窄線寬激光器在精密傳感、光譜學(xué)和量子科學(xué)等廣泛應(yīng)用中至關(guān)重要。除了光譜寬度外，光譜形狀也是一個重要因素，具體取決于應(yīng)用場景。例如，激光線形兩側(cè)的功率可能會在對量子比特的光學(xué)操控中引入誤差，并影響原子鐘的精度。就激光頻率噪聲而言，由自發(fā)輻射進(jìn)入激光模式產(chǎn)生的傅里葉分量通常高于105 Hz，這些分量決定了線形兩側(cè)的幅度。結(jié)合亨利增強因子這些因素共同定義了量子極限，即Schawlow-Townes（ST）極限，該極限在消除腔振動和長度漂移等技術(shù)噪聲后，確定了可實現(xiàn)的有效線寬下限。

       因此，最小化量子噪聲是窄線寬激光器設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實際中，通過調(diào)整ST極限的關(guān)鍵因素——激光功率、使用高Q因子腔體以及選擇場幅值與折射率耦合較低（低亨利因子）的增益介質(zhì)——來實現(xiàn)所需的線寬。鈦藍(lán)寶石激光器、光纖激光器和外腔半導(dǎo)體激光器等激光器是實現(xiàn)許多最苛刻的相干激光應(yīng)用所需的赫茲級線寬的典型例子。然而，設(shè)計同時滿足給定應(yīng)用中線寬、功率和波長要求的激光器仍具挑戰(zhàn)性。

       麥考瑞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，能夠?qū)⒓す馐木€寬縮小超過一萬倍，該研究可能徹底改變量子計算、原子鐘和引力波探測領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以“Linewidth narrowing in Raman lasers”為題發(fā)表于APL Photonics。

       研究人員使用具有優(yōu)異熱性能并能提供穩(wěn)定測試環(huán)境的金剛石晶體對該技術(shù)進(jìn)行了測試。他們在一個腔體內(nèi)，使用直徑僅幾毫米的金剛石晶體，測試了一個故意制造的“噪聲”輸入光束，其線寬超過10 MHz。他們的拉曼散射技術(shù)將輸出激光束的線寬壓縮至其檢測系統(tǒng)極限的1 kHz，壓縮因子超過10,000倍。

圖1. 單側(cè)PSD測量結(jié)果顯示，泵種子和斯托克斯在高頻時出現(xiàn)顯著的噪聲窄化現(xiàn)象。

       研究團隊利用受激拉曼散射原理，使激光激發(fā)材料內(nèi)部更高頻的振動，其縮窄線寬的效果比傳統(tǒng)方法高出數(shù)千倍。本質(zhì)而言，相當(dāng)于是提出了一種新的激光光譜凈化技術(shù)，可適用于多種不同類型的輸入激光。這在激光技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了根本性的突破。

       這項新技術(shù)解決了造成激光束純度下降和精度降低的微小隨機光波時序變化問題。在一個理想的激光器中，所有光波都應(yīng)完美同步——但實際情況是，有些光波會略微超前或滯后于其他光波，導(dǎo)致光的相位發(fā)生波動。這些相位波動會在激光光譜中產(chǎn)生“噪聲”——它們模糊了激光的頻率，使其色彩純度降低。

       拉曼技術(shù)的原理是，通過將這些時間不規(guī)則性轉(zhuǎn)化為金剛石晶體中的振動，這些振動會被迅速吸收和耗散（在幾萬億分之一秒內(nèi)）。這使得剩下的光波具有更平滑的振蕩，因此光譜純度更高，并對激光光譜產(chǎn)生顯著的窄化效果。

圖2. (a) 激光系統(tǒng)示意圖，顯示關(guān)鍵組件。WNG：白噪聲發(fā)生器，OC：輸出耦合器，IC：輸入耦合器，EOM：電光調(diào)制器，LBO：鋰三硼酸鹽，λ/2：半波片。 (b) 帶反饋（橙色）和不帶反饋（藍(lán)色）時的斯托克斯頻率漂移。對于帶反饋的情況，已包含壓電電壓以指示漂移補償。

       除了卓越的線寬窄化效果外，研究人員發(fā)現(xiàn)其拉曼技術(shù)相較于傳統(tǒng)布里淵方法具備多重優(yōu)勢，包括實現(xiàn)更小的最小線寬。這些超窄線寬激光器有幾個前沿的應(yīng)用領(lǐng)域：

       量子計算機：操縱作為量子信息基本單位的量子比特（qubits）需要極其精確的激光控制。目前的激光器會引入相位噪聲，導(dǎo)致量子計算中的錯誤。更好的光譜純度將提升量子計算機的可靠性。

       原子鐘：原子鐘是GPS導(dǎo)航的基礎(chǔ)，更高的光譜純度將增強其性能，并可能在未來推動基礎(chǔ)物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)。

       引力波探測：測量時空極其微小扭曲的引力波探測器，通過使用更窄線寬的激光束，可以變得更加靈敏，從而可能探測到來自遙遠(yuǎn)宇宙事件的更微弱信號。