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郑州华晶金刚石股份有限公司

新进展!首次证明金刚石布里渊激光器实现线宽窄化

关键词 金刚石布里渊激光器|2023-08-03 10:49:08|来源 Carbontech
摘要 近日,河北工业大学吕志伟教授团队领衔,首次在连续运转的金刚石布里渊激光器中获得了线宽压缩率最高4倍以上、线宽1.77kHz的单频激光输出,最高功率超过20W!这是自由空间布里渊激光...

       近日,河北工业大学吕志伟教授团队领衔,首次在连续运转的金刚石布里渊激光器中获得了线宽压缩率最高4倍以上、线宽1.77 kHz的单频激光输出,最高功率超过20 W!这是自由空间布里渊激光器首次证实可以实现激光的线宽窄化,该工作为获得超窄线宽高功率激光辐射提供了一种全新的技术路线。研究成果以“Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers” 为题发表在 High Power Laser Science and Engineering 上。论文第一作者为博士生研究金舵,共同第一作者兼通讯作者为白振旭教授。

原文链接:https:// doi:10.1017/hpl.2023.48

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       布里渊激光器近年来引起了人们的极大兴趣,并已被应用于光学时钟和陀螺仪、超稳定激光器和微波光子学。研究最为广泛的波导布里渊激光器已经实现了低噪声、低阈值的窄线宽激光辐射,但输出功率通常在在微瓦到瓦的数量级,限制了其在一些大功率场景的应用,如引力波探测、长距离高分辨光谱测量等。针对波导布里渊激光器在功率提升上面临的窘境,空间结构布里渊激光器以其腔与增益介质分离的特点,易于实现热管理和相位匹配条件的控制,且增益介质的选择更丰富,使其实现特殊波长的窄线宽激光成为可能。

       近几年,空间布里渊激光器从上世纪受增益水平限制的20 mW的功率输出,提升到了超过20 W的单频功率的输出且没有出现功率曲线饱和的现象,这主要得益于金刚石晶体优异的光学特性、热物性以及布里渊性质。2020年,该团队白振旭等人在国际上首次测得了金刚石晶体的布里渊增益系数和线宽,并获得了高达11 W的可见光布里渊激光输出[APL Photonics, 5(3): 031301];2022年,他们将输出波长从可见光波段延伸到了近红外波段,并实现了单频激光稳定运转[Opt. Lett., 2022, 47(20):5360-5363]。然而,关于空间光结构布里渊激光器中斯托克斯光线宽窄化的特性却还未见报道,这因此也成为笼罩在自由空间布里渊激光器头顶上的一朵“乌云”,只有将其“拨开”才能推动其后续研究和发展。

       近期,该团队利用金刚石晶体作为增益介质,在连续运转的金刚石布里渊激光器中获得了线宽压缩2.5倍(3.2 kHz),功率超过20 W的单频功率输出,实验装置如图1所示。

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图1 金刚石布里渊激光器的(a)相位匹配、(b)光路结构和(c)线宽测量系统

       实验上,测得三组不同耦合镜反射率(96%、97%,98.5%)对应的斯托克斯线宽分别为3.2 kHz、2.43 kHz和1.77 kHz,相比于泵浦光均实现了线宽压缩。当耦合镜反射率为98.5%时,线宽最高压缩了近4.2倍。图2(b)给出了三个反射率对应的泵浦-斯托克斯功率曲线。在最大泵浦功率下,三组反射率对应的斯托克斯输出功率分别为22.5 W、16.9 W和13.6 W,相应的光转换效率分别为37.5%,29.1%和23.4%。

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图2 不同耦合镜反射率时的线宽和功率输出曲线

       结合理论模拟,作者证明未来通过进一步降低腔内元件插入损耗,理论上可以实现线宽更窄、功率更高的单频激光输出。该研究不仅为自由空间布里渊振荡器实现高相干激光光源的研制铺平了道路,也证明了金刚石布里渊激光器在实现大功率的超窄线宽特殊波长激光辐射方面的巨大前景!

       作者简介:

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       第一作者:金舵,河北工业大学博士研究生,主要从事金刚石布里渊激光技术研究。目前第一作者发表SCI论文5篇,授权发明专利1项,主持河北省研究生创新资助项目1项。入围2021年国际光学顶级会议ASSL的Student Awarded候选人,荣获2022年全国光学与光学工程博士生学术联赛全国总决赛并获得获优秀奖。

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       共同第一作者&通信作者: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、研究生院副院长(挂职)。担任中国光学光电子行业协会激光应用分会青年委员、天津市激光技术学会常务理事、北京光学学会青年工作委员会委员,以及《光电技术应用》、《红外与激光工程》、《中国激光》、《应用光学》等学术期刊青年编委。主要研究方向为高功率金刚石激光技术。成果荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖、“Rising Stars of Light”一等奖、河北省技术发明二等奖、国家部委“源创杯”全国总决赛三等奖。主持装备发展部领域基金、国家/河北省/天津市自然科学基金等课题16项。第一/通讯作者在APL Photonics、Optics Letters等期刊发表SCI论文40余篇,授权专利17项。

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       团队带头人:吕志伟,“长江学者”特聘教授,教授、博士生导师,河北工业大学学术委员会主任、先进激光技术研究中心主任。担任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、中国工程教育电子信息与电气工程类专业认证委员会副主任。长期从事高功率固体激光技术、非线性光学和激光光谱技术的教学和科研工作,主持国家重大专项项目、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大仪器专项项目和重点项目等科研项目50余项。成果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、航天工业总公司科技进步二等奖1项。发表学术论文400余篇,授权发明专利40余项。

 

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