1917年，Einstein在提出“光與物質(zhì)相互作用”理論時，便預(yù)言了受激輻射的存在。美國加利福尼亞州休斯實驗室的Maiman利用人工合成的紅寶石獲得波長為694.3 nm的高純度光源，至此，激光正式進(jìn)入人們的視野之中。
經(jīng)過六十多年的發(fā)展，激光波長、功率，以及線寬等參數(shù)的性能不斷提升。推動了制造業(yè)、生命科學(xué)、信息技術(shù)、科學(xué)研究等領(lǐng)域的快速發(fā)展，激光的科研價值和商業(yè)價值早已不言而喻。尤其是近些年，量子通信、相干傳感、光學(xué)精密測量、引力波探測等技術(shù)的突破，對光源的相干長度、功率、噪聲等參數(shù)提出了更高的要求，窄線寬激光再一次引發(fā)了人們的研究熱潮。
窄線寬激光器發(fā)展脈窄線寬激光器發(fā)展到如今，激光反饋模式的演變就是激光諧振腔結(jié)構(gòu)的演變。下面按照激光器諧振腔的演變順序介紹各種構(gòu)型的窄線寬激光器技術(shù)。
單一主腔構(gòu)型
單外腔反饋構(gòu)型
DBR激光構(gòu)型
為了提高激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并將波長選擇器件集成到主腔結(jié)構(gòu)當(dāng)中，DBR結(jié)構(gòu)被提出。DBR型諧振腔是基于F-P型諧振腔設(shè)計而來的，以周期性的無源布拉格結(jié)構(gòu)代替F-P結(jié)構(gòu)的反射鏡提供光反饋。DBR型主腔由于布拉格結(jié)構(gòu)對于激光干涉模式的周期性微擾，本身具有一定的濾波特性，結(jié)合短腔結(jié)構(gòu)帶來的大縱模間隔很容易實現(xiàn)SLM運行。雖然設(shè)計周期性的布拉格結(jié)構(gòu)最初的目的只是為了選擇激光波長，但是從腔型的角度來看，這也是單腔結(jié)構(gòu)反饋面增多后的一種表現(xiàn)。DBR結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。按照增益介質(zhì)劃分，DBR型激光器又可分為半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等。半導(dǎo)體激光器在制作工藝上具有與半導(dǎo)體材料和微納工藝兼容的天然優(yōu)勢，很多半導(dǎo)體領(lǐng)域的工藝，如二次外延、化學(xué)氣相沉積、步進(jìn)光刻、納米壓印、電子刻蝕、離子刻蝕等都可以直接應(yīng)用到半導(dǎo)體激光器的研發(fā)制作上。DBR光纖激光器的出現(xiàn)要晚于DBR半導(dǎo)體激光器，這主要受限于光纖波導(dǎo)的加工技術(shù)和高濃度光纖摻雜技術(shù)的發(fā)展。目前常用的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)有載氫相位掩膜和飛秒加工技術(shù)等，高濃度光纖摻雜技術(shù)有改性化學(xué)氣相沉積（MCVD）和表面等離子化學(xué)氣相沉積（SPCVD）技術(shù)等。DFB激光構(gòu)型
復(fù)合反饋外腔
DFB與DBR等短腔型主腔激光器腔內(nèi)光子作用時間有限，線寬很難深度壓縮。為了進(jìn)一步壓縮線寬、抑制噪聲，這種短主腔型激光構(gòu)型也常結(jié)合外腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能優(yōu)化。目前常見的外腔結(jié)構(gòu)包括空間外腔結(jié)構(gòu)、光纖外腔結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)外腔結(jié)構(gòu)等。在光纖器件和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)展起來之前，外腔結(jié)構(gòu)主要以空間光結(jié)合分立的光學(xué)器件為主。其中，基于光柵的空間外腔反饋結(jié)構(gòu)主要為Littrow和Littman結(jié)構(gòu)，如圖4（a）和（b）所示。這兩種結(jié)構(gòu)通常由激光增益主腔、耦合透鏡和衍射光柵組成。其中，光柵作為反饋元件，具有波長調(diào)節(jié)、模式選擇，以及線寬壓縮的作用。此外，基于空間光結(jié)構(gòu)的外腔反饋器件還可以是一系列的光學(xué)濾波器件，如F-P標(biāo)準(zhǔn)具、聲光/電光可調(diào)濾波器和干涉儀等。這些濾波器件本身具有一定的模式選擇能力，可以代替光柵，甚至某些濾波器件，如高Q值的F-P標(biāo)準(zhǔn)具在光譜窄化、線寬壓縮方面要優(yōu)于反射光柵。隨著光纖器件工藝的發(fā)展，使用集成化程度更高、魯棒性更強(qiáng)的光纖波導(dǎo)或光纖器件代替空間光結(jié)構(gòu)是提升激光系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方案。光纖外腔通常使用光纖器件相互熔接，組成全光纖外腔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)集成度高，易于維護(hù)，抗干擾能力也更強(qiáng)。光纖外腔反饋結(jié)構(gòu)可以是簡單的光纖回路反饋，或是全光纖結(jié)構(gòu)的諧振腔、FBG、光纖F-P腔和WGM[圖4（c）]等。一體化的波導(dǎo)外腔反饋結(jié)構(gòu)窄線寬激光器由于其更小的封裝體積，更穩(wěn)定的性能而被廣泛關(guān)注。本質(zhì)上波導(dǎo)外腔反饋還是沿用了光纖結(jié)構(gòu)外腔反饋的相關(guān)技術(shù)原理，但是半導(dǎo)體材料更加多樣，微納加工技術(shù)讓激光系統(tǒng)更加緊湊，穩(wěn)定性更高，這使得波導(dǎo)外腔反饋窄線寬激光器更具實用性。目前常用的光波導(dǎo)材料有Si、Si3N4 [圖4（d）]、III-V族材料等。光電振蕩激光構(gòu)型是一類特殊反饋激光構(gòu)型，反饋信號通常為電信號或是光電同時反饋[圖4（e）所示]。最早應(yīng)用在激光上的光電反饋技術(shù)就是PDH穩(wěn)頻技術(shù)，利用電學(xué)負(fù)反饋去調(diào)節(jié)主腔，將激光頻率鎖定到參考源上，如高Q值的諧振腔和冷原子吸收譜線。經(jīng)過負(fù)反饋調(diào)諧，激光諧振腔可以根據(jù)激光運行狀態(tài)進(jìn)行實時匹配，頻率不穩(wěn)定性能夠降低到10-17量級。但是電學(xué)反饋還是有很多局限性的，如反饋速度慢，伺服系統(tǒng)過于復(fù)雜，包含了大量的電路系統(tǒng)，這些特點導(dǎo)致激光系統(tǒng)技術(shù)難度大、控制精度高、成本高昂，且系統(tǒng)對于參考源的強(qiáng)依賴特性也使得激光波長被嚴(yán)格限定在了某些頻點，進(jìn)一步限制了激光系統(tǒng)的實用性。波長自適應(yīng)分布弱反饋窄線寬激光器
分布弱反饋信號具有提純光譜的能力
分布弱反饋信號具有縱模抑制能力
對于長腔結(jié)構(gòu)的激光系統(tǒng)而言，腔內(nèi)的模式大多呈現(xiàn)出均勻離散的分布狀態(tài)，如果沒有適合的縱模抑制機(jī)制，將很難實現(xiàn)SLM運行。在早期的工作中，本課題組實驗發(fā)現(xiàn)分布式反饋在實現(xiàn)線寬壓縮的同時，本身也具備模式抑制的能力。一般情況下強(qiáng)反饋會引起激光系統(tǒng)的多模振蕩，但是隨著反射系數(shù)的減小，反饋信號的縱模數(shù)量也會逐漸減少，如圖5所示。當(dāng)反射系數(shù)為0.01時頻譜中其它縱模信號被完全抑制，僅留下主振蕩模式。從反射強(qiáng)度與縱模抑制能力上也能看出，強(qiáng)反射的引入會導(dǎo)致這種抑制效果減弱，進(jìn)一步說明這種分布弱反饋信號具有一定的邊界條件，同時體現(xiàn)了分布弱反饋機(jī)制的頻域演變規(guī)律以及抑制頻域縱模的要點，即弱反饋。
分布弱反饋信號具有線寬深度壓縮能力進(jìn)一步對分布弱反饋線寬壓縮特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖6所示，圖6(a)、(b)分別為不同粒子反饋系數(shù)和不同反饋比激光線寬的演化情況。圖6（c)展示了粒子反饋系數(shù)為1.5×10-4時激光功率譜隨分布弱反饋結(jié)構(gòu)長度演化規(guī)律二維偽彩圖，其中，曲線顏色的亮度表示能量的大小。圖6(d)給出了不同反饋比下激光線寬的變化特征，其變化規(guī)律與圖6(c)相似，表明激光線寬壓縮還可以通過提高光纖內(nèi)粒子反饋系數(shù)實現(xiàn)，這為小尺寸分布反饋結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。這項工作表明，通過提供與主腔波長重合的腔模信號來有效抑制自發(fā)輻射是可行的。而純光學(xué)反饋，無波長選擇的特性也讓分布弱反饋在快速波長調(diào)諧領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。
2.波長連續(xù)型自適應(yīng)分布弱反饋窄線寬激光器
光纖中的隨機(jī)瑞利散射本身具有抑制縱模、壓縮光譜線寬提純光信號的作用，是絕佳的自適應(yīng)濾波元件，且分布式反饋構(gòu)型可以避免傳統(tǒng)固定外腔反饋結(jié)構(gòu)引入的激光相位跳變。
單頻超窄線寬激光
基于分布弱反饋的高線寬壓縮特性，課題組設(shè)計了一系列單頻超窄線寬光源，包括光纖環(huán)形腔，線型腔激光器，F(xiàn)-P結(jié)構(gòu)激光器，半導(dǎo)體激光器等。其中光纖激光器可以實現(xiàn)百Hz量級以下的超窄線寬輸出，邊模抑制比>80 dB，而采用外腔波導(dǎo)反饋的半導(dǎo)體激光器激光系統(tǒng)可以在常態(tài)下實現(xiàn)80 dB的SMSR，10 Hz量級積分線寬激光輸出，激光頻率噪聲被抑制了70 dB，并且噪底接近0.1 Hz2/Hz量級。
波長調(diào)諧/波長掃描超窄線寬激光器
波長調(diào)諧作為窄線寬光源的功能拓展，具有很重要的應(yīng)用價值，而分布式反饋結(jié)構(gòu)具有波長自適應(yīng)特性，當(dāng)對主腔激光進(jìn)行連續(xù)波長調(diào)控時，激光系統(tǒng)仍能實現(xiàn)窄線寬輸出，這是目前其他外腔反饋伺服系統(tǒng)無法做到的�；诜植既醴答伒目焖俨ㄩL調(diào)諧優(yōu)勢，我們結(jié)合聲光，石墨烯光熱調(diào)諧等波長調(diào)諧技術(shù)設(shè)計出一些列波長調(diào)諧/波長掃描超窄線寬激光器（圖8），其中聲光調(diào)諧激光調(diào)諧響應(yīng)時間達(dá)到~200 µs，通過控制聲波頻率，激光可以在超過20 nm的波長范圍內(nèi)線性調(diào)諧，并且在不同的調(diào)諧通道中激光線寬保持在約2 kHz。
3.波長離散型分布弱反饋窄線寬激光器
基于高Q值諧振腔的離散型分布式反饋結(jié)構(gòu)也是自適應(yīng)分布弱反饋構(gòu)型向激光系統(tǒng)小型化集成化發(fā)展的良好案例。基于對離散型自適應(yīng)分布弱反饋器件的研究，設(shè)計并研發(fā)出系列分布弱反饋超窄線寬激光器，該系列光源擁有小于100 Hz（最小10 Hz）的穩(wěn)定激光線寬、10 mW的輸出功率，以及穩(wěn)定的運行狀態(tài)，具體參數(shù)如表1所示。4.其他基于瑞利弱分布反饋的窄線寬激光器
分布弱反饋具有非常好的線寬壓縮和噪聲抑制效果，已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛認(rèn)同，也有多家單位對此進(jìn)行了深入研究，如美國OEwaves公司、康奈爾大學(xué)、俄羅斯莫斯科物理技術(shù)研究所、加州大學(xué)圣巴巴拉分校等，這些研究機(jī)構(gòu)在課題組之后，也采用了相似的波長離散型分布弱反饋激光構(gòu)型，線寬可低至Hz量級。5.超窄線寬測量與表征
對于激光線寬小于kHz的超窄線寬光源參數(shù)表征，本課題組提出一種基于短光纖延遲線的相干延遲自外差測量方法。當(dāng)激光相干長度超過延遲自外差系統(tǒng)的延遲光纖長度時，激光線寬的拍頻譜表現(xiàn)為非相干洛倫茲型譜線與相干包絡(luò)譜線的乘積，此時如果延遲光纖長度選取適當(dāng)，是可以從相干包絡(luò)譜的峰谷值之差反推激光洛倫茲線寬的，如圖10所示。從仿真結(jié)果上來看，相干包絡(luò)譜的第二峰谷值擁有最大的對比度，最適合用于測量和表征激光線寬。且由于使用了較短的光纖延遲線，可以極大降低延遲光纖引入的經(jīng)典噪聲，測量結(jié)果更加精確，從而實現(xiàn)對百Hz甚至Hz級別激光器線寬的精確探測。
總結(jié)與展望
