研究背景

　　激光技術(shù)發(fā)明60多年來，人類的社會生活發(fā)生了深刻的變化，這項技術(shù)在科技、醫(yī)學、工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。隨著相干光學通信、光學原子鐘、引力波測量等前沿科學技術(shù)的興起和研究的不斷深入，具有超低噪聲且長期穩(wěn)定的窄線寬激光成為上述高精密測量領(lǐng)域的研究熱點。

　　肖洛-湯斯線寬是指只具有量子噪聲的激光器線寬，其量級通常為mHz;但由于技術(shù)噪聲的存在，實驗測得的激光器線寬遠遠大于這個數(shù)值。激光自注入鎖定是一種抑制技術(shù)噪聲以獲得窄線寬光源的手段。激光自注入鎖定一般采用雙腔結(jié)構(gòu)，其中激光諧振腔產(chǎn)生的線寬較寬的弱單頻激光被注入到外腔中，由外腔產(chǎn)生的光反饋穩(wěn)定激光諧振腔，從而降低激光器頻率噪聲，實現(xiàn)線寬壓窄。激光自注入鎖定結(jié)構(gòu)不需要額外的電學器件，因此結(jié)構(gòu)簡單且?guī)挷皇芟拗啤?/p>

　　外部諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q值是獲得窄線寬激光的關(guān)鍵。近年來，隨著微納工藝的進步和材料的不斷豐富，品質(zhì)因數(shù)為108~109的回音壁模式光學微腔(WGMR)可以將激光器輸出的線寬壓窄到Hz量級甚至更窄，逐漸逼近肖洛-湯斯線寬極限。圖1展示了基于WGMR激光自注入鎖定技術(shù)的窄線寬激光器結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 基于WGMR激光自注入鎖定窄線寬激光器的結(jié)構(gòu)圖

　　北京航空航天大學余霞教授課題組從窄線寬激光器技術(shù)出發(fā)，聚焦于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)，總結(jié)了基于WGMR激光自注入鎖定的窄線寬單頻激光器重要進展，并對其未來發(fā)展方向與應(yīng)用前景進行了展望。

　　基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)的窄線寬單頻激光器

　　基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)是以寬線寬多模激光器為泵浦光，在具有高Q值的WGMR的后向瑞利散射光作用下，實現(xiàn)單頻輸出與線寬壓縮。

　　1996年，俄羅斯科學院Vassiliev等人將780 nm波段的半導(dǎo)體激光器與二氧化硅微球腔耦合，實現(xiàn)了基于回音壁模式微腔的激光自注入鎖定。利用微腔的后向瑞利散射，實現(xiàn)了小于100 kHz 的輸出線寬。隨著微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展，基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)逐漸成熟。

　　2015年，美國OEwaves公司的研究人員研制了基于WGMR的自注入鎖定激光器，并對激光器芯片進行了封裝。通過將半導(dǎo)體激光器自注入鎖定到MgF2材料的WGMR中，實現(xiàn)了積分線寬30 Hz，瞬時線寬亞Hz量級的窄線寬激光輸出。

　　2017年，俄羅斯量子中心的Kondratiev等建立了WGMR激光自注入鎖定的理論模型。模型推導(dǎo)的自注入鎖定調(diào)節(jié)曲線如圖2所示。調(diào)節(jié)曲線揭示了基于WGMR的激光自注入鎖定激光器的輸出頻率、自由運轉(zhuǎn)條件下的激光器頻率與WGM的諧振頻率三者的動態(tài)演化過程。

　　圖2 基于WGMR的激光自注入鎖定帶寬調(diào)節(jié)

　　從圖2可以看出，當激光器頻率從紅移處向WGMR的諧振頻率方向掃描時，激光器頻率與WGMR的諧振頻率的差值減小，激光器的輸出頻率會跳變到自注入鎖定帶寬內(nèi)。在該鎖定帶寬內(nèi)，自注入鎖定激光器的輸出頻率牢牢地鎖定在微腔的諧振頻率上。基于調(diào)節(jié)曲線可以推導(dǎo)基于WGMR激光自注入鎖定的線寬壓縮系數(shù)。線寬壓縮系數(shù)與WGMR的品質(zhì)因數(shù)的平方成正比。基于現(xiàn)有技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的Q值， MHz的激光器輸出線寬極限可被壓縮至亞Hz量級。

　　2020年，俄羅斯量子中心的研究人員對上述理論模型進行了更深入的研究。研究指出，基于WGMR的激光自注入鎖定系統(tǒng)中有5個重要參數(shù)，分別為：后向散射系數(shù)、反饋光的相位延遲、頻率失諧度、泵浦耦合效率以及反饋回路的光程長度。通過對5個參數(shù)進行統(tǒng)籌優(yōu)化，可以實現(xiàn)更穩(wěn)定的線寬壓縮效果。

　　2021年，清華大學陳明華教授課題組提出了一種亞波長空穴缺陷輔助微環(huán)諧振器，通過在微環(huán)腔中引入亞波長空穴缺陷并優(yōu)化幾何參數(shù)，調(diào)節(jié)后向散射系數(shù)以實現(xiàn)更好的線寬壓縮效果?？昭ǖ囊敫淖兞宋⑶粌?nèi)的相向傳播光場間的耦合，實現(xiàn)了反射光場的相干增強。研究者在Si3N4材料平臺制備了該微腔，最終實現(xiàn)了激光器的窄線寬輸出，其固有線寬為34.2 Hz，積分線寬為 3 kHz。

　　另一方面，光學微納加工工藝的發(fā)展為不同材料高Q值WGMR的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。這些高Q值的WGMR涵蓋了紫外光至中紅外波段的光譜范圍，具有全光波段窄線寬單頻激光器的潛力。近年來不同波段的基于WGMR激光自注入鎖定結(jié)構(gòu)的窄線寬單頻激光器以及輸出線寬如表1所示。

　　表1 不同波段的基于WGMR的激光自注入鎖定結(jié)構(gòu)的窄線寬單頻激光器

　　總結(jié)與展望

　　基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)可以實現(xiàn)極窄線寬、高集成度的窄線寬單頻激光器。WGMR的工藝和材料在寬波長范圍都實現(xiàn)了低傳輸損耗性能，可以與不同波段的激光器相結(jié)合。在基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)未來的研究和發(fā)展趨勢中，下列方向值得進一步關(guān)注：

　　1. 實現(xiàn)激光器極窄線寬輸出和片上WGMR實用化的關(guān)鍵是提高微腔的Q值。目前，基于Si、SiO2、Si3N4等材料平臺已實現(xiàn)了超過108的超高Q值。而為了逼近線寬極限，需要品質(zhì)因數(shù)為109~1010的微腔。需要進一步優(yōu)化微納制造工藝，降低WGMR的散射損耗，實現(xiàn)Q值一到兩個量級的提高。

　　2. 統(tǒng)籌優(yōu)化基于WGMR激光自注入鎖定結(jié)構(gòu)中的反饋強度、頻率失諧度、相位延遲、泵浦耦合效率以及光反饋回路的光程長度，實現(xiàn)更窄線寬的激光輸出。理論研究指出，在微腔具有相同Q值的情況下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，線寬壓窄系數(shù)可以提高10倍。目前的研究聚焦于控制結(jié)構(gòu)中反饋強度以及頻率失諧度優(yōu)化線寬壓窄系數(shù)。在結(jié)構(gòu)中對其他參數(shù)進行優(yōu)化是實現(xiàn)極窄線寬激光輸出，挑戰(zhàn)線寬極限的新思路。

　　3. 基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)極窄的瞬時線寬，但其長期頻率穩(wěn)定性存在一定局限性。影響的主要因素有熱噪聲，以及由光學路徑抖動引起相位變化。這兩種技術(shù)噪聲的存在，使得激光器線寬很難達到極限。因此需要采取措施抑制熱噪聲和穩(wěn)定光學路徑，以提高激光器的長期頻率穩(wěn)定性。

　　4. 微腔光頻梳是光學鐘、光譜測量、超快測量等領(lǐng)域的重要光源。在WGMR中產(chǎn)生光頻梳通常需要窄線寬光源作為泵浦。而基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)可以將普通的半導(dǎo)體激光器直接與WGMR中的四波混頻效應(yīng)相結(jié)合，產(chǎn)生微腔光頻梳。基于WGMR的激光自注入鎖定技術(shù)產(chǎn)生的極窄線寬，低噪聲的泵浦光，更有利于實現(xiàn)高性能的全片上微腔光頻梳。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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