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作者：John Wallace

 具有长相干长度的激光器应用广泛，其涉及的领域包括激光雷达、光通信、光学干涉、智能监视以及中红外波段的生物分子传感。要想获得长相干长度所需要的窄光谱线宽，激光器通常复杂且昂贵，尽管采用半导体激光器设计能够在一定程度上降低激光器的复杂程度并缩小体积。目前，美国OEwaves公司开发出了一种结构紧凑的耐用型半导体激光器。该半导体激光器采用回音壁模式（WGM）微腔，将输出线宽稳定在了亚千赫兹量级。

该原型激光二极管输出功率为3mW，其采用标准的蝶形封装和光纤（单模或保偏单模光纤）输出，并且通过共振光学反馈耦合到高Q值回音壁模式微腔中。尽管标准波长包括用于电信领域的C波段和L波段（均位于1550nm波段），但是该产品的设计本身更为灵活，可以在390~2900nm的波长范围内获得窄线宽激光输出。如果采用中红外半导体光源，还可以覆盖更长的波长。

表面Rayleigh背散射

该WGM微腔由氟化钙（CaF₂）材料制成，也可以采用氟化铝（如图）^[1]。分布反馈激光二极管通过棱镜耦合到直径为2mm的微腔中。微腔无负载Q值为2×10⁹，用棱镜耦合时Q值降到1×10⁹。激光器与微腔间的耦合通过微腔中的表面Rayleigh背散射实现，从而获得注入锁定。

图：晶体WGM微腔由CaF₂制成，其无负载Q值为2×10⁹。极高的Q值导致明显的表面Rayleigh背散射，使得微腔能够耦合到分布反馈半导体激光器中，进而将激光线宽降至200Hz以下。

 激光二极管和微腔均安装在热电散热器上，以确保波长稳定性，同时可以获得2nm的热调谐波长范围。耦合将激光二激管的自然线宽减小了10000倍，从而将瞬时线宽降至200Hz以下，长期线宽漂移每天小于10MHz。采用直流耦合，激光器的调制速度在0~20MHz之间；采用交流耦合，调制速度可以达到200MHz~1GHz。OEwaves 公司总裁兼首席执行官Lute Maleki表示，CaF₂晶体环境稳定性好，并且具有良好的热属性和机械属性，使得它对震动不敏感，并且很容易实现热稳定。此外，该激光器的单片设计也使得整个装置对震动不敏感。

在过去的两年中，OEwaves公司制造的这些激光器已经用于公司自产的微波光子学产品中，例如滤波器、振荡器以及接收器。为了让该激光器获得更广泛的应用，OEwaves公司在2011年Photonics West会议上展示了该激光器的原型，并计划在今年6月份推出第一款产品。

Maleki称：“该激光器的重要特征之一在于其填补了该光谱区不存在高相干度、窄线宽激光器这一空白，其中包括1064nm波长范围——尽管激光器线宽可以达到几千赫兹，但它们不能满足传感需求。此外，在2~6μm的其他光谱波段不存在窄线宽激光器。OEwaves研制的这款窄线宽激光器，能够用于多种生化分子传感领域。”

Maleki表示，OEwaves公司的下一个的目标是将现有的激光器构架与高功率半导体激光器以及外放大器相结合，以提供窄线宽、并且功率水平与光纤激光器相当的产品。OEwaves公司还计划开发可见光以及紫外波段的激光器，以为光谱学、原子物理以及该波段的其他新兴应用提供新的光源选择。 

参考文献
1. W. Liang et al., Opt. Lett., 35, 16 (Aug. 15, 2010).