为Littrow和Littman结构，如图4（a）和（b）所示。这两种结构通常由激光增益主腔、耦合透镜和衍射光栅组成。其中，光栅作为反馈元件，具有波长调节、模式选择，以及线宽压缩的作用。
此外，基于空间光结构的外腔反馈器件还可以是一系列的光学滤波器件，如F-P标准具、声光/电光可调滤波器和干涉仪等。这些滤波器件本身具有一定的模式选择能力，可以代替光栅，甚至某些滤波器件，如高Q值的F-P标准具在光谱窄化、线宽压缩方面要优于反射光栅。
随着光纤器件工艺的发展，使用集成化程度更高、鲁棒性更强的光纤波导或光纤器件代替空间光结构是提升激光系统稳定性的有效方案。光纤外腔通常使用光纤器件相互熔接，组成全光纤外腔结构。这种结构集成度高，易于维护，抗干扰能力也更强。光纤外腔反馈结构可以是简单的光纤回路反馈，或是全光纤结构的谐振腔、FBG、光纤F-P腔和WGM[图4（c）]等。
一体化的波导外腔反馈结构窄线宽激光器由于其更小的封装体积，更稳定的性能而被广泛关注。本质上波导外腔反馈还是沿用了光纤结构外腔反馈的相关技术原理，但是半导体材料更加多样，微纳加工技术让激光系统更加紧凑，稳定性更高，这使得波导外腔反馈窄线宽激光器更具实用性。目前常用的光波导材料有Si、Si3N4 [图4（d）]、III-V族材料等。
光电振荡激光构型是一类特殊反馈激光构型，反馈信号通常为电信号或是光电同时反馈[图4（e）所示]。最早应用在激光上的光电反馈技术就是PDH稳频技术，利用电学负反馈去调节主腔，将激光频率锁定到参考源上，如高Q值的谐振腔和冷原子吸收谱线。经过负反馈调谐，激光谐振腔可以根据激光运行状态进行实时匹配，频率不稳定性能够降低到10-17量级。但是电学反馈还是有很多局限性的，如反馈速度慢，伺服系统过于复杂，包含了大量的电路系统，这些特点导致激光系统技术难度大、控制精度高、成本高昂，且系统对于参考源的强依赖特性也使得激光波长被严格限定在了某些频点，进一步限制了激光系统的实用性。
图4 各种外腔反馈型窄线宽激光器。(a) Littrow外腔结构；(b) Littman外腔结构；(c)基于WGM自注入锁定的四波长窄线宽激光阵列；(d) Si3N4材料片上外腔反馈激光器；(e) 光电振荡反馈激光系统
激光线宽展宽主要受到激光系统内部因素和外部因素两方面影响。外部因素主要是环境振动或是温度变化引起的环境噪声耦合进激光信号，可以通过优化激光系统的工作环境，或是使用主动反馈技术锁定激光腔长来改善。内部因素主要为增益粒子在进行能级跃迁过程中不可避免的自发辐射噪声耦合进激光信号，造成激光本征线宽的展宽。重庆大学朱涛教授课题组通过对激光物理的底层动力学研究，提出利用分布弱反馈信号抑制自发辐射噪声，可以从弱反馈结构上实现反馈光子与振荡腔中光子的时空匹配，从而深度压缩激光线宽的新方法。该方法具有普适性，在光纤激光器和半导体激光器中均适用，也已经从科学探索，技术实现，走向了产品应用。
波长自适应分布弱反馈是基于反馈元件开发的新激光构型，因此研究不同材料、不同结构的反馈元件中的瑞利散射光谱演化非常重要。基于瑞利散射的反馈信号在介质中传播时线宽会随着散射次数的增加而逐渐窄化，过程等同于一个能够不断将光谱高度提纯窄化的自适应滤波器，这为激光线宽极致压缩提供了优质的反馈种子源。
对于长腔结构的激光系统而言，腔内的模式大多呈现出均匀离散的分布状态，如果没有适合的纵模抑制机制，将很难实现SLM运行。在早期的工作中，本课题组实验发现分布式反馈在实现线宽压缩的同时，本身也具备模式抑制的能力。一般情况下强反馈会引起激光系统的多模振荡，但是随着反射系数的减小，反馈信号的纵模数量也会逐渐减少，如图5所示。当反射系数为0.01时频谱中其它纵模信号被完全抑制，仅留下主振荡模式。从反射强度与纵模抑制能力上也能看出，强反射的引入会导致这种抑制效果减弱，进一步说明这种分布弱反馈信号具有一定的边界条件，同时体现了分布弱反馈机制的频域演变规律以及抑制频域纵模的要点，即弱反馈。
图5 (a)分布反馈结构中不同反射系数的频谱演化以及(b)分布反馈结构中不同反馈面个数的频谱演化
进一步对分布弱反馈线宽压缩特性进行了仿真分析，结果如图6所示，图6(a)、(b)分别为不同粒子反馈系数和不同反馈比激光线宽的演化情况。图6（c)展示了粒子反馈系数为1.5×10-4时激光功率谱随分布弱反馈结构长度演化规律二维伪彩图，其中，曲线颜色的亮度表示能量的大小。图6(d)给出了不同反馈比下激光线宽的变化特征，其变化规律与图6(c)相似，表明激光线宽压缩还可以通过提高光纤内粒子反馈系数实现，这为小尺寸分布反馈结构的设计提供了理论依据。
这项工作表明，通过提供与主腔波长重合的腔模信号来有效抑制自发辐射是可行的。而纯光学反馈，无波长选择的特性也让分布弱反馈在快速波长调谐领域具有独特的优势。
图6 激光线宽演化的仿真结果。(a)不同反馈系数下激光线宽随反馈长度的演变；(b)不同反馈比下的线宽曲线，频谱的二维伪彩色图；(c)随长度变化和(d)随反馈比变化
2.波长连续型自适应分布弱反馈窄线宽激光器
光纤中的随机瑞利散射本身具有抑制纵模、压缩光谱线宽提纯光信号的作用，是绝佳的自适应滤波元件，且分布式反馈构型可以避免传统固定外腔反馈结构引入的激光相位跳变。
基于分布弱反馈的高线宽压缩特性，课题组设计了一系列单频超窄线宽光源，包括光纤环形腔，线型腔激光器，F-P结构激光器，半导体激光器等。其中光纤激光器可以实现百Hz量级以下的超窄线宽输出，边模抑制比>80 dB，而采用外腔波导反馈的半导体激光器激光系统可以在常态下实现80 dB的SMSR，10 Hz量级积分线宽激光输出，激光频率噪声被抑制了70 dB，并且噪底接近0.1 Hz2/Hz量级。
波长调谐作为窄线宽光源的功能拓展，具有很重要的应用价值，而分布式反馈结构具有波长自适应特性，当对主腔激光进行连续波长调控时，激光系统仍能实现窄线宽输出，这是目前其他外腔反馈伺服系统无法做到的。基于分布弱反馈的快速波长调谐优势，我们结合声光，石墨烯光热调谐等波长调谐技术设计出一些列波长调谐/波长扫描超窄线宽激光器（图8），其中声光调谐激光调谐响应时间达到~200 µs，通过控制声波频率，激光可以在超过20 nm的波长范围内线性调谐，并且在不同的调谐通道中激光线宽保持在约2 kHz。
3.波长离散型分布弱反馈窄线宽激光器
基于高Q值谐振腔的离散型分布式反馈结构也是自适应分布弱反馈构型向激光系统小型化集成化发展的良好案例。基于对离散型自适应分布弱反馈器件的研究，设计并研发出系列分布弱反馈超窄线宽激光器，该系列光源拥有小于100 Hz（最小10 Hz）的稳定激光线宽、10 mW的输出功率，以及稳定的运行状态，具体参数如表1所示。
表1 分布弱反馈超窄线宽激光器详细参数
分布弱反馈具有非常好的线宽压缩和噪声抑制效果，已经得到业内人士的广泛认同，也有多家单位对此进行了深入研究，如美国OEwaves公司、康奈尔大学、俄罗斯莫斯科物理技术研究所、加州大学圣巴巴拉分校等，这些研究机构在课题组之后，也采用了相似的波长离散型分布弱反馈激光构型，线宽可低至Hz量级。
对于激光线宽小于kHz的超窄线宽光源参数表征，本课题组提出一种基于短光纤延迟线的相干延迟自外差测量方法。当激光相干长度超过延迟自外差系统的延迟光纤长度时，激光线宽的拍频谱表现为非相干洛伦兹型谱线与相干包络谱线的乘积，此时如果延迟光纤长度选取适当，是可以从相干包络谱的峰谷值之差反推激光洛伦兹线宽的，如图10所示。从仿真结果上来看，相干包络谱的第二峰谷值拥有最大的对比度，最适合用于测量和表征激光线宽。且由于使用了较短的光纤延迟线，可以极大降低延迟光纤引入的经典噪声，测量结果更加精确，从而实现对百Hz甚至Hz级别激光器线宽的精确探测。
图10 相干包络法测量激光线宽。（a）（b）不同延迟线长度与不同激光线宽归一化功率谱密度；（c）第二峰谷值随激光线宽变化曲线
窄线宽激光的发展与应用可以概括为简单的6个字：“窄”“稳”“调”“扫”“测”“用”。回顾窄线宽激光发展的几十年，激光线宽压缩的过程既是激光主腔构型不断演化的过程，又是线宽压缩、噪声抑制思想不断转变与创新的过程。从最初的经典单腔激光主腔构型的单点反馈，到单外腔多点反馈，从DFB、DBR这种固定周期性多点微扰反馈，再到波长自适应分布反馈，不难看出激光噪声抑制和线宽压缩思想始终围绕着激光反馈不断发展与创新。线宽的压缩理论的发展与激光主腔结构不断的演化，让窄线宽光源向着线宽更窄、稳定性更高的方向不断发展。
另一方面，随着相干通信、传感、密集波分复用系统的快速发展，超窄线宽光源也同样被期待具有波长精密调控、多波长、以及波长扫描等功能，未来窄线宽光源性能也将向着这些方向进一步拓展。最后，随着超窄线宽激光参数的极致化发展，与之配套的精确测量和表征方法同样需要革新。总之，超窄线宽光源的发展是一个集开发、表征与应用为一体的过程，只有全面的发展才能满足未来各种科学技术研究和工业发展的需求。
本文改写自《激光与光电子学进展》上发表的“窄线宽激光技术研究进展”一文，已获作者授权。点击文末“阅读原文”可查看原论文。
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