白振旭，河北工業大學先進雷射技術研究中心副主任，哈爾濱工業大學可調諧雷射技術國家重點實驗室和澳大利亞麥考瑞大學光子中心博士，主要從事高功率固體雷射器及金剛石雷射技術研究。
近年來，具有高亮度、窄線寬的雷射器在雷射雷達、幹涉測量傳感器、計量學、量子物理和微波光子學等領域有著廣闊的應用前景，並帶動諸多交叉科學的發展。尤其是高功率、低噪聲、高光束質量的極窄線寬雷射光源已成為前沿科學研究中無可替代的有力工具，如空間相干光通信和雷射幹涉引力波探測（LIGO）要求雷射既滿足長程傳輸，又具備足夠的相干長度（譬如，線寬為10 Hz的雷射光源的理論相干長度可達3萬公裡）。
圖1 窄線寬雷射器的應用
目前獲得窄線寬雷射器的方法包括：半導體直接輻射、分布反饋型（DFB）光纖雷射器和法布裡-珀羅（FP）縱模選擇固體雷射器。
儘管部分窄線寬半導體雷射器和DFB光纖雷射器的輸出線寬已經可以達到kHz量級，但是輸出功率較低（毫瓦至瓦量級），且線寬的進一步壓縮受到了技術本身的制約。基於FP標準具縱模選擇的固體雷射器可以獲得瓦級以上的單縱模雷射輸出，但是受制於雷射工作物質固有的增益線寬和FP標準具有限的透射光譜寬度，輸出雷射的線寬往往只能達到MHz或者GHz量級。
圖2 雷射線寬的概念示意圖
除上述的傳統方法以外，基於受激布裡淵散射（SBS）效應的布裡淵雷射器被視為獲得極窄線寬、低噪聲雷射的潛在技術途徑，並且目前已實現亞Hz的極窄線寬雷射輸出，相比其他技術手段獲得的雷射線寬要窄103-106倍。
若要了解布裡淵雷射器的工作原理，我們需要知道什麼是SBS。
圖3 SBS及布裡淵雷射器的概念 (a) SBS能級示意圖，(b) 布裡淵雷射器工作示意圖，(c) 布裡淵雷射線寬示意圖
SBS是強光光子與介質內部聲子場作用產生具有一定頻移的斯託克斯光子並被不斷放大的過程，其能級轉換如圖3(a)所示，在散射過程中頻率滿足，其中和分別為斯託克斯光、抽運光以及介質的聲子場頻率。
由於聲波場的振動頻率較低（介質的布裡淵頻移通常只有0.1-2 cm-1），因此SBS過程的量子轉換效率理論上可達99.9%以上。當抽運光入射至布裡淵增益介質且功率達到SBS閾值時，通過介質內部的聲波場產生反向於抽運光傳播方向的斯託克斯光，斯託克斯光和抽運光在帶有反饋的振蕩器內振蕩的過程中受到布裡淵放大的作用，斯託克斯光被不斷放大進而達到閾值輸出，這即為布裡淵雷射的產生過程，示意圖如圖3(b)所示。
由於布裡淵介質的增益線寬很窄（通常為MHz-GHz），因此斯託克斯光在諧振器中多次放大後將獲得光譜明顯窄於介質的增益線寬以及抽運光線寬的布裡淵雷射輸出，同時其輸出的噪聲也遠低於抽運光；圖3(c)為抽運光和輸出布裡淵雷射的光譜對比圖，結果顯示輸出的光譜被窄化了15倍以上。
為了使產生的斯託克斯光與抽運光在振蕩器內同時諧振以獲得布裡淵雷射輸出，人們通常將布裡淵增益介質設計成光纖、微腔、薄片等波導型結構，進而有效控制諧振腔腔長、促進斯託克斯光與抽運光的相互作用、提高布裡淵放大的總增益。雖然波導型結構的布裡淵雷射器容易獲得低閾值且窄線寬的布裡淵雷射輸出，但由於此類型振蕩器的光束模體積很小，其輸出功率受到了極大的限制（通常為微瓦至百毫瓦），示意圖如圖4所示。
圖4 基于波導型結構布裡淵雷射器 (a) 光纖結構，(b) 微腔結構，(c) 薄片結構， (d) 波導結構
尋找新的布裡淵工作介質以及探索非波導型結構的布裡淵雷射，或成為突破現階段布裡淵雷射器功率瓶頸的潛在手段。然而，若想在非波導結構中實現高功率的布裡淵雷射的運轉，需要布裡淵工作介質具有高布裡淵增益係數和高熱導率；此外，為了滿足不同工作波長的需求並獲得高轉換效率，也需要材料具有較寬的透過光譜。
金剛石俗稱「鑽石」，為目前已知自然界存在的最硬物質，它具有極寬的光譜透過範圍（>0.23 µm）和極高的熱導率（2000-2300 W·mK−1，為常用雷射晶體Nd:YAG的140倍以上），因此是一種可以實現幾乎不受熱影響的高功率且高光束質量雷射輸出的光學材料。
自然界中的金剛石帶有一定的雜質元素或本身存在不均勻性，致使天然金剛石很難滿足在精密光學、尤其是雷射領域的應用。在過去的近十年裡，單晶金剛石的生長技術逐漸成熟，目前已經獲得長度1 ㎝以上的高質量光學級的片狀人造金剛石晶體，其純度比自然界中存在的金剛石高几個量級。人造單晶金剛石的出現成為人們再次探索金剛石在雷射領域應用的重要轉折，近幾年已成功實現高功率、多波長、高亮度的拉曼雷射輸出。
圖5 金剛石晶體
相比於現有的布裡淵晶體材料，金剛石具有更高的布裡淵頻率（>10 GHz），因此更易獲得頻率可分辨的斯託克斯光輸出。另外，與同處於第四組元素的矽晶體相比（矽波導布裡淵雷射器報導於Science, 2018, 360: 1113-1116），金剛石的多光子吸收的閾值功率比矽高3個數量級，且金剛石能夠在抽運功率為千瓦量級以及功率密度達到1 GW/cm2的情況下無負面非線性效應產生。因此，金剛石可以作為一種潛在的新型布裡淵材料，但是在SBS領域金剛石還是一個「新成員」。
近期，澳大利亞麥考瑞大學Mildren課題組通過直接抽運外腔金剛石拉曼雷射器，在實驗中首次觀察並測到了金剛石的SBS，並通過振蕩器的結構優化實現了自由空間運轉的布裡淵雷射輸出，見圖6。
圖6 基於拉曼實現自由空間布裡淵雷射運轉的示意圖 (a) 實驗裝置圖，(b) 工作原理
其工作原理是將抽運光注入拉曼腔，通過與金剛石的作用首先達到拉曼雷射的閾值產生拉曼雷射；隨著抽運光功率的增加，腔內的拉曼光功率密度也隨之增加，當拉曼光的功率密度達到SBS閾值時將激發SBS的斯託克斯光；若腔長滿足拉曼光與斯託克斯光的共振條件時，腔內的斯託克斯光將實現振蕩並放大輸出。該技術方案不僅突破了傳統波導型結構布裡淵雷射器的功率瓶頸、有效實現了布裡淵雷射的自由空間運轉，同時，將現有布裡淵雷射器的功率提升了1個數量級。
近些年，隨著微納材料製備工藝的不斷提升，基于波導型結構的布裡淵器件已經在微波光子學、集成光信號處理等領域嶄露頭角，並朝著小型化、高集成度和更高解析度的方向快速發展。此外，隨著人造金剛石生長水平的提高，利用金剛石出色的光學和布裡淵特性實現非波導結構的布裡淵雷射運轉，將有望進一步突破以往布裡淵雷射器的功率和波長瓶頸，並將現階段布裡淵雷射器的應用拓展至全新領域。
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