【资讯】国科大杭高院：单频拉曼激光，精密科学的纯净之光

在精密光谱测量、量子通信、原子冷却等领域，激光的“纯净度”，即单色性与相位稳定性，直接决定实验精度。传统激光器在追求窄线宽的同时，往往面临增益介质输出波长受限、空间烧孔效应及频率噪声等挑战。拉曼激光器基于三阶非线性光学效应，输出波长由泵浦波长与拉曼介质的特征频移量共同决定，具备宽谱可调谐性。单频拉曼激光因具备极窄线宽、低噪声和波长灵活可调的特性，成为前沿科研的“理想光源”。

单频拉曼激光的核心优势在于线宽压缩机制。在受激拉曼散射（SRS）过程中的三波相互作用中，由于泵浦相位扰动与声子场的耦合强于与斯托克斯的耦合，此时声子可类比于车辆的“机械减震器”，泵浦的噪声将被吸收，从而使斯托克斯线宽得到窄化。理论研究表明，泵浦线宽Δvp 和拉曼线宽Δvs 的压缩比K2与增益介质内部的声子退相时间T2，以及谐振腔的品质因子Q相关。例如金刚石拉曼激光器在Q=105时，理论线宽压缩比可达106量级（图1）。在实际系统中，受各种噪声及不稳定性因素的影响，压缩比往往低于该理论极限，但该极限值仍表明拉曼激光器在线宽压缩方面具备显著潜力。

图1 不同拉曼/布里渊介质在不同的谐振腔等效Q值（以λ=1 μm计算）下，线宽窄化系数K2与T2的关系

1、固体单频拉曼激光技术

固态激光器具有高增益、结构紧凑、功率扩展潜力大等特性，且种类丰富的拉曼晶体可提供不同范围的拉曼频移，因此在实现高功率、高光束质量以及特定波段的单频输出等方面，固体拉曼激光器展现出不可替代的应用前景。

如图2所示，在拉曼过程中，泵浦光通过三阶非线性效应转化为斯托克斯光输出以及介质声子振动，能量并不储存在增益介质中，因此不存在粒子数反转激光器中的空间烧孔效应。此外，拉曼增益介质的声子场振幅与斯托克斯光强度呈正相关关系，这意味着驻波腔内斯托克斯光场分布的振荡峰（对应图中波腹部分）将对拉曼增益形成正向反馈，从而进一步强化斯托克斯纵模的振荡，最终提升驻波腔内振荡模式的稳定性。驻波谐振腔强化法结构简单、易于实现，但是单纵模选择性有限，因此，在实际应用中常需结合其他技术手段来抑制受激布里渊散射（SBS），并维持稳定的单纵模工作。

图2 驻波腔的驻波场对拉曼激光器的声子场振幅与粒子数反转激光器中反转粒子数的作用

在谐振腔内插入标准具或布拉格光栅等选模元件，是获取单纵模最直接的方法之一。其优势在于原理清晰、结构简单，通过精心设计可实现良好的选模效果。然而，几乎所有此类元件都会引入额外的插入损耗，影响激光器的阈值和效率，因此在对损耗敏感的高效外腔拉曼激光器中应用受限。同时，部分元件抗损伤阈值较低，难以适用于高功率场景。

短腔法通过大幅缩短谐振腔的物理长度，使纵模间隔超出增益介质的有效带宽，从而自然实现单纵模振荡。其中，“单晶体成腔”将增益晶体两端面研磨加工，并镀膜构成微型谐振腔，结构紧凑稳固，在微型化激光器中尤为适用。但该方案的挑战在于，许多拉曼介质增益带宽很宽（数十至上百GHz），要求腔长较短才能有效选模，而晶体成腔方案对晶体的精密光学加工和镀膜工艺提出了极高要求。

腔锁定是一种主动稳频技术，典型如Pound-Drever-Hall（PDH）锁腔技术。该技术通过探测腔频与参考频率的偏差，经比例-积分-微分（PID）反馈控制压电陶瓷实时调节腔长，从而将谐振腔精准锁定在目标纵模上。它能极大提升频率稳定性和噪声性能，是精密测量激光的标配。但其缺点在于需引入包括探测、反馈电路在内的整套复杂控制系统，且参数调试需要丰富经验，系统复杂度和维护成本较高。

非线性多纵模自抑制技术通常在腔内插入一块倍频晶体（如LBO）。利用主纵模与边模在非线性耦合过程中经历的不同损耗，可有效抑制边模，实现稳定的单纵模运转。此方法的优点在于所涉及的非线性晶体和拉曼晶体通常具有高损伤阈值，故能承载很高的腔内功率，具备实现高功率单纵模输出的潜力。然而，倍频过程会消耗部分基频光功率，直接影响拉曼激光的转换效率。目前，该技术缺乏完备的定量设计模型，倍频效率等参数的选择多依赖于实验经验。

此外，腔内高度振荡的拉曼光，容易产生寄生非线性效应，尤其是SBS，是高功率单纵模运行的主要威胁。高功率密度下易激发的SBS，会掠夺SRS过程的能量，并削弱各纵模间的增益差异，从而诱发多纵模振荡，破坏单频特性。且寄生SBS波长通常与SRS光相近，常规的分光手段无法将其分离。目前主要的抑制策略是从谐振腔设计入手，借助于已有的理论模型，通过优化谐振腔参数提高SBS的振荡阈值，或是改变SBS光场的空间横模模式，并进行空间滤波。

2、光纤单频拉曼激光技术

实现光纤单频拉曼激光输出的核心在于有效抑制非线性效应，尤其是光谱展宽。由于光纤拉曼增益系数较低，为获得高功率常需数十米长的增益光纤，这导致非线性效应（特别是SBS）严重累积。SBS不仅展宽光谱，其后向传输特性还可能损伤器件，因此抑制SBS是实现单频输出的关键。

光纤布拉格光栅（FBG）是一种基础的光纤光学元件，其反射特性可构成分布布拉格反射（DBR）光纤激光器，机制类似F-P腔。但DBR结构以整段光纤为腔，单频输出优势不明显。与之不同，分布反馈（DFB）光纤激光器是在纤芯内直接写入周期性折射率调制的光栅，形成分布反馈。尤其在光栅中心引入π相移，能在反射阻带中打开一个极窄的透射通道，使其成为超窄带通滤波器，显著提升单频滤波性能。结合π相移光栅的DFB结构简单，易于实现单纵模运转，但该光栅制作技术难度高，且需匹配特定的稀土掺杂光纤。

反向泵浦是光纤单频拉曼激光中抑制非线性效应与噪声的常用技术。其核心在于使泵浦光与信号光在增益光纤中反向传输。这种结构能快速平均泵浦噪声，降低信号光承载的噪声；同时，信号光从弱泵浦端入射，在传输中逐渐增强，遇到的泵浦光也同步增强，避免过早产生SBS。此外，反向传输不满足多种非线性效应（如四波混频）的相位匹配条件，有利于抑制线宽展宽。对于脉冲运转，其“走离效应”能等效拓宽泵浦线宽，显著提高SBS阈值。尽管反向泵浦结构简单、效果显著，但也存在泵浦端热负荷集中、对无源器件性能要求高、以及脉冲运转下转换效率通常低于正向泵浦等缺点。

对SBS增益进行调制是另一重要手段。通过对光纤施加应变、改变温度或使用声子场定制光纤（图3），可以扩展SBS的增益带宽，从而提高其激发阈值。应变和温控方法需引入额外系统，增加了复杂度。而声子场定制光纤通过设计光纤的声学特性来抑制SBS，无需外部控制，稳定性高，但其设计涉及复杂的光-声多物理场耦合仿真，制备工艺门槛高。

图3（a）通过光纤应变展宽布里渊线宽的原理示意图；（b）光纤温度控制装置简图，右为理想温度控制曲线；（c）声子场定制光纤示意图，中心和边缘区域采用了具有不同声速的材料

采用高质量的单频种子源是控制线宽和噪声的根基。在放大器中，输出光的频谱和噪声特性主要继承自种子源。一个纯净的单频种子能为整个放大链提供“干净的起点”，有效抑制噪声传递和线宽展宽。种子源通常需与其他抑制SBS的技术协同使用。在线宽要求不极端严格的场景中，也可对种子光进行适度的相位调制以展宽光谱，从而降低SBS增益，提升系统阈值。

3、气体单频拉曼激光技术

气体拉曼激光器因其增益介质气体分子间距大，在低压条件下的分子碰撞频率较低，碰撞展宽效应不明显，天然具备窄增益线宽优势，有利于实现单频输出。然而，气体拉曼的增益系数普遍较低。虽然通过提高气压可增加增益，但同时也会加剧碰撞展宽，且气体存在多条振动-转动拉曼谱线。因此，核心挑战是如何在维持窄增益线宽的前提下有效提升拉曼增益，并选择性振荡目标谱线。主要解决方案包括高精细腔（HFC）和空芯光纤（HCF）两类。

HFC是早期主流方案，通过构建高Q值谐振腔并结合锁腔技术，最大化拉曼增益并将泵浦光锁定于单纵模，实现窄线宽输出。但该系统复杂、调试难、稳定性欠佳，且受限于低增益与短作用长度，需极高腔内功率以达到阈值，这又受腔镜损伤阈值制约，导致其输出功率普遍较低。

空芯光纤技术（图4）提供了新思路。它将光限制在微米级空芯中长距离传输，极大增强了光与气体的作用强度与长度，有效克服了气体增益低的短板；其可调传输窗口还能抑制非目标谱线，提升转换效率。结合窄线宽泵浦或种子注入技术，易于实现高性能单频输出。相较于高精细腔，它具有结构紧凑、稳定性高、功率潜力大等优势。然而，该技术仍面临挑战；例如，空间光耦合效率与稳定性、实芯与空芯光纤的低损耗熔接、以及气体密封的长期稳定性等问题，都是走向实用化必须攻克的工程难题。

图4 典型的种子注入的光纤气体拉曼激光器。（a）激光器装置图；（b）空芯光纤截面图

线宽是单频激光技术的核心指标，更窄的线宽可拓展激光在精密测量、光谱学等领域的应用潜力。拉曼激光器凭借其独特的波长拓展与线宽压缩能力，有望在目标波段实现极致窄线宽输出。追求极限线宽需要系统控制各类噪声，包括直接导致展宽的相位/频率噪声，以及可通过非线性效应间接展宽线宽的相对强度噪声。因此，对各类激光噪声进行系统表征与有效控制，是进一步压缩线宽的必经之路。

在单频拉曼激光技术中，技术路径的跨平台借鉴是重要趋势。例如固体拉曼中的非线性自抑制技术，其原理具有通用性。融合不同体系（如气体、光纤）的优势技术，可有效提升整体性能。当前备受关注的全光纤气体拉曼技术，正是通过结合光纤成熟的单频方案与气体介质的窄增益特性，展现出巨大潜力。此外，传统激光器中的某些单频技术思路，也值得借鉴。

为优化单频输出性能，多数拉曼激光系统采用多种技术协同工作。例如，反向泵浦与种子注入的组合在光纤拉曼中已广泛应用。然而，技术组合在提升性能的同时，也会增加系统复杂性与不稳定性风险。因此，如何在保证单频输出指标的前提下，合理配置技术方案，平衡性能提升与系统稳健性，是未来研究的重要方向。

参考文献： 中国光学期刊网

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