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来源：Carbontech收集编辑：李牧野
窄线宽（单纵模）激光器具有的高相干性的特点，被广泛应用于精密测量、原子冷却等领域。例如精密测量领域中需要激光器频率锁定在某一特定参考频率，原子冷却应用中需要激光器在某一特定频率稳定运行从而捕获及冷却原子。因此，此类应用需要激光器光源具有较窄的输出线宽与特定的输出波长，以精准匹配被测物体的特征谱线。此外，在诸如钠导星等应用中，不仅需要单频激光器具有较窄的线宽与精确匹配的波长（以对准钠原子的D2a的吸收谱线589.1591 nm），还需要足够高的输出功率。总之，高输出功率、窄光谱线宽、输出波长灵活的连续波激光器正受到越来越多的关注。受激拉曼散射（SRS）效应，是一种三阶非线性光学效应。基于SRS的拉曼激光器具有诸如输出波长灵活、空间光束质量高、自相位匹配等优秀特性。除此之外，与粒子数反转激光器相比，拉曼激光器不仅没有空间烧孔效应，反而具有空间共振增强效应，这种空间共振增强效应使得拉曼激光器在驻波腔中具有单纵模输出优势，谐振腔设计相比粒子数反转激光器更为简单可靠。金刚石作为一种热学性能优秀的晶体，可用作拉曼增益介质，且其拉曼增益系数大（增益系数10 cm/GW@1 μm）、拉曼频移量大（1332.3 cm-1）、增益线宽窄（1.5 cm-1）、透射窗口宽（从230 nm到100 μm）。换句话说，金刚石拉曼激光器，十分适合用作高功率窄线宽激光光源。图1驻波腔中的驻波场对粒子数反转激光器的反转粒子数与拉曼激光器的声子场振幅的作用示意图从近年研究进展来看，金刚石拉曼激光器，在单纵模激光输出领域，得到的功率普遍不高。在采用H-C锁腔的条件下，得到的单纵模输出功率仅4.5 W（维持两分钟）；若使用二阶非线性晶体LBO，通过二阶非线性晶体产生多纵模抑制效应，目前也只有最高20 W的单纵模输出。从原理上讲，金刚石拉曼激光器理应可以得到高功率窄线宽输出，但实际得到的单纵模输出功率目前都不高。因此，应该有不明机制作用其中，干扰金刚石拉曼激光器的单纵模输出稳定性。在半年前的一次金刚石拉曼激光器的实验中，我们观察到输出光在功率计表面有复杂花纹闪烁。经过CCD的观察与光谱测量，我们认为产生了以SRS为泵浦源驱动的SBS振荡（称之为SBS寄生振荡），并且SBS光斑呈现复杂的高阶横模分布。因为SBS和SRS波长十分接近（约0.36 nm），实验室当时并没有滤波手段能分开二者。所以采用间接的方法进行了验证：通过光阑遮挡高阶横模部分，SBS消失，这样判断出SBS以高阶横模进行输出。图2拉曼激光器输出光的光谱图，左边(a)打开了腔内光阑，右边(b)闭合了腔内光阑，插图为CCD得到的输出光光斑形貌高阶横模SBS的产生出乎我们的意料之外。虽然在金刚石中，SBS的增益系数比SRS增益系数还高，但现有理论认为，谐振腔内的SBS要形成振荡是很困难的事情。SBS的增益线宽大约几十个MHz，只有谐振腔的自由光谱范围（几百个MHz到1GHz不等）的几十分之一。因此，同时满足SRS和SBS两个光场的谐振区间很小。举个例子，在谐振腔的双谐振的腔长周期为1.8 mm时，谐振窗口仅为60 μm。而我们在实验中前后移动谐振腔长，在1.5 mm的区间内都观察到了SBS寄生振荡产生的复杂光斑。究其原因，现有的理论模型，是建立在SBS以基横模方式振荡为前提。毕竟通常来说，基横模获得增益最大，这个假设合情合理。实验结果和理论模型的不匹配，意味着这个理论模型需要考虑SBS的空间分布，也就是说，SBS需要假设为TEMmn模式，而后建立一个描述SBS光场分布与增益大小，随着谐振腔的ABCD矩阵相关联的模型，来告诉我们，在给定的泵浦功率和谐振腔参数下，哪些模式可以振荡起来，哪些模式不行。通过模型进行数值仿真，我们就可以得到一张横轴为腔长，纵轴为SBS增益的图。这张图最大的作用，就是帮我们预测所生成SBS寄生振荡的空间模式，以及如何抑制SBS寄生振荡。我们先对最简单的双镜线性谐振腔进行分析。通常的双镜线性谐振腔是两个平凹镜组成。图3是得到的腔长-增益图。呈现出很整齐的状态。这是因为双镜线性谐振腔的子午面和弧矢面有相同的ABCD矩阵，因此X方向与Y方向的Gouy相移是一样的，换言之，X方向与Y方向具有对称性。这样一来，TEMmn模式中，只要g=m+n相同，那么它对应的谐振位置就是一样的。除此之外，在图中右下角有个SBS增益非常小的区域，对应谐振腔稳区靠近1的条件，我们称之为SBS增益暗区。通常来说，双镜线性谐振腔会主动往稳区极限设计，以得到较小的腰斑尺寸，这样在晶体内部就有更大的光强，非线性效应的效率可以得到提升。因此，如果合理设计双镜线性谐振腔，是有可能抑制SBS寄生振荡，实现自由运转的高功率单纵模拉曼激光器的。另外一种常用谐振腔就是多镜谐振腔，比如说三镜V型谐振腔，三个镜子呈V型摆放。其优势在于，它多出了一条臂，提供了光学元件的插入空间。 这种腔型得到的腔长-增益图就略有些复杂，如图5所示 相比之下，V腔的一个特点就是M1镜子是呈一定角度放置的，这使得ABCD矩阵在子午面和弧矢面表达式不同， X-Y轴对称性被破坏，因此横模模式没法简并。结果就是，相比双镜线性腔，模式分布铺得更开了。同样的原因，V腔没法做到子午面和弧矢面的ABCD矩阵都靠近稳区极限，因此很难找到SBS暗区。对于V腔SBS寄生振荡的抑制，我们可以采用另外一种思路，将谐振腔设置在使高阶模式充分谐振的区域，而后用光阑或者小孔进行空间滤波，也就是对SBS施加损耗。图2反映了空间滤波方法的可行性。除此之外，还有一种比较直接的方法抑制SBS寄生振荡。由于布里渊频移量小于LBO晶体的可接收带宽，因此可以通过LBO晶体产生的二阶非线性效应带来的多纵模自抑制作用，抑制SBS寄生振荡。简单来说，二阶非线性的介入，会给基频光带来二阶非线性损耗，而主振荡模式和其他模式之间由于强度差别，二阶非线性损耗不同，其他模式的二阶非线性损耗是主振荡模式的近两倍。这种抑制方法可有效抑制处于晶体可接收带宽内的多纵模。因此，这种方法不需要考虑SBS的横模阶次，也不需要用理论去计算。如图6所示，通过调节LBO的温度，引入了不同程度的二阶非线性效应，我们在功率曲线中找到了一条分界线（蓝色所示），以此分界线为准，加大非线性损耗，输出拉曼光呈单纵模，减小非线性损耗，输出拉曼光呈多纵模。这种方法的缺点在于，SBS随着功率的提升会快速增加，需要越来越多的二阶非线性效应对SBS进行压制，因此激光器的输出效率将受到影响。图5 (a)斯托克斯在不同LBO温度下的功率输入输出曲线，黑色虚线为不插入LBO时斯托克斯光的功率曲线，红色为LBO处于最佳相位匹配时，斯托克斯光的功率曲线，蓝色代表当控制LBO产生最少的二阶非线性效应，并且保证输出光为单纵模时，斯托克斯光的功率曲线。绿色代表LBO最大失谐时，斯托克斯光的功率曲线。(b)和(c)分别为图(a)中A点和B点的扫描F-P谱本文的结果发表在《Optics Express》2023年31卷第五期：Muye Li, Xuezong Yang,
Yuxiang Sun, Huawei Jiang, Richard P. Mildren, Ondrej Kitzler, David J. Spence,
and Yan Feng, "Secondary Raman and Brillouin mode suppression in two- and three-mirror-cavity
diamond Raman lasers," Opt. Express 31, 8622-8631 (2023)