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       近日，河北工業(yè)大學(xué)呂志偉教授團隊領(lǐng)銜，首次在連續(xù)運轉(zhuǎn)的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮率最高4倍以上、線寬1.77 kHz的單頻激光輸出，最高功率超過20 W！這是自由空間布里淵激光器首次證實可以實現(xiàn)激光的線寬窄化，該工作為獲得超窄線寬高功率激光輻射提供了一種全新的技術(shù)路線。研究成果以“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers” 為題發(fā)表在 High Power Laser Science and Engineering 上。論文第一作者為博士生研究金舵，共同第一作者兼通訊作者為白振旭教授。

原文鏈接：https:// doi:10.1017/hpl.2023.48

       布里淵激光器近年來引起了人們的極大興趣，并已被應(yīng)用于光學(xué)時鐘和陀螺儀、超穩(wěn)定激光器和微波光子學(xué)。研究最為廣泛的波導(dǎo)布里淵激光器已經(jīng)實現(xiàn)了低噪聲、低閾值的窄線寬激光輻射，但輸出功率通常在在微瓦到瓦的數(shù)量級，限制了其在一些大功率場景的應(yīng)用，如引力波探測、長距離高分辨光譜測量等。針對波導(dǎo)布里淵激光器在功率提升上面臨的窘境，空間結(jié)構(gòu)布里淵激光器以其腔與增益介質(zhì)分離的特點，易于實現(xiàn)熱管理和相位匹配條件的控制，且增益介質(zhì)的選擇更豐富，使其實現(xiàn)特殊波長的窄線寬激光成為可能。

       近幾年，空間布里淵激光器從上世紀受增益水平限制的20 mW的功率輸出，提升到了超過20 W的單頻功率的輸出且沒有出現(xiàn)功率曲線飽和的現(xiàn)象，這主要得益于金剛石晶體優(yōu)異的光學(xué)特性、熱物性以及布里淵性質(zhì)。2020年，該團隊白振旭等人在國際上首次測得了金剛石晶體的布里淵增益系數(shù)和線寬，并獲得了高達11 W的可見光布里淵激光輸出[APL Photonics, 5(3): 031301]；2022年，他們將輸出波長從可見光波段延伸到了近紅外波段，并實現(xiàn)了單頻激光穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[Opt. Lett., 2022, 47(20):5360-5363]。然而，關(guān)于空間光結(jié)構(gòu)布里淵激光器中斯托克斯光線寬窄化的特性卻還未見報道，這因此也成為籠罩在自由空間布里淵激光器頭頂上的一朵“烏云”，只有將其“撥開”才能推動其后續(xù)研究和發(fā)展。

       近期，該團隊利用金剛石晶體作為增益介質(zhì)，在連續(xù)運轉(zhuǎn)的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮2.5倍（3.2 kHz），功率超過20 W的單頻功率輸出，實驗裝置如圖1所示。

圖1 金剛石布里淵激光器的（a）相位匹配、（b）光路結(jié)構(gòu)和（c）線寬測量系統(tǒng)

       實驗上，測得三組不同耦合鏡反射率（96%、97%，98.5%）對應(yīng)的斯托克斯線寬分別為3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光均實現(xiàn)了線寬壓縮。當(dāng)耦合鏡反射率為98.5%時，線寬最高壓縮了近4.2倍。圖2（b）給出了三個反射率對應(yīng)的泵浦-斯托克斯功率曲線。在最大泵浦功率下，三組反射率對應(yīng)的斯托克斯輸出功率分別為22.5 W、16.9 W和13.6 W，相應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率分別為37.5%，29.1%和23.4%。

圖2 不同耦合鏡反射率時的線寬和功率輸出曲線

       結(jié)合理論模擬，作者證明未來通過進一步降低腔內(nèi)元件插入損耗，理論上可以實現(xiàn)線寬更窄、功率更高的單頻激光輸出。該研究不僅為自由空間布里淵振蕩器實現(xiàn)高相干激光光源的研制鋪平了道路，也證明了金剛石布里淵激光器在實現(xiàn)大功率的超窄線寬特殊波長激光輻射方面的巨大前景！

       作者簡介：

       第一作者：金舵，河北工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事金剛石布里淵激光技術(shù)研究。目前第一作者發(fā)表SCI論文5篇，授權(quán)發(fā)明專利1項，主持河北省研究生創(chuàng)新資助項目1項。入圍2021年國際光學(xué)頂級會議ASSL的Student Awarded候選人，榮獲2022年全國光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽全國總決賽并獲得獲優(yōu)秀獎。

       共同第一作者&通信作者：白振旭，教授，博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)先進激光技術(shù)研究中心副主任、河北省先進激光技術(shù)與裝備重點實驗室副主任、研究生院副院長（掛職）。擔(dān)任中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會激光應(yīng)用分會青年委員、天津市激光技術(shù)學(xué)會常務(wù)理事、北京光學(xué)學(xué)會青年工作委員會委員，以及《光電技術(shù)應(yīng)用》、《紅外與激光工程》、《中國激光》、《應(yīng)用光學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊青年編委。主要研究方向為高功率金剛石激光技術(shù)。成果榮獲國際光學(xué)工程學(xué)會Teddi Laurin獎、“Rising Stars of Light”一等獎、河北省技術(shù)發(fā)明二等獎、國家部委“源創(chuàng)杯”全國總決賽三等獎。主持裝備發(fā)展部領(lǐng)域基金、國家/河北省/天津市自然科學(xué)基金等課題16項。第一/通訊作者在APL Photonics、Optics Letters等期刊發(fā)表SCI論文40余篇，授權(quán)專利17項。

       團隊帶頭人：呂志偉，“長江學(xué)者”特聘教授，教授、博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任、先進激光技術(shù)研究中心主任。擔(dān)任中國光學(xué)學(xué)會激光專業(yè)委員會副主任、中國電子學(xué)會工業(yè)工程分會副主任、中國工程教育電子信息與電氣工程類專業(yè)認證委員會副主任。長期從事高功率固體激光技術(shù)、非線性光學(xué)和激光光譜技術(shù)的教學(xué)和科研工作，主持國家重大專項項目、國家重大科技工程項目、國家863高技術(shù)項目、國家自然科學(xué)基金重大儀器專項項目和重點項目等科研項目50余項。成果獲軍隊科技進步一等獎2項、黑龍江省自然科學(xué)獎一等獎1項、航天工業(yè)總公司科技進步二等獎1項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，授權(quán)發(fā)明專利40余項。