高功率布里渊激光器取得新进展

近年来，布里渊激光器引起了人们的极大兴趣，其中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，并被应用于光学时钟和陀螺仪、超稳定激光器和微波光子学等领域。但导波结构面临的功率难以提升和运转波长难以拓展的问题，制约了布里渊激光器在引力波探测、长距离高分辨光谱测量等方向的应用。鉴于此，河北工业大学白振旭等人提出了以金刚石晶体作为布里渊增益介质实现自由空间运转布里渊激光器的方案，并于2020年在国际上首次报道了金刚石布里渊激光的直接辐射，获得了功率为11 W的可见光布里渊激光输出，相较于导波布里渊激光器提高了一个数量级。随后，该团队于2022年，将输出波长从可见光波段延伸到了近红外，并实现了功率高达22.5 W、信噪比高达71.8 dB的单频激光稳定运转。但是，自由空间结构的布里渊激光器是否同导波结构布里渊激光一样具有线宽窄化特性，这个重要问题却尚未得到解答。

近日，该团队发表在学术期刊High Power Laser Science and Engineering题为“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers”的论文成功解答了上述疑问，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大于4倍的单频布里渊激光输出。 

图1.金刚石布里渊激光器结构示意图

实验采用直接泵浦的环形腔结构（见图1），通过PDH锁腔技术实现泵浦光和Stokes光的双谐振，其中泵浦光的线宽为7.36 kHz。通过利用三组不同的耦合镜反射率96%、97%和98.5%进行对比实验，测得对应的Stokes光线宽分别为3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光均实现了线宽压缩，最高压缩比达4.2倍。在最大泵浦功率下，三组反射率对应的Stokes光输出功率分别为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%（见图2）。研究结果表明，利用自由空间布里渊振荡器灵活的结构特性，未来通过降低腔内元件损耗、优化振荡器设计和调整泵浦光参数，将有望实现线宽更窄、功率更高、波长更丰富的单频激光输出，研究成果对推动高相干激光技术的发展和应用具有重要意义。  

图2.不同耦合镜反射率时的线宽和功率输出曲线

河北工业大学金舵博士为论文的第一作者，通讯作者为白振旭教授（共同第一作者）、王雨雷教授和吕志伟教授，论文的合作者为澳大利亚麦考瑞大学光子中心Richard P. Mildren教授。该项研究工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金和天津市自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1017/hpl.2023.48