超10000倍！拉曼激光器的线宽变窄

近日，悉尼麦考瑞大学MQ光子学研究中心的研究团队在激光技术领域取得重大突破，开发出一种基于金刚石拉曼散射的新型线宽压缩技术，在1 MHz以上偏移频率处实现了超过1.6万倍的频率噪声压缩，最终获得1.0±0.1 kHz的洛伦兹线宽。该成果发表在APL Photonics期刊上，为量子计算、原子钟和引力波探测等前沿领域提供了更强大的工具。

技术原理

激光线宽是衡量激光频率稳定性和单色性的关键指标。，线宽越窄，激光的单色性越好。传统激光器受到量子噪声限制，其线宽下限由Schawlow-Townes公式决定。在理想情况下，激光的所有光波应完全同步，但实际应用中，光波的相位波动会产生频率“噪声”，导致光谱不够纯净。

研究团队巧妙地利用了金刚石晶体中的受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）效应。在此过程中，入射激光会激发金刚石晶体内部产生高频振动，散射出的光则源自于这些振动。该技术的核心在于，激光束中的相位不规则性（相位噪声）会被有效地转移到金刚石晶格振动上，并被晶体在万亿分之几秒的极短时间内迅速吸收和耗散。结果是，输出的激光光波振荡变得更加平滑，光谱纯净度大幅提高，线宽显著变窄。

创新之处

目前，科学家通常使用布里渊激光来压缩激光线宽，其原理是利用声波与光的相互作用来抑制噪声。然而，布里渊方法存在明显局限性，只能达到数十至数千倍的压缩效果。通过受激拉曼散射技术，输出激光束的线宽被压缩到其探测系统极限的1kHz以下，实现了超过10,000倍的压缩因子。 计算机模拟预测，优化当前设计后可实现超过一千万倍（10,000,000倍）的线宽压缩。

应用前景

该技术不仅在压缩幅度上实现了数量级的飞跃，还具有比布里渊方法更多的潜在优势，包括有望达到更小的最小线宽极限。这种超窄线宽激光器对量子计算与量子信息、原子钟与精密导航、引力波探测与天体物理以及高分辨率光谱学等多个前沿领域具有变革性意义。

尽管实验已证明该技术的巨大潜力，但研究团队表示仍面临挑战：测量精度限制导致实际观测的噪声压缩倍数低于理论预测值；低频噪声问题使得在50 kHz以下偏移频率处噪声快速增加，积分线宽仍较宽；系统稳定性挑战突出，小腔体自由光谱范围相对于拉曼增益带宽较小，需要复杂的振动隔离和温度控制系统，反馈带宽也受到限制。

“目前，我们的工作主要专注于通过检查瞬时激光线宽来验证概念”，论文第一作者、麦考瑞大学数学与物理科学学院和MQ光子学研究中心的里奇·米尔登斯（Rich Mildren）教授说，“下一步将涉及改进先进腔体设计和主动稳定系统，以解决随时间推移而使线宽变宽的振动和漂移问题。”

原文链接：

Linewidth narrowing in Raman lasers | APL Photonics | AIP Publishing​

pubs.aip.org/aip/app/article/10/7/076107/3352402/Linewidth-narrowing-in-Raman-lasers