《突破 | 长春光机所在量子精密测量用窄线宽半导体激光器方面取得新进展》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2023-12-25
  • 量子精密测量是利用光与原子相互作用的量子效应和技术,突破标准量子极限,以实现测量精度、灵敏度和稳定性全面超越经典测量手段的方法。这一颠覆性技术的关键是实现原子精细能级跃迁和量子态探测的窄线宽激光器。此外,激光器的高偏振特性也是提升激光稳频系统和量子干涉系统性能,制约测量准确度和分辨率的决定因素。因此,兼具窄线宽和线偏振的窄线宽半导体激光器在量子精密测量领域备受关注,其中,用于Cs原子里德堡态制备的852nm窄线宽激光器是典型代表。

    中国科学院长春光学精密机械与物理研究所大功率半导体激光器研究团队在王立军院士、宁永强研究员的领导下,近年来开展了先进窄线宽半导体激光器及关键技术攻关。近日,该团队陈超副研究员报道了一种基于外部光反馈结构的852nm窄线宽、线偏振半导体激光器。激光器结构通过引入飞秒激光诱导的双折射Bragg光栅滤波器,并与高偏振相关性半导体增益芯片混合集成,利用偏振模式选择性反馈和注入锁定技术,实现了超过30dB偏振消光比和低至2.58kHz的高线偏振、窄线宽激光输出。该激光器可作为量子精密测量系统的潜在原子泵浦光源,并且基于前期在抗辐射、窄线宽激光器方面的研究基础,亦有希望用于空间环境中星载和箭载的冷原子量子实验系统。

    图(a)激光器的激射光谱特性,(b)偏振消光比随注入电流的变化特性(插图为激光经不同波片旋转角度测量的激光功率),(c)延时自外差测量激光线宽的拍频功率谱及其拟合曲线,(d)洛伦兹线宽数值仿真与测试结果

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    • 近期,中国科学院上海光学精密机械研究所激光智能制造技术研发中心杨上陆研究员团队在高温熔盐用新型结构材料激光焊接方面取得新进展。研究团队首次采用高功率激光器,实现了镍基高温合金的无缺陷焊接成形,并对焊接接头显微组织及力学性能进行了系统评价。 GH3539合金是我国自主研发的新型高温镍基合金,具有优异的高温机械和抗腐蚀性能,适用于超高温(≥850℃)熔盐环境。然而,较高的合金化导致该合金具有较高的焊接裂纹敏感性。为实现合金结构部件的高效高质激光焊接,团队利用光纤激光焊接技术,研究了不同焊接工艺参量对3mm板厚GH3539 合金焊接成形的影响,通过工艺优化抑制了焊接裂纹、气孔等缺陷的生成,首次实现GH3539 合金无缺陷焊接成形,在此基础上对焊接接头的显微组织和常温/高温力学性能进行了系统评价;并分析了激光焊接接头的拉伸断裂行为,阐明了合金激光焊接接头断裂模式。该工作为推动GH3539镍基高温合金激光焊接技术发展和合金的应用奠定了基础。 图 1:(a) GH3539激光焊接接头焊接截面;(b) GH3539合金微观组织;(c) GH3539合金激光焊接接头XRD结果;(d) GH3539合金激光焊接接头硬度分布; (e) 不同温度下母材及焊接接头的工程应力-应变曲线;(f) 不同温度下母材及焊接接头的平均延伸率
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    • 编译者:husisi
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    • 窄线宽激光具备极高的频谱密度、极低的相对强度噪声和相位噪声以及超长的相干长度,在冷原子干涉测量、光学原子钟、相干激光通信、相干激光雷达、高精度光纤传感和精密光谱等诸多前沿科学研究领域发挥着十分重要的作用。根据频率选择结构分布在有源腔内外的不同,一般将窄线宽半导体激光器分为内腔反馈型和外腔反馈型激光器。当前,外腔窄线宽半导体激光器商业化应用具备举足轻重的地位。 近期,华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心的研究团队以“外腔窄线宽半导体激光器研究进展”为主题进行了综述研究,重点介绍了当前具备代表性的四类外腔型窄线宽半导体激光器的基本结构、关键技术、性能特点以及国际发展现状。相关研究内容发表在《光学与光电技术》期刊。 闪耀光栅型 采用闪耀光栅(Blazed Grating)作为选频光学反馈器件,很早就已被应用在基于Littrow和Littman结构的外腔激光器中,目前已经成为经典外腔半导体激光器之一。其谐振腔通常由半导体激光增益芯片(Gain Chip)、光学准直透镜或反射镜和闪耀光栅等光学元件组成。2020年,澳大利亚引力波天体物理中心D. P. Kapasi等人报道了一种基于增益芯片与衍射光栅组成的Littrow型结构的闪耀光栅外腔窄线宽激光器。中心波长为2 μm,最大输出功率9.3 mW,激光线宽20 kHz@10 ms,通过压电换能器进行调谐,最终实现了120 nm的调谐范围。该类外腔激光器的结构和性能特点比较适合实验室应用场景,能够胜任工作环境友好但对波长调谐范围和光谱分辨率要求较高的领域,如光谱检测、非线性光学测试系统、光学原子钟、里德堡原子测量系统等领域。 澳大利亚引力波天体物理中心外腔半导体激光器 体全息光栅型 体全息光栅(Volume Holographic Gratings,VHG)是一种在熔融硅酸盐玻璃中利用紫外全息曝光制作的衍射光栅器件,分为反射式和透射式两种,也可用来实现Littrow和Littman结构的外腔型窄线宽半导体激光器。相对来说,体光栅比闪耀光栅尺寸更小,工作波段可扩展至350~2500 nm,具有高光学损伤阈值以及机械和热稳定性,高温下表现出优异的稳定性,选频温漂系数小,可用来制作微型化高可靠的激光器。2020年,费迪南布劳恩研究所为JOKARUS任务研制了一款微集成窄线宽激光器,该器件采用主振荡光放大(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)技术体制,以ECDL作为种子源级联锥形光放大,在保持较窄激光线宽的同时大幅提升了输出功率。该激光系统中心波长为1064.490 nm,光功率为570 mW,线宽为13 kHz(1 ms),总功耗3.75 W,用于太空探测火箭上工作的碘频基准。 JOKARUS微集成ECDL-MOPA激光器件 在该领域,华中光电技术研究所也研制了14 pin蝶形金属封装体光栅扩展外腔微集成窄线宽半导体激光器。测试激光线宽小于70 kHz,无跳模调谐范围10 GHz,功率大于180 mW,边模抑制比大于60 dB,器件体积30 mm × 12.7 mm × 7.6 mm,该器件具有优异的波长和功率稳定性,且体积小、功耗低、环境适应性优良,其多项指标优于德国Sacher公司窄线宽半导体激光器产品。 华中光电技术研究所微集成窄线宽激光器 光学腔型 晶体光学腔具有较高的品质因子、较小的模式体积和性能稳定等优势,可用作光滤波器,能够实现激光器的锁定和激光线宽的压窄。光学微腔通常分为法布里-珀罗腔、回音壁模式(Whispering-Gallery Mode,WGM)微腔和光子晶体腔。2018年俄罗斯量子研发中心M.L.Gorodetsky等人报道了一种基于MgF2微腔和大功率F-P腔激光器的注入锁定窄线宽激光器以及孤子克尔光梳的产生。将功率为200 mW的F-P腔激光器的出射光注入到水平直5.5 mm,垂直直径500 μm的微腔中,在注入锁定状态得到了370 Hz的窄线宽输出,当进一步调谐激光器的电流进入红失谐状态时,产生了重复频率为12.5 GHz的孤子光频梳。 基于MgF2微腔和大功率F-P腔激光器的注入锁定窄线宽激光器以及孤子克尔光梳的产生系统 平面波导型 平面波导(Planar Light Waveguide Chip,PLC)是光子集成技术的重要应用,为外腔反馈半导体激光器中窄带滤波和光学反馈器件提供了更加多样化和灵活的选择。2021年,加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的W.Jin等人报道了超窄线宽混合集成窄线宽激光器,有源部分为DFB激光器,无源滤波部分为品质因子为2.6×10?的Si3N4微环,采用低限制氮化硅波导结构光传输损耗降至0.1 dB/m,最终实现了3 Hz线宽输出。 外腔结构示意图以及其注入锁定原理 目前,半导体激光器正朝向高功率、窄线宽的方向快速发展,尤其是基于体光栅的外腔半导体激光器可实现100 kHz以下线宽,以及较高的光功率,具备优异的环境适应性,该体制的性能及可靠性也已经在太空探测任务中得到验证;同时腔型结构简单,通过全自动耦合系统可以实现商业化的应用,成本较低,但是线宽难以进一步下降。基于回音壁光学腔窄线宽激光器可实现低于100 Hz的超窄线宽激光,但是需要DFB芯片与透镜、棱镜和回音壁光腔进行光耦合,耦合集成难度极高,批量生产困难,且高品质因子回音壁腔研磨加工工艺要求高,短期内难以摊薄成本。基于混合集成方案的波导光栅器件的制备与传统的微纳工艺兼容,适合以低成本进行大规模商业化制备,这种方案可以与增益芯片耦合集成即可实现高稳定性的单纵模注入锁定效果,线宽与噪声性能也十分优异并且有着很高的集成度,是现阶段商业化制备窄线宽激光器的最佳方案之一。 随着光子集成技术的发展,异质集成对冲击与振动具有较高鲁棒性,对实现低噪声、窄线宽、高紧凑度的半导体激光器有着巨大的吸引力,未来基于晶圆键合的硅基异质集成Ⅲ-Ⅴ族窄线宽半导体激光器必将成为最具发展潜力的方案。