近日，河北工業大學呂志偉教授團隊領銜，首次在連續運轉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路線。研究成果以“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers” 為題發表在 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，并已被應用于光學時鐘和陀螺儀、超穩定激光器和微波光子學。研究最為廣泛的波導布里淵激光器已經實現了低噪聲、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量級，限制了其在一些大功率場景的應用，如引力波探測、長距離高分辨光譜測量等。針對波導布里淵激光器在功率提升上面臨的窘境，空間結構布里淵激光器以其腔與增益介質分離的特點，易于實現熱管理和相位匹配條件的控制，且增益介質的選擇更豐富，使其實現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功率曲線飽和的現象，這主要得益于金剛石晶體優異的光學特性、熱物性以及布里淵性質。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，并實現了單頻激光穩定運轉[Opt. Lett., 2022, 47(20):5360-5363]。然而，關于空間光結構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”才能推動其后續研究和發展。

       近期，該團隊利用金剛石晶體作為增益介質，在連續運轉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）光路結構和（c）線寬測量系統

       實驗上，測得三組不同耦合鏡反射率（96%、97%，98.5%）對應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了線寬壓縮。當耦合鏡反射率為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，三組反射率對應的斯托克斯輸出功率分別為22.5 W、16.9 W和13.6 W，相應的光轉換效率分別為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

       結合理論模擬，作者證明未來通過進一步降低腔內元件插入損耗，理論上可以實現線寬更窄、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，河北工業大學博士研究生，主要從事金剛石布里淵激光技術研究。目前第一作者發表SCI論文5篇，授權發明專利1項，主持河北省研究生創新資助項目1項。入圍2021年國際光學頂級會議ASSL的Student Awarded候選人，榮獲2022年全國光學與光學工程博士生學術聯賽全國總決賽并獲得獲優秀獎。

       共同第一作者&通信作者：白振旭，教授，博士生導師，河北工業大學先進激光技術研究中心副主任、河北省先進激光技術與裝備重點實驗室副主任、研究生院副院長（掛職）。擔任中國光學光電子行業協會激光應用分會青年委員、天津市激光技術學會常務理事、北京光學學會青年工作委員會委員，以及《光電技術應用》、《紅外與激光工程》、《中國激光》、《應用光學》等學術期刊青年編委。主要研究方向為高功率金剛石激光技術。成果榮獲國際光學工程學會Teddi Laurin獎、“Rising Stars of Light”一等獎、河北省技術發明二等獎、國家部委“源創杯”全國總決賽三等獎。主持裝備發展部領域基金、國家/河北省/天津市自然科學基金等課題16項。第一/通訊作者在APL Photonics、Optics Letters等期刊發表SCI論文40余篇，授權專利17項。

       團隊帶頭人：呂志偉，“長江學者”特聘教授，教授、博士生導師，河北工業大學學術委員會主任、先進激光技術研究中心主任。擔任中國光學學會激光專業委員會副主任、中國電子學會工業工程分會副主任、中國工程教育電子信息與電氣工程類專業認證委員會副主任。長期從事高功率固體激光技術、非線性光學和激光光譜技術的教學和科研工作，主持國家重大專項項目、國家重大科技工程項目、國家863高技術項目、國家自然科學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、黑龍江省自然科學獎一等獎1項、航天工業總公司科技進步二等獎1項。發表學術論文400余篇，授權發明專利40余項。