2 国内外研究现状
2.1 窄线宽激光光源
2.1.1 窄线宽半导体分布式反馈激光器
2006年,Cliche等人利用电学反馈的方法将MHz量级的半导体分布式反馈激光器(distributed feedback laser,DFB)降低到kHz量级;2011年,Kessler等人利用低温高稳单晶腔结合有源反馈控制获得40 MHz的超窄线宽激光输出;2013年,Peng等人利用腔外法珀腔(Fabry-Perot, FP)反馈调节的方法获得15 kHz线宽的半导体激光输出,电学反馈方法主要利用的是Pond-Drever-Hall稳频反馈使得光源激光线宽得到压缩。2010年,Bernhardi等人在氧化硅基底上制作1 cm的掺铒氧化铝FBG,获得线宽约为1.7 kHz的激光输出。同年,Liang等人针对半导体激光器利用高Q回音壁谐振腔形成的后向瑞利散射自注入反馈进行线宽压缩,如图 1所示,最终获得160 Hz的窄线宽激光输出。
图 1 (a) 基于回音壁微腔自注入瑞利反馈的激光器线宽压缩示意图;(b)线宽为8 MHz的半导体激光器频谱;(c)线宽为160 Hz窄线宽激光器频谱
Fig. 1 (a) Diagram of semiconductor laser linewidth compression based on the self-injection Rayleigh scattering of external whispering gallery mode resonator; (b) Frequency spectrum of the free running semiconductor laser with linewidth of 8 MHz; (c) Frequency spectrum of the laser with linewidth compressed to 160 Hz
2017年,本文课题组研究了基于双腔反馈的DFB线宽压缩方式,将常用MHz量级DFB激光器压缩至kHz量级,如图 2所示,为广泛应用的DFB激光提供了一种简单、有效、低成本的线宽压缩方式,对于特定波长激光器也可以直接用1或2支FBG替换双环,其基本原理是一样的。
图 2 (a) 双腔反馈系统原理图;(b)有(实线)无(虚线)双腔反馈结构输出功率谱
Fig. 2 (a) Schematic diagram of DFB dual-cavity self-feedback structure; (b) Output power spectra with (red line) or without (blue line) dual-cavity feedback structure
2.1.2 窄线宽光纤激光器
对于线形腔光纤激光器,基本采用缩短谐振腔长度以增大纵模间隔来获取单纵模窄线宽激光输出。2004年,Spiegelberg等人利用DBR短腔法得到线宽为2 kHz的单纵模窄线宽激光输出。2007年,Shen等人使用2 cm的重掺铒硅光纤,在Bi-Ge共掺的光敏光纤上刻写FBG,并将其与有源光纤熔接构成了一个紧凑线形腔,使得其激光输出线宽小于1 kHz。2010年,Yang等人利用2 cm高掺杂短线形腔结合窄带FBG滤波器,得到线宽小于2 kHz的单纵模激光输出,该团队在2014年利用短线形腔(虚拟折叠环形谐振腔)结合FBG-FP滤波器得到了更窄线宽的激光输出,如图 3所示。2012年,Cai等人采用1.4 cm短腔结构获得了输出功率大于114 mW,中心波长在1540.3 nm的保偏激光输出,其线宽为4.1 kHz。2013年,Meng等人利用全保偏器件短环形腔的保偏掺铒光纤的布里渊散射获得输出功率为10 mW的单纵模、低相位噪声激光输出;2015年,该团队利用45 cm掺铒光纤构成的环形腔作为布里渊散射增益介质,获得低阈值、窄线宽激光输出。
图 3 (a) 虚拟折叠形谐振腔原理图;(b)延迟光纤长度为97.6 km的自外差线型
Fig. 3 (a) Schematic drawing of the SLC fiber laser; (b) Lineshape of the heterodyne signal measured with 97.6 km fiber delay
通过对能带结构和能级斯塔克分裂的深入分析,本文课题组指出由于某能级电子消耗之后,其余能级电子会快速弛豫到消耗能级,如果能改变激光每次循环谐振时激光的线度就可以使激光中心频率处每次都获得最大程度的相干放大,而旁边频率信号逐渐弱化从而达到深入窄化激光线宽的作用。2010年,朱涛教授在渥太华大学通过测试单模光纤(SMF-28e)、大有效面积光纤(large effective area fiber, LEAF)和保偏光纤(polarization maintaining optical fibre, PMF)在不同泵浦功率下的瑞利散射,发现瑞利散射具有压缩激光线宽的作用。2012年,利用非均匀光纤制作窄线宽环形激光器,研究发现在环形腔光纤激光器中,瑞利散射效应如同一个窄带滤波器,利用这种非线性效应可以进行纵模的选择从而实现自增益的窄线宽激光器,其3 dB线宽为4 kHz。2013年,本文课题组采用微拉锥的方式改变单模光纤纤芯与包层的形状、尺寸,从而限制声波的传播,极大地抑制了光纤中的横向声模,提高了受激布里渊的阈值,并将其用于超窄线宽光纤激光器中。最终激光输出边模抑制比可达50 dB,激光线宽低至800 Hz。2014年,本文课题组利用高瑞利散射结构结合光自注入的方式获得线宽为130 Hz以及边模抑制比为75 dB的超窄线宽激光输出(图 4)。Bao等人在2011~2014年期间,亦是利用后向瑞利散射技术获得窄线宽激光输出。通过理论分析和系列实验研究结果可见,累积的瑞利散射信号就是实现激光器频率线宽深入窄化的有效物理方法之一。
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