近日，悉尼麥考瑞大學(xué)MQ光子學(xué)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)在激光技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，開發(fā)出一種基于金剛石拉曼散射的新型線寬壓縮技術(shù)，在1 MHz以上偏移頻率處實(shí)現(xiàn)了超過1.6萬倍的頻率噪聲壓縮，最終獲得1.0±0.1 kHz的洛倫茲線寬。該成果發(fā)表在APL Photonics期刊上，為量子計(jì)算、原子鐘和引力波探測等前沿領(lǐng)域提供了更強(qiáng)大的工具。

技術(shù)原理

激光線寬是衡量激光頻率穩(wěn)定性和單色性的關(guān)鍵指標(biāo)。，線寬越窄，激光的單色性越好。傳統(tǒng)激光器受到量子噪聲限制，其線寬下限由Schawlow-Townes公式?jīng)Q定。在理想情況下，激光的所有光波應(yīng)完全同步，但實(shí)際應(yīng)用中，光波的相位波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻率“噪聲”，導(dǎo)致光譜不夠純凈。

研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用了金剛石晶體中的受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）效應(yīng)。在此過程中，入射激光會(huì)激發(fā)金剛石晶體內(nèi)部產(chǎn)生高頻振動(dòng)，散射出的光則源自于這些振動(dòng)。該技術(shù)的核心在于，激光束中的相位不規(guī)則性（相位噪聲）會(huì)被有效地轉(zhuǎn)移到金剛石晶格振動(dòng)上，并被晶體在萬億分之幾秒的極短時(shí)間內(nèi)迅速吸收和耗散。結(jié)果是，輸出的激光光波振蕩變得更加平滑，光譜純凈度大幅提高，線寬顯著變窄。

創(chuàng)新之處

目前，科學(xué)家通常使用布里淵激光來壓縮激光線寬，其原理是利用聲波與光的相互作用來抑制噪聲。然而，布里淵方法存在明顯局限性，只能達(dá)到數(shù)十至數(shù)千倍的壓縮效果。通過受激拉曼散射技術(shù)，輸出激光束的線寬被壓縮到其探測系統(tǒng)極限的1kHz以下，實(shí)現(xiàn)了超過10,000倍的壓縮因子。 計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測，優(yōu)化當(dāng)前設(shè)計(jì)后可實(shí)現(xiàn)超過一千萬倍（10,000,000倍）的線寬壓縮。

應(yīng)用前景

該技術(shù)不僅在壓縮幅度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的飛躍，還具有比布里淵方法更多的潛在優(yōu)勢，包括有望達(dá)到更小的最小線寬極限。這種超窄線寬激光器對量子計(jì)算與量子信息、原子鐘與精密導(dǎo)航、引力波探測與天體物理以及高分辨率光譜學(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域具有變革性意義。

盡管實(shí)驗(yàn)已證明該技術(shù)的巨大潛力，但研究團(tuán)隊(duì)表示仍面臨挑戰(zhàn)：測量精度限制導(dǎo)致實(shí)際觀測的噪聲壓縮倍數(shù)低于理論預(yù)測值；低頻噪聲問題使得在50 kHz以下偏移頻率處噪聲快速增加，積分線寬仍較寬；系統(tǒng)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)突出，小腔體自由光譜范圍相對于拉曼增益帶寬較小，需要復(fù)雜的振動(dòng)隔離和溫度控制系統(tǒng)，反饋帶寬也受到限制。

“目前，我們的工作主要專注于通過檢查瞬時(shí)激光線寬來驗(yàn)證概念”，論文第一作者、麥考瑞大學(xué)數(shù)學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院和MQ光子學(xué)研究中心的里奇·米爾登斯（Rich Mildren）教授說，“下一步將涉及改進(jìn)先進(jìn)腔體設(shè)計(jì)和主動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)，以解決隨時(shí)間推移而使線寬變寬的振動(dòng)和漂移問題?！?/p>

原文鏈接：

Linewidth narrowing in Raman lasers | APL Photonics | AIP Publishing?

pubs.aip.org/aip/app/article/10/7/076107/3352402/Linewidth-narrowing-in-Raman-lasers