John Wallace

線寬在千赫茲范圍內(nèi)的激光器在光譜和計(jì)量（例如長(zhǎng)度和頻率標(biāo)定）領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用。德國(guó)馬克斯普朗克研究所的研究人員發(fā)明出了一種線寬只有13kHz、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的激光器，^[1]該款激光器以小回音壁模式（WGM）諧振腔為基礎(chǔ)，其材料是氟化鈣（CaF₂）晶體。當(dāng)CaF₂晶體形成一個(gè)碟片時(shí)，WGM具有很高的Q值（Q值是衡量諧振腔損耗的參數(shù)，高Q值意味著較小的損耗）。

該款激光器由一個(gè)光纖環(huán)和其他插入該光纖環(huán)的光學(xué)元件組成（如圖）。半導(dǎo)體光放大器（SOA）提供激光增益，其輸出寬帶發(fā)射光譜的吸收峰在1560nm附近。SOA位于兩個(gè)偏振控制器之間，光隔離器可確保激光單向產(chǎn)生。光纖耦合器將1％的循環(huán)功率通過光纖耦合輸出。

圖：上圖為輸出線寬為13kHz的激光器示意圖；下圖顯示了用“三角帽”混頻方法測(cè)量激光器的線寬。

諧振腔

該激光器的核心是WGM諧振腔和耦合棱鏡。研究人員首先將直徑為5mm的光學(xué)諧振腔定制拋光。激光通過兩個(gè)棱鏡耦合進(jìn)入和離開該諧振腔。兩個(gè)棱鏡放置在靠近（但不接觸）諧振腔的兩端，控制少量光從一個(gè)棱鏡耦合進(jìn)入諧振腔，然后從諧振腔耦合出后進(jìn)入另外一個(gè)棱鏡。激光通過梯度折射率（GRIN）透鏡耦合進(jìn)入棱鏡，同時(shí)激光從棱鏡耦合出后通過梯度折射率透鏡進(jìn)入耦合器。控制棱鏡的排列可以控制激光器單模運(yùn)行，由于激光模式競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，激光器自動(dòng)選擇輸出波長(zhǎng)在1560nm附近的模式。

諧振腔的無源線寬為15MHz（無源線寬只是諧振腔的特征參數(shù)，而不是激光的實(shí)際線寬），Q值高達(dá)10⁷。該諧振腔安裝在一個(gè)熱電冷卻器上控制其溫度。當(dāng)SOA的泵浦電流為600mA時(shí)，激光器的輸出功率為10μW。

三角帽方法

研究人員選擇兩種不同的方法測(cè)量激光線寬。首先，他們采用一種稱為“三角帽”的測(cè)量方法。在該方法中，三個(gè)不同的光源相互拍頻，產(chǎn)生三個(gè)線寬。除了氟化鈣諧振腔激光器外，還有輸出波長(zhǎng)為1550nm、線寬為100kHz的二極管激光器和定制的光柵穩(wěn)定的激光器。這三個(gè)激光器的輸出相互拍頻。Allen-方差分析表明，氟化鈣諧振腔激光器在10μs時(shí)穩(wěn)定性達(dá)到最高值，同時(shí)相位白噪聲在更短時(shí)間內(nèi)較高，隨機(jī)頻率離走在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度增加。研究結(jié)果表明在10μs時(shí)，激光線寬為2kHz。

第二種測(cè)量方法采用延遲線的自拍頻外差探測(cè)確定長(zhǎng)期線寬。激光通過聲光調(diào)制器后分成兩部分，其中一部分光頻移100MHz后通過45km的光纖延時(shí)線。隨后兩部分光自拍頻后測(cè)得線寬為18kHz，其內(nèi)在高斯線寬為13kHz。

研究人員計(jì)劃采用具有更高Q值的諧振腔進(jìn)一步將線寬減少到幾百赫茲。采用摻鉺光纖激光器代替SOA，可以使輸出波長(zhǎng)變?yōu)?/font>1530nm。