窄线宽可调谐激光器

具有极窄线宽的单纵模深紫外可调谐激光由于其高的光谱分辨率及光子能量，是精密光谱学、紫外光刻、激光同位素分离、高分辨成像等诸多领域具有重要需求的光源，但因其涉及到线宽压窄技术、频率稳定技术、精确调谐技术及波长变换技术等一系列复杂的难题，该激光研究工作极具挑战性。为了获得紫外波短的波长，通常需要借助非线性晶体混频已有成熟激光器件的方案，从而获得该波段的相干辐射。我国科学家在非线性激光晶体研究方面成果显著，以BBO、LBO、KBBF等晶体为代表的紫外及深紫外波段非线性晶体蜚声国际。但是由于不同晶体在通光波段、相位匹配范围、有效非线性系数及光学质量、生长工艺、使用寿命等方面的不同表现，很难有可完全取代其他晶体的&ldquo 全能&rdquo 非线性晶体，不断挖掘新的非线性晶体并结合实用激光器件获得技术指标先进的紫外及深紫外激光，是激光材料及激光技术人员追求的重要内容之一。　　针对极窄线宽可调谐深紫外激光的应用研究任务，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理重点实验室魏志义研究组基于他们掺钛蓝宝石激光研究的经验，近年来通过深入系统的研究工作，相继克服了压缩线宽、稳定频率、精调波长、提高增益等技术难题，部分工作已发表于Applied Optics等杂志上【Appl. Opt., 51: 1905(2012)及Appl. Opt., 51:5527 (2012)】。最近，魏志义研究员、滕浩副研究员及博士研究生王睿在进一步成功获得平均功率6.5W、线宽小于0.4pm的可调谐窄线宽纳秒钛宝石激光的基础上，通过与福建物质结构研究所洪茂椿、陈长章、林文雄研究员合作，利用他们最新研制成功的BBSAG (Ba1-xB2-y-zO4SixAlyGaz)晶体四倍频该激光，在195～205nm的深紫外波长范围内获得了线宽小于200MHz、单频稳定性优于50MHz、调谐步长小于50MHz的可调谐窄线宽稳频激光输出，最高输出功率达130mW。图1为波长计测量到的基频光典型线宽结果，图2依次为各阶谐波的调谐曲线，对比BBO晶体，BBSAG在紫外波段不仅倍频效率提高了25%，而且由于近两倍高的光学破坏阈值、更高的硬度及完全不潮解的特性，表现出更加优良的连续稳定运行时间及可靠的线宽稳定性、精确的波长调谐能力，可望作为一种新的紫外非线性晶体，在激光科学技术中发挥重要作用。目前该激光器已在合作单位取得成功应用。　　相关结果已发表在Optics Letters 39,2105(2014)上，此项工作得到了中科院知识创性工程方向性项目和国家自然科学基金委重大研究计划项目的资助。　图1 基频光的线宽测量结果　　图2 各次谐波的光谱调谐范围，采用BBSAG的四倍频激光的调谐范围约从193～210nm。最高平均功率135mW。

近期，中国科学院上海光机所空间激光信息传输与探测技术重点实验室研究团队联合张江实验室提出光反馈强度可调的自注入锁定窄线宽可调谐片上激光器，理论及实验研究了不同光反馈强度下激光器动态演变过程，表明优化光反馈强度可以有效提升自注入锁定的稳定性、优化噪声抑制效果、扩展锁定调谐范围。相关研究成果以“A Self-Injection Locked Laser Based on High-Q Micro-Ring Resonator with Adjustable Feedback”为题发表于Journal of Lightwave Technology。目前，硅基光电子芯片系统级集成迅速发展，在相干激光通信、相干探测激光雷达、精密计量传感、光计算等应用场景中扮演着重要角色，芯片系统级集成对前端低噪声激光光源的体积、重量、功耗同样提出了严格要求。高品质因子氮化硅微环谐振腔可提供积累的背向瑞利散射光反馈，将其与分布式反馈半导体激光器进行混合集成可获得高集成度的自注入锁定片上窄线宽光源。但由于反馈回激光器的背向瑞利散射强度与微环谐振腔波导加工工艺以及芯片间耦合封装损耗相关，通常强度较低且难以精确调控，自注入锁定片上激光器存在稳定性不高、调谐范围受限的问题。 　　研究团队提出一种基于高Q值微环谐振腔的光反馈强度可调片上自注入锁定窄线宽激光器(如图1所示)，通过引入由马赫曾德尔干涉仪和萨格纳克环形镜构成的反射率可调后腔镜，通过调节MZI两臂相位差调整反馈光强，在保证输出激光频率处于微环谐振腔谐振中心的同时，解决了微环谐振腔光反馈强度不可控的难题。反馈光强度经过优化的自注入锁定激光器具有更低的频率噪声和更大的锁定带宽，本征线宽压低至60 Hz,锁定调谐范围拓展到6.3 GHz(如图2、图3所示)。相关工作在FMCW激光雷达、高精度光纤传感等相干探测和精密计量领域具有重要的应用价值。图 1. 混合集成自注入锁定窄线宽激光器结构示意图、封装成品图 2. 不同光反馈强度下激光器频率噪声、线宽测试结果。(a)激光器频率噪声功率谱密度；(b) 激光器本征线宽、1ms 积分线宽图 3. 优化光反馈强度前后激光器调谐范围对比。(a) 后反射腔镜反射率为 0% 时调频结果；(c) 后反射腔镜反射率为 32% 时调频结果

成果名称亚赫兹激光器与超窄线宽测量技术单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：超窄线宽激光是光通信、光传感、高精度光谱学等应用中的一个关键技术，也是一些基本物理参数测量的重要工具，而超窄激光线宽测量是实现超窄线宽激光器所必需的辅助技术。在&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金第三期项目中，北京大学信息学院李正斌教授申请的&ldquo 亚赫兹激光器与超窄线宽测量技术研制&rdquo 项目提出并研究了一种获得窄线宽激光器的新机制，即光路分形结构机制。课题组前期的实验发现，在单环有源光纤谐振腔中引入光路分形结构能够获得类似多谐振环耦合的特性，与相同长度的光纤谐振腔相比，其输出激光线宽明显变窄。基于这一发现，课题组在第三期基金的经费资助下，开展了深入的研制工作。其工作主要包括：（1）以理论与实验相结合为手段，以光纤结构为对象，探索利用光路分形结构设计和实现单纵模输出、高频率稳定、线宽赫兹（Hz）以下量级的超窄线宽激光器的原理和方法，并获得原理样机；（2）利用互拍以及光域鉴频的技术设计并搭建超窄线宽激光器的测试平台，实现赫兹（Hz）以下量级超激光线宽的测量。应用前景：目前，该项目主要工作已经顺利完成，项目成功通过验收。其研究成果为获得超窄线宽激光器提供新途径，也为光通信、光传感等研究和应用提供了新的手段，相关技术处于成果转化阶段。