近日，河北工業(yè)大學(xué)呂志偉教授課題組，在金剛石晶體中實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1.2 μm、頻率間隔71 GHz、頻譜寬度1.55 THz的布里淵梳狀頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)態(tài)功率高達(dá)101 W，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了金剛石晶體作為布里淵增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳的可能性。成果以封底文章發(fā)表于《中國(guó)激光》，論文第一作者/通訊作者為白振旭教授。

       光學(xué)頻率梳是由頻域中若干個(gè)等間隔的頻率分量組合而成的光譜，可用于實(shí)現(xiàn)超高分辨率的距離、頻率和時(shí)間的測(cè)量，它的出現(xiàn)推動(dòng)了超精密計(jì)量和光譜學(xué)的革命性發(fā)展。在諸多應(yīng)用領(lǐng)域，不僅需要光學(xué)頻率梳具有等頻率間隔的特點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)其頻率間隔提出了更高的要求，例如，在行星探測(cè)等空間應(yīng)用中，往往需要光頻梳的頻率間隔在20 GHz以上，以滿足對(duì)天文光譜儀的定標(biāo)和分辨率需求。不僅如此，在遠(yuǎn)距離探測(cè)、遙感等領(lǐng)域，還需要光頻梳具有高功率、高光束質(zhì)量和特定波長(zhǎng)輸出的特性，以更好地滿足在特定介質(zhì)中的長(zhǎng)程傳輸和檢測(cè)。因此，開(kāi)展具有符合特性的光學(xué)頻率梳研究，對(duì)拓展其在遙感、空間和海洋探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義，也是當(dāng)前激光技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

       受激布里淵散射（SBS）是一種基于光波場(chǎng)和聲波場(chǎng)互作用增益機(jī)制的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，對(duì)多數(shù)晶體材料的布里淵介質(zhì)，其聲子頻率（>10 GHz）和高的時(shí)間相干特性（~MHz）使獲得低噪聲和窄線寬的激光輸出、以及產(chǎn)生大頻率間隔的光學(xué)頻率梳成為了可能。但是目前關(guān)于布里淵頻率梳的報(bào)道僅限于基于導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的CaF2、二氧化硅、硫系化合物等材料，輸出功率通常僅有百mW量級(jí)。

       針對(duì)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)布里淵光頻梳的技術(shù)瓶頸，河北工業(yè)大學(xué)呂志偉教授課題組率先提出以金剛石晶體作為增益介質(zhì)、拉曼場(chǎng)作為媒介在空間光腔中激發(fā)SBS的方案。金剛石晶體具有高布里淵增益系數(shù)（~80 cm/GW）、極高的熱導(dǎo)率（>2000 W/（m.K））和極寬的光譜透過(guò)范圍（>0.2 μm），因此有望突破傳統(tǒng)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)布里淵頻率梳的功率和光譜極限，大幅度提升布里淵光學(xué)頻率梳的性能。所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，以長(zhǎng)度為8 mm金剛石晶體作為增益介質(zhì)，將泵浦光注入金剛石拉曼腔中，首先激發(fā)出具有較大頻移的拉曼光；然后，通過(guò)腔內(nèi)的拉曼激光作為新的泵浦源，激發(fā)金剛石晶體內(nèi)部的聲波場(chǎng)，產(chǎn)生SBS；最后，隨著泵浦功率提升，在級(jí)聯(lián)SBS和四波混頻的共同作用下，產(chǎn)生若干階次的頻率差為確定關(guān)系的級(jí)聯(lián)Stokes和反Stokes光，進(jìn)而形成梳狀頻率的輸出。

       基于上述原理和裝置，作者利用1 μm激光作為泵浦源，獲得了中心波長(zhǎng)為1.2 μm、梳齒間隔為71 GHz、頻譜寬度為1.55 THz的布里淵頻率梳輸出，穩(wěn)態(tài)功率高達(dá)101 W（圖2）。該功率為已知布里淵頻率梳的最高功率，相較于微腔結(jié)構(gòu)提升了4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由圖2中的插圖可知，輸出激光的光束質(zhì)量相較于泵浦光得到了顯著提升，即該裝置在實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)SBS運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)也發(fā)揮了拉曼和布里淵轉(zhuǎn)換過(guò)程中優(yōu)異的光束凈化特性。

       研究結(jié)果表明，以拉曼場(chǎng)作為媒介在空間光腔中激發(fā)級(jí)聯(lián)SBS的金剛石激光器方案為實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率梳運(yùn)轉(zhuǎn)提供了新的技術(shù)路徑，也為進(jìn)一步突破光學(xué)頻率梳的功率和光譜極限指明了新的方向。

       團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹：

       呂志偉，教授，“長(zhǎng)江學(xué)者”特聘教授，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)激光專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任、中國(guó)電子學(xué)會(huì)工業(yè)工程分會(huì)副主任、國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人和教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。主要研究方向?yàn)楦吖β使腆w激光技術(shù)和非線性光學(xué)效應(yīng)，主持完成國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目、國(guó)家重大科技工程項(xiàng)目、國(guó)家863高技術(shù)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等科研項(xiàng)目50余項(xiàng)。研究工作獲軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、黑龍江省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

第一作者/通訊作者介紹：

       白振旭，教授，博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)先進(jìn)激光技術(shù)研究中心副主任、河北省先進(jìn)激光技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要研究方向?yàn)楦吖β式饎偸す饧夹g(shù)及應(yīng)用，在APL Photon.、Opt. Lett.、Opt. Express等期刊發(fā)表論文70余篇，授權(quán)專(zhuān)利20余項(xiàng)。研究成果榮獲國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)Teddi Laurin獎(jiǎng)、光學(xué)青年科學(xué)家競(jìng)賽Light “Rising Stars of Light”一等獎(jiǎng)、河北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。