提到激光大家會想到什么？是電影《星球大戰》里Grievous將軍揮舞的激光劍？還是《生化危機》里的殺傷力極強的激光通道？又或是《X戰警》中Scott那雙可以燃燒一切的激光眼？這些被大家所熟知的“激光”往往以高功率和高能量的形式出現在一些科幻作品中，展示出強大的威力（見圖1）。

而在現實生活中，激光也已經潛入了諸多行業，從激光美容、近視治療等醫療領域，到激光打標、切割和焊接等工業制造領域，以及近幾年興起的雷達探測、顯微成像、量子通信等前沿科學領域。目前，激光技術為推動國防安全、生物醫療、智能制造以及信息技術的發展做出了卓越的貢獻。

圖1 與激光相關的電影片段

然而，我們需要的激光器是否都需要像電影里面展示的那樣，擁有高功率且具有極大“殺傷力”呢？

首先，我們要看一下激光區別于傳統光源的基本特性，如圖2所示，我們前面提到影視作品中激光具有強大威力的特性，通常和激光的亮度（功率）成正比，同時也體現了激光器具有很好方向性的特點。

此外，單色性和相干性也是人們關注的重點。普通光源發射的光通常在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色，而激光發射的各個光子頻率相同，因此是十分優秀的單色光源。不僅如此，由于激光的受激輻射光子在相位上是一致的，在諧振腔的作用下激光束橫截面上各點間有固定的相位關系，所以相比于普通光源，激光的相干性也是極佳的。結合激光優異的單色性和相干性的特點，即使沒有動輒千瓦、萬瓦量級高功率的“光環”，激光器仍可以在光譜技術、光學測量等領域得到廣泛應用。

圖2激光區別于傳統光源的特性

今天將為大家介紹一種“單色性”趨于極致的激光器——窄線寬激光器。它的出現填補了激光在許多應用領域的空白，近幾年已廣泛應用在引力波探測、激光雷達、分布式傳感、高速相干光通信等領域，這是僅僅依靠提升激光功率所無法完成的“使命”，部分示例如圖3所示。

圖3 窄線寬激光器應用示例

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何為窄線寬激光器？

“線寬”一詞指的是激光在頻域內的譜線寬度，這個寬度通常用頻譜的半峰全寬（FWHM）來進行量化，如圖4所示。

圖4 激光的線寬（半峰全寬）示意圖

線寬的產生主要受激光器激發態原子或離子自發輻射、相位噪聲、以及諧振腔機械振動、溫度抖動等外界因素的影響。線寬的數值越小，意味著光譜的純凈度越高，也就是激光的單色性越好。擁有這類特點的激光器通常具有極小的相位或頻率噪聲和很小的相對強度噪聲。同時，激光器的線寬數值越小，對應的相干性越強，表現為極長的相干長度。

例如，未經縱模選擇的Nd:YAG激光器的輸出線寬通常為百GHz量級，其相干長度僅為若干個毫米；而通過縱模選擇，能夠比較容易實現百MHz的窄線寬輸出，相干長度可提升至米量級?，F如今，人們通過布里淵激光器已經獲得了亞Hz量級的極窄線寬輸出，其理論相干長度達到了驚人的幾十萬千米。因此，以上優點使得窄線寬激光器在科學研究以及諸多應用領域都備受青睞。

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窄線寬激光實現方式及應用

受激光器工作物質的固有增益線寬限制，依靠傳統振蕩器本身幾乎無法直接實現窄線寬激光的輸出。為了實現窄線寬激光運轉，通常需要利用濾波器、光柵等器件對增益譜內的縱模數進行限制或選擇，增加各縱模間凈增益差異，使激光諧振腔內最終存在少數幾個甚至只有一個縱模的振蕩。在該過程中，往往也要控制噪聲對激光輸出的影響，盡量減少外界環境的震動和溫度變化導致的譜線展寬；同時，還可以結合對相位或頻率噪聲譜密度的分析，了解噪聲來源、優化對激光器的設計，從而實現穩定的窄線寬激光的輸出。

下面我們一起來了解一下幾種不同類別激光器的窄線寬運轉的實現方法。

1）半導體激光器

半導體激光器具有尺寸緊湊、效率高、壽命長以及經濟實惠的優點。

傳統半導體激光器采用的法布里-珀羅（F-P）光學諧振腔內一般為多縱模振蕩，輸出線寬相對較寬，要想獲得窄線寬的輸出則需要增加光反饋。

分布反饋（DFB）和分布布拉格反射（DBR）是兩種典型的內部光反饋半導體激光器，其結構及輸出光譜情況如圖5所示，由于光柵的柵距較小，對波長具有良好的選擇性，因此容易實現穩定的單頻窄線寬輸出。兩種結構的主要區別在于光柵的位置：DFB結構通常將周期結構的布拉格光柵分布于整個諧振腔中，DBR的諧振腔通常由集成于端面的反射光柵結構和增益區構成。此外，DFB激光器使用低折射率對比度、低反射率的埋入式光柵；而DBR激光器使用高折射率對比度、高反射率的表面光柵。兩種結構均具有較大的自由光譜范圍，可以在幾個納米的范圍內進行無模式跳變的波長調諧，其中相比于DFB激光器，DBR激光器的諧調范圍更廣泛。

圖5 不同結構的半導體激光器

此外，利用外部光學元件對半導體激光芯片的出射光進行反饋和選頻的外腔光反饋技術也能夠實現半導體激光的窄線寬運轉。

2）光纖激光器

光纖激光器的泵浦轉換效率高、光束質量好、耦合效率高，是當前激光領域研究的熱點，且在信息時代的背景下，光纖激光器與目前市場光纖通信系統的兼容性良好。而具有線寬窄、噪聲低、相干性好等優點的單頻光纖激光器更是成為其發展的重要方向之一。

實現單縱模運轉是光纖激光器實現窄線寬輸出的核心，通常按照單頻光纖激光器的諧振腔的結構可將其分為DFB型、DBR型和環形腔型。其中，DFB型和DBR型單頻光纖激光器的工作原理與DFB型和DBR型半導體激光器具有“異曲同工”之妙。

如圖6所示，DFB型光纖激光器是將分布式布拉格光柵寫入到光纖中，由于振蕩器的工作波長受光纖周期影響，因此通過光柵的分布反饋即可實現縱模的選擇；DBR型激光器通常由一對光纖布拉格光柵形成激光諧振腔，其單縱模的選取主要由窄帶低反射率光纖布拉格光柵進行。而環形腔結構由于其諧振腔通常較長，且結構復雜、缺乏有效的鑒頻機制，因此容易出現跳模，難以在恒定縱模下長期穩定地工作。

圖6 兩種典型線性結構的單頻光纖激光器

3）固體激光器

1960年世界上的第一臺紅寶石激光器就屬于固體激光器，其特點是具有較高的輸出能量以及較為廣泛的波長覆蓋范圍。固體激光器特有的空間結構特性，使其在實現窄線寬輸出的設計更為靈活，目前實現的方法主要包括短腔法、單向環形腔法、腔內標準具法、扭擺模腔法、體布拉格光柵法和種子注入法等。

圖7 幾種典型的固體激光器單縱模運轉實現方法

圖7展示了幾種典型單縱模固體激光器的結構。圖7(a)為基于腔內FP標準具的單縱模選擇工作原理，即利用標準具的窄線寬透射譜，增大其他縱模的損耗，使其他縱模因透射率小而在模式競爭過程中被濾除，從而實現單縱模運轉。此外，通過對FP標準具的角度以及溫度的控制改變縱模間隔，還可獲得一定范圍的波長調諧輸出。圖7(b)和(c)是用于獲得單縱模輸出的非平面環形振蕩器（NPRO）和扭擺模腔法，其工作原理是使光束在諧振腔內沿單一方向傳播，有效消除普通駐波腔中反轉粒子數空間分布不均勻，進而避免空間燒孔效應的影響，實現單縱模輸出。體布拉格光柵（VBG）法選模原理類似于前面提到的半導體和光纖窄線寬激光器，即通過將VBG作為濾光元件，基于其良好的光譜選擇性和角度選擇性，使振蕩器在特定的波長或波段實現振蕩，達到縱模選擇的作用，如圖7(d)所示。

同時，人們可以根據需要對幾種縱模選擇方法進行組合以提高縱模選擇精度、進一步壓窄線寬，或者通過引入非線性頻率變換等手段增加模式競爭強度，在得窄線寬運轉的同時拓展激光器的輸出波長，這是半導體和光纖激光器難以做到的。

4）布里淵激光器

布里淵激光器是基于受激布里淵散射（SBS）效應獲得低噪聲、窄線寬輸出的技術，其原理是通過光子與物質內部聲波場相互作用產生具有一定頻移的Stokes光子，并在增益帶寬內被不斷放大。

圖8展示了SBS轉換的能級示意圖和布里淵激光器的基本結構。由于聲波場的振動頻率較低，材料的布里淵頻移通常只有0.1-2 cm-1，因此用1064 nm激光作為泵浦光，產生的Stokes光波長往往只有1064.01 nm左右，但這也意味著其量子轉換效率極高（理論可達99.99%以上）。另外，由于介質的布里淵增益線寬通常僅為 MHz-GHz量級（部分固體介質的布里淵增益線寬僅為10 MHz左右），遠小于激光工作物質百GHz量級的增益線寬，因此，布里淵激光器內激發的Stokes光在腔內經過多次放大后能夠呈現出明顯的光譜窄化現象，其輸出線寬可比泵浦線寬窄幾個數量級。目前，布里淵激光器已經成為光子學領域研究的熱點，已有諸多關于Hz和亞Hz量級的極窄線寬輸出的報道。

圖8 SBS及布里淵激光器工作原理

近些年，波導型結構的布里淵器件已經在微波光子學等領域嶄露頭角，并朝著小型化、高集成度和更高分辨率的方向快速發展。此外，基于金剛石等新型晶體材料的空間運轉布里淵激光器也在近兩年走進人們的視野，其創新性的突破了波導型結構的功率和級聯SBS瓶頸，將布里淵激光器的功率提升至10 W量級，為拓展其應用奠定了基礎。

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總 結

隨著人類對前沿知識的不斷探索，窄線寬激光器以其優異的性能成為科學研究中不可或缺的關鍵工具，譬如進行引力波探測的激光干涉儀LIGO采用了波長1064 nm的單頻窄線寬激光作為種子源，其種子光的線寬在5 kHz以內。此外，具有波長可調諧、且不存在模式跳變的窄線寬激光器也展現了巨大的應用潛力，尤其是在相干通信中，能夠完美的契合波分復用（WDM）或頻分復用（FDM）對波長（或頻率）可調性的需求，有望成為下一代移動通信技術的核心器件。

在未來，激光材料和加工技術的革新也將進一步推動激光線寬的壓縮、頻率穩定性的提高、波長范圍的擴展和功率的提升，為人類探索未知世界鋪平道路。

作者簡介

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；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。主要從事金剛石激光技術以及高功率激光器研究，成果榮獲國際光學工程學會Teddi Laurin獎（全球每年僅1人）、光學青年科學家競賽“Rising Stars of Light”一等獎。