提到激光大家會(huì)想到什么？是電影《星球大戰(zhàn)》里Grievous將軍揮舞的激光劍？還是《生化危機(jī)》里的殺傷力極強(qiáng)的激光通道？又或是《X戰(zhàn)警》中Scott那雙可以燃燒一切的激光眼？這些被大家所熟知的激光往往以高功率和高能量的形式出現(xiàn)在一些科幻作品中，展示出強(qiáng)大的威力（見(jiàn)圖1）。

而在現(xiàn)實(shí)生活中，激光也已經(jīng)潛入了諸多行業(yè)，從激光美容、近視治療等醫(yī)療領(lǐng)域，到激光打標(biāo)、切割和焊接等工業(yè)制造領(lǐng)域，以及近幾年興起的雷達(dá)探測(cè)、顯微成像、量子通信等前沿科學(xué)領(lǐng)域。目前，激光技術(shù)為推動(dòng)國(guó)防安全、生物醫(yī)療、智能制造以及信息技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。

圖1 與激光相關(guān)的電影片段

然而，我們需要的激光器是否都需要像電影里面展示的那樣，擁有高功率且具有極大殺傷力呢？

首先，我們要看一下激光區(qū)別于傳統(tǒng)光源的基本特性，如圖2所示，我們前面提到影視作品中激光具有強(qiáng)大威力的特性，通常和激光的亮度（功率）成正比，同時(shí)也體現(xiàn)了激光器具有很好方向性的特點(diǎn)。

此外，單色性和相干性也是人們關(guān)注的重點(diǎn)。普通光源發(fā)射的光通常在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色，而激光發(fā)射的各個(gè)光子頻率相同，因此是十分優(yōu)秀的單色光源。不僅如此，由于激光的受激輻射光子在相位上是一致的，在諧振腔的作用下激光束橫截面上各點(diǎn)間有固定的相位關(guān)系，所以相比于普通光源，激光的相干性也是極佳的。結(jié)合激光優(yōu)異的單色性和相干性的特點(diǎn)，即使沒(méi)有動(dòng)輒千瓦、萬(wàn)瓦量級(jí)高功率的光環(huán)，激光器仍可以在光譜技術(shù)、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖2激光區(qū)別于傳統(tǒng)光源的特性

今天將為大家介紹一種單色性趨于極致的激光器——窄線寬激光器。它的出現(xiàn)填補(bǔ)了激光在許多應(yīng)用領(lǐng)域的空白，近幾年已廣泛應(yīng)用在引力波探測(cè)、激光雷達(dá)、分布式傳感、高速相干光通信等領(lǐng)域，這是僅僅依靠提升激光功率所無(wú)法完成的使命，部分示例如圖3所示。

圖3 窄線寬激光器應(yīng)用示例

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何為窄線寬激光器？

線寬一詞指的是激光在頻域內(nèi)的譜線寬度，這個(gè)寬度通常用頻譜的半峰全寬（FWHM）來(lái)進(jìn)行量化，如圖4所示。

圖4 激光的線寬（半峰全寬）示意圖

線寬的產(chǎn)生主要受激光器激發(fā)態(tài)原子或離子自發(fā)輻射、相位噪聲、以及諧振腔機(jī)械振動(dòng)、溫度抖動(dòng)等外界因素的影響。線寬的數(shù)值越小，意味著光譜的純凈度越高，也就是激光的單色性越好。擁有這類(lèi)特點(diǎn)的激光器通常具有極小的相位或頻率噪聲和很小的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。同時(shí)，激光器的線寬數(shù)值越小，對(duì)應(yīng)的相干性越強(qiáng)，表現(xiàn)為極長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度。

例如，未經(jīng)縱模選擇的Nd:YAG激光器的輸出線寬通常為百GHz量級(jí)，其相干長(zhǎng)度僅為若干個(gè)毫米；而通過(guò)縱模選擇，能夠比較容易實(shí)現(xiàn)百M(fèi)Hz的窄線寬輸出，相干長(zhǎng)度可提升至米量級(jí)。現(xiàn)如今，人們通過(guò)布里淵激光器已經(jīng)獲得了亞Hz量級(jí)的極窄線寬輸出，其理論相干長(zhǎng)度達(dá)到了驚人的幾十萬(wàn)千米。因此，以上優(yōu)點(diǎn)使得窄線寬激光器在科學(xué)研究以及諸多應(yīng)用領(lǐng)域都備受青睞。

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窄線寬激光實(shí)現(xiàn)方式及應(yīng)用

受激光器工作物質(zhì)的固有增益線寬限制，依靠傳統(tǒng)振蕩器本身幾乎無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)窄線寬激光的輸出。為了實(shí)現(xiàn)窄線寬激光運(yùn)轉(zhuǎn)，通常需要利用濾波器、光柵等器件對(duì)增益譜內(nèi)的縱模數(shù)進(jìn)行限制或選擇，增加各縱模間凈增益差異，使激光諧振腔內(nèi)最終存在少數(shù)幾個(gè)甚至只有一個(gè)縱模的振蕩。在該過(guò)程中，往往也要控制噪聲對(duì)激光輸出的影響，盡量減少外界環(huán)境的震動(dòng)和溫度變化導(dǎo)致的譜線展寬；同時(shí)，還可以結(jié)合對(duì)相位或頻率噪聲譜密度的分析，了解噪聲來(lái)源、優(yōu)化對(duì)激光器的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的窄線寬激光的輸出。

下面我們一起來(lái)了解一下幾種不同類(lèi)別激光器的窄線寬運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。

1）半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器具有尺寸緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器采用的法布里-珀羅（F-P）光學(xué)諧振腔內(nèi)一般為多縱模振蕩，輸出線寬相對(duì)較寬，要想獲得窄線寬的輸出則需要增加光反饋。

分布反饋（DFB）和分布布拉格反射（DBR）是兩種典型的內(nèi)部光反饋半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)及輸出光譜情況如圖5所示，由于光柵的柵距較小，對(duì)波長(zhǎng)具有良好的選擇性，因此容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單頻窄線寬輸出。兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于光柵的位置：DFB結(jié)構(gòu)通常將周期結(jié)構(gòu)的布拉格光柵分布于整個(gè)諧振腔中，DBR的諧振腔通常由集成于端面的反射光柵結(jié)構(gòu)和增益區(qū)構(gòu)成。此外，DFB激光器使用低折射率對(duì)比度、低反射率的埋入式光柵；而DBR激光器使用高折射率對(duì)比度、高反射率的表面光柵。兩種結(jié)構(gòu)均具有較大的自由光譜范圍，可以在幾個(gè)納米的范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)模式跳變的波長(zhǎng)調(diào)諧，其中相比于DFB激光器，DBR激光器的諧調(diào)范圍更廣泛。

圖5 不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器

此外，利用外部光學(xué)元件對(duì)半導(dǎo)體激光芯片的出射光進(jìn)行反饋和選頻的外腔光反饋技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光的窄線寬運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）光纖激光器

光纖激光器的泵浦轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、耦合效率高，是當(dāng)前激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，且在信息時(shí)代的背景下，光纖激光器與目前市場(chǎng)光纖通信系統(tǒng)的兼容性良好。而具有線寬窄、噪聲低、相干性好等優(yōu)點(diǎn)的單頻光纖激光器更是成為其發(fā)展的重要方向之一。

實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)是光纖激光器實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出的核心，通常按照單頻光纖激光器的諧振腔的結(jié)構(gòu)可將其分為DFB型、DBR型和環(huán)形腔型。其中，DFB型和DBR型單頻光纖激光器的工作原理與DFB型和DBR型半導(dǎo)體激光器具有異曲同工之妙。

如圖6所示，DFB型光纖激光器是將分布式布拉格光柵寫(xiě)入到光纖中，由于振蕩器的工作波長(zhǎng)受光纖周期影響，因此通過(guò)光柵的分布反饋即可實(shí)現(xiàn)縱模的選擇；DBR型激光器通常由一對(duì)光纖布拉格光柵形成激光諧振腔，其單縱模的選取主要由窄帶低反射率光纖布拉格光柵進(jìn)行。而環(huán)形腔結(jié)構(gòu)由于其諧振腔通常較長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺乏有效的鑒頻機(jī)制，因此容易出現(xiàn)跳模，難以在恒定縱模下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

圖6 兩種典型線性結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器

3）固體激光器

1960年世界上的第一臺(tái)紅寶石激光器就屬于固體激光器，其特點(diǎn)是具有較高的輸出能量以及較為廣泛的波長(zhǎng)覆蓋范圍。固體激光器特有的空間結(jié)構(gòu)特性，使其在實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出的設(shè)計(jì)更為靈活，目前實(shí)現(xiàn)的方法主要包括短腔法、單向環(huán)形腔法、腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具法、扭擺模腔法、體布拉格光柵法和種子注入法等。

圖7 幾種典型的固體激光器單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方法

圖7展示了幾種典型單縱模固體激光器的結(jié)構(gòu)。圖7(a)為基于腔內(nèi)FP標(biāo)準(zhǔn)具的單縱模選擇工作原理，即利用標(biāo)準(zhǔn)具的窄線寬透射譜，增大其他縱模的損耗，使其他縱模因透射率小而在模式競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中被濾除，從而實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，通過(guò)對(duì)FP標(biāo)準(zhǔn)具的角度以及溫度的控制改變縱模間隔，還可獲得一定范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧輸出。圖7(b)和(c)是用于獲得單縱模輸出的非平面環(huán)形振蕩器（NPRO）和扭擺模腔法，其工作原理是使光束在諧振腔內(nèi)沿單一方向傳播，有效消除普通駐波腔中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)空間分布不均勻，進(jìn)而避免空間燒孔效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。體布拉格光柵（VBG）法選模原理類(lèi)似于前面提到的半導(dǎo)體和光纖窄線寬激光器，即通過(guò)將VBG作為濾光元件，基于其良好的光譜選擇性和角度選擇性，使振蕩器在特定的波長(zhǎng)或波段實(shí)現(xiàn)振蕩，達(dá)到縱模選擇的作用，如圖7(d)所示。

同時(shí)，人們可以根據(jù)需要對(duì)幾種縱模選擇方法進(jìn)行組合以提高縱模選擇精度、進(jìn)一步壓窄線寬，或者通過(guò)引入非線性頻率變換等手段增加模式競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，在得窄線寬運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)拓展激光器的輸出波長(zhǎng)，這是半導(dǎo)體和光纖激光器難以做到的。

4）布里淵激光器

布里淵激光器是基于受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)獲得低噪聲、窄線寬輸出的技術(shù)，其原理是通過(guò)光子與物質(zhì)內(nèi)部聲波場(chǎng)相互作用產(chǎn)生具有一定頻移的Stokes光子，并在增益帶寬內(nèi)被不斷放大。

圖8展示了SBS轉(zhuǎn)換的能級(jí)示意圖和布里淵激光器的基本結(jié)構(gòu)。由于聲波場(chǎng)的振動(dòng)頻率較低，材料的布里淵頻移通常只有0.1-2 cm-1，因此用1064 nm激光作為泵浦光，產(chǎn)生的Stokes光波長(zhǎng)往往只有1064.01 nm左右，但這也意味著其量子轉(zhuǎn)換效率極高（理論可達(dá)99.99%以上）。另外，由于介質(zhì)的布里淵增益線寬通常僅為 MHz-GHz量級(jí)（部分固體介質(zhì)的布里淵增益線寬僅為10 MHz左右），遠(yuǎn)小于激光工作物質(zhì)百GHz量級(jí)的增益線寬，因此，布里淵激光器內(nèi)激發(fā)的Stokes光在腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多次放大后能夠呈現(xiàn)出明顯的光譜窄化現(xiàn)象，其輸出線寬可比泵浦線寬窄幾個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，布里淵激光器已經(jīng)成為光子學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，已有諸多關(guān)于Hz和亞Hz量級(jí)的極窄線寬輸出的報(bào)道。

圖8 SBS及布里淵激光器工作原理

近些年，波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的布里淵器件已經(jīng)在微波光子學(xué)等領(lǐng)域嶄露頭角，并朝著小型化、高集成度和更高分辨率的方向快速發(fā)展。此外，基于金剛石等新型晶體材料的空間運(yùn)轉(zhuǎn)布里淵激光器也在近兩年走進(jìn)人們的視野，其創(chuàng)新性的突破了波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的功率和級(jí)聯(lián)SBS瓶頸，將布里淵激光器的功率提升至10 W量級(jí)，為拓展其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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總 結(jié)

隨著人類(lèi)對(duì)前沿知識(shí)的不斷探索，窄線寬激光器以其優(yōu)異的性能成為科學(xué)研究中不可或缺的關(guān)鍵工具，譬如進(jìn)行引力波探測(cè)的激光干涉儀LIGO采用了波長(zhǎng)1064 nm的單頻窄線寬激光作為種子源，其種子光的線寬在5 kHz以?xún)?nèi)。此外，具有波長(zhǎng)可調(diào)諧、且不存在模式跳變的窄線寬激光器也展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在相干通信中，能夠完美的契合波分復(fù)用（WDM）或頻分復(fù)用（FDM）對(duì)波長(zhǎng)（或頻率）可調(diào)性的需求，有望成為下一代移動(dòng)通信技術(shù)的核心器件。

在未來(lái)，激光材料和加工技術(shù)的革新也將進(jìn)一步推動(dòng)激光線寬的壓縮、頻率穩(wěn)定性的提高、波長(zhǎng)范圍的擴(kuò)展和功率的提升，為人類(lèi)探索未知世界鋪平道路。

作者簡(jiǎn)介

白振旭，教授，博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)研究中心副主任、河北省先進(jìn)激光技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任；中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)激光應(yīng)用分會(huì)青年委員、天津市激光技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、北京光學(xué)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員。主要從事金剛石激光技術(shù)以及高功率激光器研究，成果榮獲國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)Teddi Laurin獎(jiǎng)（全球每年僅1人）、光學(xué)青年科學(xué)家競(jìng)賽Rising Stars of Light一等獎(jiǎng)。