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新进展！金刚石布里渊激光器首次证实可实现线宽窄化 | OE NEWS

光电汇OESHOW

2023-08-07

导读：最高功率超过20 W

近日，河北工业大学吕志伟教授团队领衔，首次在连续运转的金刚石布里渊激光器中获得了线宽压缩率最高4倍以上、线宽1.77 kHz的单频激光输出，最高功率超过20 W。这是自由空间布里渊激光器首次证实可以实现激光的线宽窄化，该工作为获得超窄线宽高功率激光辐射提供了一种全新的技术路线。

研究成果以“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers”为题发表在《高功率激光科学与工程》（ High Power Laser Science and Engineering ）上。论文第一作者为博士生研究金舵，共同第一作者兼通讯作者为白振旭教授。（点击“阅读原文”可跳转文章链接)

近年来，布里渊激光器引起了人们的极大兴趣，并已被应用于光学时钟和陀螺仪、超稳定激光器和微波光子学。研究最为广泛的波导布里渊激光器已经实现了低噪声、低阈值的窄线宽激光辐射，但输出功率通常在在微瓦到瓦的数量级，限制了其在一些大功率场景的应用，如引力波探测、长距离高分辨光谱测量等。

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以其腔与增益介质分离的特点，易于实现热管理和相位匹配条件的控制，且增益介质的选择更丰富，使其实现特殊波长的窄线宽激光成为可能。

据悉，空间布里渊激光器从上世纪受增益水平限制的20 mW的功率输出，提升到了超过20 W的单频功率的输出且没有出现功率曲线饱和的现象，这主要得益于金刚石晶体优异的光学特性、热物性以及布里渊性质。

2020年，该团队白振旭等人在国际上首次测得了金刚石晶体的布里渊增益系数和线宽，并获得了高达11 W的可见光布里渊激光输出[APL Photonics, 5(3): 031301]；2022年，他们将输出波长从可见光波段延伸到了近红外波段，并实现了单频激光稳定运转[Opt. Lett., 2022, 47(20):5360-5363]。然而，关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却还未见报道，这因此也成为笼罩在自由空间布里渊激光器头顶上的一朵“乌云”，只有将其“拨开”才能推动其后续研究和发展。

近期，该团队利用金刚石晶体作为增益介质，在连续运转的金刚石布里渊激光器中获得了线宽压缩2.5倍（3.2 kHz），功率超过20 W的单频功率输出，实验装置如图1所示。

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

实验上，测得三组不同耦合镜反射率（96%、97%，98.5%）对应的斯托克斯线宽分别为3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光均实现了线宽压缩。当耦合镜反射率为98.5%时，线宽最高压缩了近4.2倍。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%。