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作者：John Wallace

 具有長相干長度的激光器應(yīng)用廣泛，其涉及的領(lǐng)域包括激光雷達(dá)、光通信、光學(xué)干涉、智能監(jiān)視以及中紅外波段的生物分子傳感。要想獲得長相干長度所需要的窄光譜線寬，激光器通常復(fù)雜且昂貴，盡管采用半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)能夠在一定程度上降低激光器的復(fù)雜程度并縮小體積。目前，美國OEwaves公司開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的耐用型半導(dǎo)體激光器。該半導(dǎo)體激光器采用回音壁模式（WGM）微腔，將輸出線寬穩(wěn)定在了亞千赫茲量級(jí)。

該原型激光二極管輸出功率為3mW，其采用標(biāo)準(zhǔn)的蝶形封裝和光纖（單模或保偏單模光纖）輸出，并且通過共振光學(xué)反饋耦合到高Q值回音壁模式微腔中。盡管標(biāo)準(zhǔn)波長包括用于電信領(lǐng)域的C波段和L波段（均位于1550nm波段），但是該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)本身更為靈活，可以在390~2900nm的波長范圍內(nèi)獲得窄線寬激光輸出。如果采用中紅外半導(dǎo)體光源，還可以覆蓋更長的波長。

表面Rayleigh背散射

該WGM微腔由氟化鈣（CaF₂）材料制成，也可以采用氟化鋁（如圖）^[1]。分布反饋激光二極管通過棱鏡耦合到直徑為2mm的微腔中。微腔無負(fù)載Q值為2×10⁹，用棱鏡耦合時(shí)Q值降到1×10⁹。激光器與微腔間的耦合通過微腔中的表面Rayleigh背散射實(shí)現(xiàn)，從而獲得注入鎖定。

圖：晶體WGM微腔由CaF₂制成，其無負(fù)載Q值為2×10⁹。極高的Q值導(dǎo)致明顯的表面Rayleigh背散射，使得微腔能夠耦合到分布反饋半導(dǎo)體激光器中，進(jìn)而將激光線寬降至200Hz以下。

 激光二極管和微腔均安裝在熱電散熱器上，以確保波長穩(wěn)定性，同時(shí)可以獲得2nm的熱調(diào)諧波長范圍。耦合將激光二激管的自然線寬減小了10000倍，從而將瞬時(shí)線寬降至200Hz以下，長期線寬漂移每天小于10MHz。采用直流耦合，激光器的調(diào)制速度在0~20MHz之間；采用交流耦合，調(diào)制速度可以達(dá)到200MHz~1GHz。OEwaves 公司總裁兼首席執(zhí)行官Lute Maleki表示，CaF₂晶體環(huán)境穩(wěn)定性好，并且具有良好的熱屬性和機(jī)械屬性，使得它對(duì)震動(dòng)不敏感，并且很容易實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定。此外，該激光器的單片設(shè)計(jì)也使得整個(gè)裝置對(duì)震動(dòng)不敏感。

在過去的兩年中，OEwaves公司制造的這些激光器已經(jīng)用于公司自產(chǎn)的微波光子學(xué)產(chǎn)品中，例如濾波器、振蕩器以及接收器。為了讓該激光器獲得更廣泛的應(yīng)用，OEwaves公司在2011年P(guān)hotonics West會(huì)議上展示了該激光器的原型，并計(jì)劃在今年6月份推出第一款產(chǎn)品。

Maleki稱：“該激光器的重要特征之一在于其填補(bǔ)了該光譜區(qū)不存在高相干度、窄線寬激光器這一空白，其中包括1064nm波長范圍——盡管激光器線寬可以達(dá)到幾千赫茲，但它們不能滿足傳感需求。此外，在2~6μm的其他光譜波段不存在窄線寬激光器。OEwaves研制的這款窄線寬激光器，能夠用于多種生化分子傳感領(lǐng)域。”

Maleki表示，OEwaves公司的下一個(gè)的目標(biāo)是將現(xiàn)有的激光器構(gòu)架與高功率半導(dǎo)體激光器以及外放大器相結(jié)合，以提供窄線寬、并且功率水平與光纖激光器相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。OEwaves公司還計(jì)劃開發(fā)可見光以及紫外波段的激光器，以為光譜學(xué)、原子物理以及該波段的其他新興應(yīng)用提供新的光源選擇。 

參考文獻(xiàn)
1. W. Liang et al., Opt. Lett., 35, 16 (Aug. 15, 2010).