John Wallace

线宽在千赫兹范围内的激光器在光谱和计量（例如长度和频率标定）领域具有十分重要的应用。德国马克斯普朗克研究所的研究人员发明出了一种线宽只有13kHz、结构简单紧凑的激光器，^[1]该款激光器以小回音壁模式（WGM）谐振腔为基础，其材料是氟化钙（CaF₂）晶体。当CaF₂晶体形成一个碟片时，WGM具有很高的Q值（Q值是衡量谐振腔损耗的参数，高Q值意味着较小的损耗）。

该款激光器由一个光纤环和其他插入该光纤环的光学元件组成（如图）。半导体光放大器（SOA）提供激光增益，其输出宽带发射光谱的吸收峰在1560nm附近。SOA位于两个偏振控制器之间，光隔离器可确保激光单向产生。光纤耦合器将1％的循环功率通过光纤耦合输出。

图：上图为输出线宽为13kHz的激光器示意图；下图显示了用“三角帽”混频方法测量激光器的线宽。

谐振腔

该激光器的核心是WGM谐振腔和耦合棱镜。研究人员首先将直径为5mm的光学谐振腔定制抛光。激光通过两个棱镜耦合进入和离开该谐振腔。两个棱镜放置在靠近（但不接触）谐振腔的两端，控制少量光从一个棱镜耦合进入谐振腔，然后从谐振腔耦合出后进入另外一个棱镜。激光通过梯度折射率（GRIN）透镜耦合进入棱镜，同时激光从棱镜耦合出后通过梯度折射率透镜进入耦合器。控制棱镜的排列可以控制激光器单模运行，由于激光模式竞争效应，激光器自动选择输出波长在1560nm附近的模式。

谐振腔的无源线宽为15MHz（无源线宽只是谐振腔的特征参数，而不是激光的实际线宽），Q值高达10⁷。该谐振腔安装在一个热电冷却器上控制其温度。当SOA的泵浦电流为600mA时，激光器的输出功率为10μW。

三角帽方法

研究人员选择两种不同的方法测量激光线宽。首先，他们采用一种称为“三角帽”的测量方法。在该方法中，三个不同的光源相互拍频，产生三个线宽。除了氟化钙谐振腔激光器外，还有输出波长为1550nm、线宽为100kHz的二极管激光器和定制的光栅稳定的激光器。这三个激光器的输出相互拍频。Allen-方差分析表明，氟化钙谐振腔激光器在10μs时稳定性达到最高值，同时相位白噪声在更短时间内较高，随机频率离走在较长的时间尺度增加。研究结果表明在10μs时，激光线宽为2kHz。

第二种测量方法采用延迟线的自拍频外差探测确定长期线宽。激光通过声光调制器后分成两部分，其中一部分光频移100MHz后通过45km的光纤延时线。随后两部分光自拍频后测得线宽为18kHz，其内在高斯线宽为13kHz。

研究人员计划采用具有更高Q值的谐振腔进一步将线宽减少到几百赫兹。采用掺铒光纤激光器代替SOA，可以使输出波长变为1530nm。

参考文献

1. B. Sprenger et al., Opt. Lett., 35, 17, 2870 (Sept. 1, 2010).