[01922539]用于光频标和量子传感的自注入锁定窄线宽FP外腔倍频可见光半导体激光源

适宜转化地区/区域：全国

成果简介：

单频超窄线宽可见光及近可见光连续波(CW)半导体激光源是光学频率标准、量子传感器、量子计算机等应用领域的核心光学器件。然而常用于产生单频窄线宽可见及近可见光的固体和光纤激光器存在功耗高、体积大、制造和维护成本高的劣势，无法满足超越实验室环境的便携式小型化需求。与之相比，外腔窄线宽半导体激光器十分有利于减小功耗、体积和成本。利用高品质因子(Q)外腔提供的光反馈已能在近红外波段获得亚Hz线宽，但是由于缺乏可单频运转的半导体激光源而难以直接用于压窄可见光线宽。外腔谐振倍频(SHG)技术可将单频窄线宽的近红外激光转换至可见光及近可见光波段，且倍频过程中光子能量转换的本质决定了倍频光频率的本征线宽必不超过泵浦光本征线宽的4倍。为保证倍频激光的超窄线宽特性，一般需依靠参考外腔给出的电反馈信号来锁定基频泵浦光频率，但这将附加结构和控制皆较复杂的电反馈系统，阻碍了小型化。与之相比，基于分布式反馈(DFB)半导体激光器的自注入锁定(SIL)技术可仅靠高Q外腔的光反馈来压窄线宽，无需任何电反馈和主动锁定控制链路，利于小型化。且DFB激光频率能被精确控制，可实现无跳模的大范围频率调谐。中国科学院苏州纳米所科研团队首次提出并验证了将DFB激光自注入锁定(SIL)技术与高Q法布里-珀罗(FP)微腔谐振倍频(SHG)技术相结合的创新方案，利用简洁的高Q值FP外腔同时实现谐振增强倍频和提供SIL激光反馈。其技术优势在于：（1）基于FP倍频微腔的SIL光反馈方案避免了复杂的传统电反馈装置，可实现系统小型化；（2）FP微腔可取得更高Q值，外腔SIL线宽反比于Q平方，激光线宽相比于片上微环腔有数量级上的压窄，高Q也利于通过泵浦光谐振增强以提高CW倍频效率；（3）FP腔内模场尺寸更大，在增加Q值和泵浦光功率时不必担心出现波导腔内常见的热致非线性效应，保持单频的SIL-SHG可见光CW功率相比微环波导腔可提高一个数量级；（4）可用倍频晶体种类多，波长选择范围大，拥有实现倍频激光连续调频的潜力。当前利用Q>10^7的约1cm腔长FP倍频微腔，获得了兼备100Hz量级本征线宽和超20%倍频效率的单频SIL-SHG可见激光输出，其CW功率高于20mW，小型化样机的总封装体积小于20mL。本成果有效解决了可见光及近可见光波段CW半导体激光源同时实现超窄线宽、高转换效率和小型化的难题，有望实现超窄线宽可见及近可见CW激光应用走向外场便携式部署，主要有两大应用领域。（1）便携式光学频率标准：单频超窄线宽的可见及近可见CW激光可用于直接冷却各种原子和离子光钟，也可用于饱和吸收稳频和参考频率校准；小型化激光源有助于缩小光频标系统的整体尺寸，实现广泛外场部署的便携式应用；这样的便携式光频标能够在各种小型移动设备间构建起时基通信光钟网络，从而提供高精度的导航、定位和授时服务。（2）量子传感与量子计算：单频超窄线宽的可见及近可见CW激光可用于各种冷原子和离子系统的光阱捕获和量子态检测，以及连续冷却期间的再泵浦；能够实现相干冷原子团、离子基量子比特、量子简并费米子气体和分子玻色爱因斯坦凝聚态的全光学制备；小型化激光源同样有助于缩小量子传感器和量子计算机的整体尺寸，从而推动量子传感与量子计算技术走向实验室环境以外的产业化和实用化发展。