基于空间光腔的高功率布里渊频率梳

作者：白振旭

封底| 白振旭, 陈晖, 丁洁, 齐瑶瑶, 王雨雷, 吕志伟. 基于空间光腔的高功率布里渊频率梳[J]. 中国激光, 2022, 49(4): 0415001

【封面解读】封面展示了基于自由空间光腔结构激发布里渊光学频率梳的方案。单一频率的泵浦光入射至线性拉曼腔中，以具有极高热导率、超宽光谱透过范围、以及超高非线性增益的金刚石晶体作为介质，在拉曼场和声波场的共同作用下，实现了兼具中心波长转换、超大频率间隔以及高功率特点的光频梳振荡。该方案突破了传统导波结构布里渊光频梳面临的波长难以拓展和功率提升受限的瓶颈，未来在空间探测等领域具有潜在的应用前景。

研究背景

光学频率梳是由频域中若干个等间隔的频率分量组合而成的光谱，它的出现推动了超精密计量和光谱学的革命性发展，被誉为“最高精度的测量手段”。在实际应用中，受限于目前光学测量设备的分辨率和响应时间，光学频率梳的频率间隔通常需要在百MHz以上，以便波长计数器实现波数计量。在行星探测等空间应用中，通常需要频率间隔在20 GHz以上的光学频率梳对光谱测量设备进行定标。不仅如此，在危险化学品防区外检测、空间探测等领域，还需要光频梳具有高功率和光束质量的特性，以满足长程传输的需求。

基于此，开展具有大频率间隔、特定波长（如大气窗口、人眼安全）的高功率光学频率梳研究，对拓展其在遥感、空间和海洋探测等领域的应用具有重要的意义。这不仅是光谱技术迈向更广阔应用空间的必然之路，也是当前激光技术领域研究的热点和难点。

受激布里渊散射（SBS）是一种基于光波场和声波场互作用增益机制的三阶非线性光学效应，在光束整形、集成光子学等领域得到了广泛的应用。尤其是布里渊增益介质固有的声子频率（>10 GHz）和高的时间相干特性（~MHz）使获得低噪声和窄线宽的激光输出、以及产生频率间隔在10 GHz量级的光学频率梳成为了可能。

目前，人们基于片上、光纤等导波结构的SBS振荡器已经实现了大频率间隔的布里渊光频梳输出，但是受到导波结构固有的模体积小、介质传输波段单一且波长难以拓展等现状制约，所获得的布里渊光频梳难以兼顾大频率间隔、特定波长和高功率的特性。

创新工作

针对上述导波结构布里渊光频梳遇到的技术瓶颈，河北工业大学吕志伟教授课题组率先提出以拉曼场作为媒介在空间光腔中激发SBS的方案，实现了中心波长1.2 μm、梳齿间隔71 GHz、频谱宽达1.55 THz的布里渊频率梳输出，稳态功率高达101 W。该功率为已知布里渊频率梳的最高功率，相较于微腔结构提升了4个数量级以上。所提方案为实现光学频率梳运转提供了新的技术路径。

实验装置及原理如图1所示，以具有高布里渊增益系数（~80 GW/cm）、极高的热导率（>2000 W·m-1·K-1）和极宽的光谱透过范围（>0.2 μm）的金刚石晶体作为增益介质。首先，通过频率为ωp的激光作为泵浦源注入拉曼腔中，激发出频率为ωR的一阶拉曼光；然后，通过腔内的高功率密度拉曼场作为新的泵浦源，激发金刚石晶体内部的声波场，产生频率为ωB的Stokes光；最后，在级联SBS和四波混频（FWM）的共同作用下，产生若干阶次频率差为常数的级联Stokes和反Stokes光，进而形成布里渊光频梳。

图1 基于空间光腔的布里渊频率梳装置示意图。插图为频率转换原理图

基于上述方案，研究实现了中心波长为1.2 μm、梳齿间隔为71 GHz、频谱宽达1.55 THz的布里渊频率梳输出，稳态功率高达101 W（图2）。该功率为已知布里渊频率梳的最高功率，相较于微腔结构提升了4个数量级以上。

由图2中的插图可知，拉曼和布里渊转换过程中存在固有的光束净化效应，这使得输出激光的光束质量相较于泵浦光得到了显著提升。

图2输出光功率随泵浦光功率的变化。插图为泵浦光和Stokes光的近场光斑

结论与展望

研究结果表明，以拉曼场作为媒介在空间光腔中激发级联SBS的方案为实现光学频率梳运转提供了新的技术路径，也为进一步突破布里渊频率梳的功率和光谱极限指明了新的方向。

团队后续将面向空间相干测量、精密测量等领域所需的高功率、大频率间隔的光学频率梳开展研究工作，致力于进一步提升其频率稳定性、提高转换效率以及拓展输出波段。

【课题组介绍】

        河北工业大学先进激光技术研究中心吕志伟教授团队以高能高功率激光技术为特色，结合国家发展战略的重大需求，开展先进激光技术研究和激光装备研制工作，并致力于以激光技术带动产业升级发展、推动智能制造和装备智能化应用。团队现拥有科研人员18人（含国家级人才2人），近三年承担国家级和省部级基础研究项目、国防项目50余项，取得了一系列创新性成果。

团队负责人介绍：

吕志伟，教授，河北工业大学副校长，“长江学者”特聘教授，中国光学学会激光专业委员会副主任、中国电子学会工业工程分会副主任、国防科技创新团队带头人和教育部创新团队带头人。主要研究方向为高功率固体激光技术和非线性光学效应，主持完成国家重大专项项目、国家重大科技工程项目、国家863高技术项目、国家自然科学基金重点项目等科研项目50余项。研究工作获军队科技进步一等奖2项、黑龙江省自然科学奖一等奖1项。

通讯作者介绍：

白振旭，教授，博士生导师，河北工业大学先进激光技术研究中心副主任、河北省先进激光技术与装备重点实验室副主任。主要研究方向为高功率金刚石激光技术及应用，在APL Photon.、Opt. Lett.等期刊发表论文70余篇，授权专利20余项。研究成果荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖、光学青年科学家竞赛Light “Rising Stars of Light”一等奖。