近年來，布里淵激光器引起了人們的極大興趣，其中研究最為廣泛的波導布里淵激光器已經(jīng)實現(xiàn)了低噪聲、低閾值的窄線寬激光輻射，并被應用于光學時鐘和陀螺儀、超穩(wěn)定激光器和微波光子學等領(lǐng)域。但導波結(jié)構(gòu)面臨的功率難以提升和運轉(zhuǎn)波長難以拓展的問題，制約了布里淵激光器在引力波探測、長距離高分辨光譜測量等方向的應用。鑒于此，河北工業(yè)大學白振旭等人提出了以金剛石晶體作為布里淵增益介質(zhì)實現(xiàn)自由空間運轉(zhuǎn)布里淵激光器的方案，并于2020年在國際上首次報道了金剛石布里淵激光的直接輻射，獲得了功率為11 W的可見光布里淵激光輸出，相較于導波布里淵激光器提高了一個數(shù)量級。隨后，該團隊于2022年，將輸出波長從可見光波段延伸到了近紅外，并實現(xiàn)了功率高達22.5 W、信噪比高達71.8 dB的單頻激光穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。但是，自由空間結(jié)構(gòu)的布里淵激光器是否同導波結(jié)構(gòu)布里淵激光一樣具有線寬窄化特性，這個重要問題卻尚未得到解答。

近日，該團隊發(fā)表在學術(shù)期刊High Power Laser Science and Engineering題為“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers”的論文成功解答了上述疑問，首次在連續(xù)運轉(zhuǎn)的金剛石布里淵激光器中獲得了線寬壓縮率大于4倍的單頻布里淵激光輸出。 

圖1.金剛石布里淵激光器結(jié)構(gòu)示意圖

實驗采用直接泵浦的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)（見圖1），通過PDH鎖腔技術(shù)實現(xiàn)泵浦光和Stokes光的雙諧振，其中泵浦光的線寬為7.36 kHz。通過利用三組不同的耦合鏡反射率96%、97%和98.5%進行對比實驗，測得對應的Stokes光線寬分別為3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz，相比于泵浦光均實現(xiàn)了線寬壓縮，最高壓縮比達4.2倍。在最大泵浦功率下，三組反射率對應的Stokes光輸出功率分別為22.5 W、16.9 W和13.6 W，相應的光轉(zhuǎn)換效率分別為37.5%，29.1%和23.4%（見圖2）。研究結(jié)果表明，利用自由空間布里淵振蕩器靈活的結(jié)構(gòu)特性，未來通過降低腔內(nèi)元件損耗、優(yōu)化振蕩器設計和調(diào)整泵浦光參數(shù)，將有望實現(xiàn)線寬更窄、功率更高、波長更豐富的單頻激光輸出，研究成果對推動高相干激光技術(shù)的發(fā)展和應用具有重要意義。  

圖2.不同耦合鏡反射率時的線寬和功率輸出曲線

河北工業(yè)大學金舵博士為論文的第一作者，通訊作者為白振旭教授（共同第一作者）、王雨雷教授和呂志偉教授，論文的合作者為澳大利亞麥考瑞大學光子中心Richard P. Mildren教授。該項研究工作得到了國家自然科學基金、河北省自然科學基金和天津市自然科學基金等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1017/hpl.2023.48