3分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器

提到激光大家会想到什么?是电影《星球大战》里Grievous将军挥舞的激光剑?还是《生化危机》里的杀伤力极强的激光通道?又或是《X战警》中Scott那双可以燃烧一切的激光眼?这些被大家所熟知的激光往往以高功率和高能量的形式出现在一些科幻作品中,展示出强大的威力(见图1)。

而在现实生活中,激光也已经潜入了诸多行业,从激光美容、近视治疗等医疗领域,到激光打标、切割和焊接等工业制造领域,以及近几年兴起的雷达探测、显微成像、量子通信等前沿科学领域。目前,激光技术为推动国防安全、生物医疗、智能制造以及信息技术的发展做出了卓越的贡献。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图1 与激光相关的电影片段

然而,我们需要的激光器是否都需要像电影里面展示的那样,拥有高功率且具有极大杀伤力呢?

首先,我们要看一下激光区别于传统光源的基本特性,如图2所示,我们前面提到影视作品中激光具有强大威力的特性,通常和激光的亮度(功率)成正比,同时也体现了激光器具有很好方向性的特点。

此外,单色性和相干性也是人们关注的重点。普通光源发射的光通常在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色,而激光发射的各个光子频率相同,因此是十分优秀的单色光源。不仅如此,由于激光的受激辐射光子在相位上是一致的,在谐振腔的作用下激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以相比于普通光源,激光的相干性也是极佳的。结合激光优异的单色性和相干性的特点,即使没有动辄千瓦、万瓦量级高功率的光环,激光器仍可以在光谱技术、光学测量等领域得到广泛应用。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图2激光区别于传统光源的特性

今天将为大家介绍一种单色性趋于极致的激光器——窄线宽激光器。它的出现填补了激光在许多应用领域的空白,近几年已广泛应用在引力波探测、激光雷达、分布式传感、高速相干光通信等领域,这是仅仅依靠提升激光功率所无法完成的使命,部分示例如图3所示。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图3 窄线宽激光器应用示例

1

何为窄线宽激光器?

线宽一词指的是激光在频域内的谱线宽度,这个宽度通常用频谱的半峰全宽(FWHM)来进行量化,如图4所示。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图4 激光的线宽(半峰全宽)示意图

线宽的产生主要受激光器激发态原子或离子自发辐射、相位噪声、以及谐振腔机械振动、温度抖动等外界因素的影响。线宽的数值越小,意味着光谱的纯净度越高,也就是激光的单色性越好。拥有这类特点的激光器通常具有极小的相位或频率噪声和很小的相对强度噪声。同时,激光器的线宽数值越小,对应的相干性越强,表现为极长的相干长度。

例如,未经纵模选择的Nd:YAG激光器的输出线宽通常为百GHz量级,其相干长度仅为若干个毫米;而通过纵模选择,能够比较容易实现百MHz的窄线宽输出,相干长度可提升至米量级。现如今,人们通过布里渊激光器已经获得了亚Hz量级的极窄线宽输出,其理论相干长度达到了惊人的几十万千米。因此,以上优点使得窄线宽激光器在科学研究以及诸多应用领域都备受青睐。

2

窄线宽激光实现方式及应用

受激光器工作物质的固有增益线宽限制,依靠传统振荡器本身几乎无法直接实现窄线宽激光的输出。为了实现窄线宽激光运转,通常需要利用滤波器、光栅等器件对增益谱内的纵模数进行限制或选择,增加各纵模间净增益差异,使激光谐振腔内最终存在少数几个甚至只有一个纵模的振荡。在该过程中,往往也要控制噪声对激光输出的影响,尽量减少外界环境的震动和温度变化导致的谱线展宽;同时,还可以结合对相位或频率噪声谱密度的分析,了解噪声来源、优化对激光器的设计,从而实现稳定的窄线宽激光的输出。

下面我们一起来了解一下几种不同类别激光器的窄线宽运转的实现方法。

1)半导体激光器

半导体激光器具有尺寸紧凑、效率高、寿命长以及经济实惠的优点。

传统半导体激光器采用的法布里-珀罗(F-P)光学谐振腔内一般为多纵模振荡,输出线宽相对较宽,要想获得窄线宽的输出则需要增加光反馈。

分布反馈(DFB)和分布布拉格反射(DBR)是两种典型的内部光反馈半导体激光器,其结构及输出光谱情况如图5所示,由于光栅的栅距较小,对波长具有良好的选择性,因此容易实现稳定的单频窄线宽输出。两种结构的主要区别在于光栅的位置:DFB结构通常将周期结构的布拉格光栅分布于整个谐振腔中,DBR的谐振腔通常由集成于端面的反射光栅结构和增益区构成。此外,DFB激光器使用低折射率对比度、低反射率的埋入式光栅;而DBR激光器使用高折射率对比度、高反射率的表面光栅。两种结构均具有较大的自由光谱范围,可以在几个纳米的范围内进行无模式跳变的波长调谐,其中相比于DFB激光器,DBR激光器的谐调范围更广泛。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图5 不同结构的半导体激光器

此外,利用外部光学元件对半导体激光芯片的出射光进行反馈和选频的外腔光反馈技术也能够实现半导体激光的窄线宽运转。

2)光纤激光器

光纤激光器的泵浦转换效率高、光束质量好、耦合效率高,是当前激光领域研究的热点,且在信息时代的背景下,光纤激光器与目前市场光纤通信系统的兼容性良好。而具有线宽窄、噪声低、相干性好等优点的单频光纤激光器更是成为其发展的重要方向之一。

实现单纵模运转是光纤激光器实现窄线宽输出的核心,通常按照单频光纤激光器的谐振腔的结构可将其分为DFB型、DBR型和环形腔型。其中,DFB型和DBR型单频光纤激光器的工作原理与DFB型和DBR型半导体激光器具有异曲同工之妙。

如图6所示,DFB型光纤激光器是将分布式布拉格光栅写入到光纤中,由于振荡器的工作波长受光纤周期影响,因此通过光栅的分布反馈即可实现纵模的选择;DBR型激光器通常由一对光纤布拉格光栅形成激光谐振腔,其单纵模的选取主要由窄带低反射率光纤布拉格光栅进行。而环形腔结构由于其谐振腔通常较长,且结构复杂、缺乏有效的鉴频机制,因此容易出现跳模,难以在恒定纵模下长期稳定地工作。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图6 两种典型线性结构的单频光纤激光器

3)固体激光器

1960年世界上的第一台红宝石激光器就属于固体激光器,其特点是具有较高的输出能量以及较为广泛的波长覆盖范围。固体激光器特有的空间结构特性,使其在实现窄线宽输出的设计更为灵活,目前实现的方法主要包括短腔法、单向环形腔法、腔内标准具法、扭摆模腔法、体布拉格光栅法和种子注入法等。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图7 几种典型的固体激光器单纵模运转实现方法

图7展示了几种典型单纵模固体激光器的结构。图7(a)为基于腔内FP标准具的单纵模选择工作原理,即利用标准具的窄线宽透射谱,增大其他纵模的损耗,使其他纵模因透射率小而在模式竞争过程中被滤除,从而实现单纵模运转。此外,通过对FP标准具的角度以及温度的控制改变纵模间隔,还可获得一定范围的波长调谐输出。图7(b)和(c)是用于获得单纵模输出的非平面环形振荡器(NPRO)和扭摆模腔法,其工作原理是使光束在谐振腔内沿单一方向传播,有效消除普通驻波腔中反转粒子数空间分布不均匀,进而避免空间烧孔效应的影响,实现单纵模输出。体布拉格光栅(VBG)法选模原理类似于前面提到的半导体和光纤窄线宽激光器,即通过将VBG作为滤光元件,基于其良好的光谱选择性和角度选择性,使振荡器在特定的波长或波段实现振荡,达到纵模选择的作用,如图7(d)所示。

同时,人们可以根据需要对几种纵模选择方法进行组合以提高纵模选择精度、进一步压窄线宽,或者通过引入非线性频率变换等手段增加模式竞争强度,在得窄线宽运转的同时拓展激光器的输出波长,这是半导体和光纤激光器难以做到的。

4)布里渊激光器

布里渊激光器是基于受激布里渊散射(SBS)效应获得低噪声、窄线宽输出的技术,其原理是通过光子与物质内部声波场相互作用产生具有一定频移的Stokes光子,并在增益带宽内被不断放大。

图8展示了SBS转换的能级示意图和布里渊激光器的基本结构。由于声波场的振动频率较低,材料的布里渊频移通常只有0.1-2 cm-1,因此用1064 nm激光作为泵浦光,产生的Stokes光波长往往只有1064.01 nm左右,但这也意味着其量子转换效率极高(理论可达99.99%以上)。另外,由于介质的布里渊增益线宽通常仅为 MHz-GHz量级(部分固体介质的布里渊增益线宽仅为10 MHz左右),远小于激光工作物质百GHz量级的增益线宽,因此,布里渊激光器内激发的Stokes光在腔内经过多次放大后能够呈现出明显的光谱窄化现象,其输出线宽可比泵浦线宽窄几个数量级。目前,布里渊激光器已经成为光子学领域研究的热点,已有诸多关于Hz和亚Hz量级的极窄线宽输出的报道。

分钟了解窄线宽激光技术——“单色性”趋于极致的激光器"

图8 SBS及布里渊激光器工作原理

近些年,波导型结构的布里渊器件已经在微波光子学等领域崭露头角,并朝着小型化、高集成度和更高分辨率的方向快速发展。此外,基于金刚石等新型晶体材料的空间运转布里渊激光器也在近两年走进人们的视野,其创新性的突破了波导型结构的功率和级联SBS瓶颈,将布里渊激光器的功率提升至10 W量级,为拓展其应用奠定了基础。

3

总 结

随着人类对前沿知识的不断探索,窄线宽激光器以其优异的性能成为科学研究中不可或缺的关键工具,譬如进行引力波探测的激光干涉仪LIGO采用了波长1064 nm的单频窄线宽激光作为种子源,其种子光的线宽在5 kHz以内。此外,具有波长可调谐、且不存在模式跳变的窄线宽激光器也展现了巨大的应用潜力,尤其是在相干通信中,能够完美的契合波分复用(WDM)或频分复用(FDM)对波长(或频率)可调性的需求,有望成为下一代移动通信技术的核心器件。

在未来,激光材料和加工技术的革新也将进一步推动激光线宽的压缩、频率稳定性的提高、波长范围的扩展和功率的提升,为人类探索未知世界铺平道路。

作者简介

白振旭,教授,博士生导师,河北工业大学先进激光技术研究中心副主任、河北省先进激光技术与装备重点实验室副主任;中国光学光电子行业协会激光应用分会青年委员、天津市激光技术学会常务理事、北京光学学会青年工作委员会委员。主要从事金刚石激光技术以及高功率激光器研究,成果荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖(全球每年仅1人)、光学青年科学家竞赛Rising Stars of Light一等奖。

相关新闻

VIP专线

199-2880-6608

邮箱

wilson@szsmartlaser.com

微信客服
微信客服
返回顶部