【资讯】重庆大学：分布弱反馈超窄线宽可调谐激光器

2026-08-03 18:12:04

当前，单频激光正朝着超窄线宽、超低噪声、高功率、宽调谐、特殊波长等方向快速发展，是激光领域的研究前沿和热点。为进一步提高我国单频激光技术领域的研究水平和应用效能，《中国激光》特邀彭堃墀院士领衔，于2026年第11期出版“单频激光技术”专题（点击查看专题网站）。

自激光器诞生以来，人类对完美之光的追求从未停止。所谓完美，在不同时代有着不同的内涵。起初是高亮度，而后是方向性，再后来是相干性，即光波在时间和空间上的高度一致性。相干性越好，光的单色性就越纯粹，其频率就越接近单一完美的正弦波。

然而，通往极致相干性的道路始终存在一个根本性的障碍——自发辐射噪声。在传统的激光器中，增益介质中的粒子在受激辐射的同时，不可避免地伴随着自发辐射。这种自发辐射如同音乐中的背景杂音，随机、无序，从根本上限制了激光的线宽和频率稳定性。理论上，激光器的频率噪声可以逼近量子噪声极限。但在实际工程中，如何接近这一极限，始终是激光物理领域的核心挑战之一。

传统的窄线宽激光器通常依赖高精细度的超稳腔或原子/分子吸收谱线作为频率参考，通过主动反馈将激光频率锁定在极窄的范围内。这种方法固然能够获得赫兹乃至亚赫兹量级的超窄线宽，但其代价是系统体积庞大、对环境振动和温度极度敏感，且调谐范围极为有限。在追求芯片化、集成化、可调谐的现代光子学浪潮中，这种较为笨重的解决方案日渐捉襟见肘。于是，一个反直觉的构想开始浮现：能否利用无序和随机性本身，来对抗自发辐射的噪声？本期封面展示的正是这一构想的物理实现——一种基于分布弱反馈机制的大范围可调谐超窄线宽激光器。

在传统激光物理学的教科书中，谐振腔中的散射、缺陷和非均匀性向来是需要竭力避免的因素。它们会引入额外的损耗、扰动横模分布，甚至导致多纵模振荡，恶化激光的相干性。因此，窄线宽激光器设计的“金律”之一便是增益介质要纯、腔镜要光滑、光路要整洁。

然而，物理学的魅力恰恰在于极端条件下往往孕育着新物理。这种认知的转变，最早可追溯至对随机激光器的研究。早期随机激光器内的反馈源于无序介质的强散射，存在方向性差、阈值高、模式不可控等问题。要让随机反馈解决这些问题，成为激光噪声抑制的**，必须实现两个关键的飞跃：从强散射到弱反馈的转变，以及从静态随机到可控随机的工程化设计。

图1 分布弱反馈激光器模型及仿真。(a) 可调谐自适应分布弱反馈激光器示意图；(b) 200个反馈点下的典型频率噪声；(c) 不同反馈长度下的SMSR 和本征线宽

这正是分布弱反馈机制的独特之处，分布弱反馈的核心理念便是在全固态波导结构中引入极低反射率、且空间分布呈现随机性的散射点阵列。这些散射点可以是飞秒激光直写的光纤布拉格光栅点阵，也可以是波导表面或内部的天然缺陷。每个散射点对光的反馈极其微弱，几乎不破坏波导的传输特性，但当这些成千上万的弱散射点在空间上随机分布时，其产生的瑞利散射光场会发生复杂的干涉叠加，形成一个随机的光谱滤波器。根据相干光子局域化理论，在弱无序介质中，虽然不存在严格的安德森局域化，但光场会形成具有特征尺度的局域态。这些局域态对应着特定的谐振模式，其品质因数可能远超传统腔体设计所能达到的水平。

这种随机反馈光谱的包络由散射点的平均密度和反射率决定，而内部的精细结构则由具体的随机空间分布所决定。当与传统的主腔增益选择机制相结合时，这种随机分布反馈能够极为高效地抑制激光噪声，实现超窄线宽激光运转。

理解了分布弱反馈的物理机制，便可进一步审视其如何逼近量子噪声极限，以及如何实现大范围调谐同时窄线宽输出这两个核心问题。

1. 逼近量子噪声极限

这种机制能够有效压制自发辐射对激光相位的扰动。由于激光主腔的存在，不同反馈相位的反馈强度并非均等。随机散射点形成的局域态频率恰好与主腔相位匹配，会以更高的光强反馈入主腔；而那些不匹配的模式，则因反馈的干涉相消而被抑制在腔外。自发辐射可以看作是一种宽带白噪声，而随机反馈阵列相当于一个高Q值的随机谐振器阵列，它会筛选自发辐射，只允许与局域态频率成分相干的噪声分量参与受激辐射过程，其余分量则被滤除。这一物理过程，本质上是一种噪声辅助的相干提纯过程，使得输出光的相位噪声趋近于由海森堡不确定性原理所决定的量子噪声极限。

图2 自适应分布弱反馈半导体可调谐激光器。(a) 1064nm的可调谐窄线宽DFB激光器；(b) 双SOA并联宽调谐窄线宽激光器

2. 大范围波长调谐下的窄线宽保持

在分布弱反馈激光器中，大范围可调谐与窄线宽的兼得，依赖于衍射光栅的机械调谐与声光效应的动态调谐。机械调谐指的是以衍射光栅为基础的Littrow/Littman结构，特定波长的衍射光沿入射光路原路返回形成腔反馈，通过旋转光栅角度即可选择不同的反馈波长，实现超大范围调谐。其优势在于调谐范围极大（可达数百纳米）、结构简单可靠、耐受功率高。声光调谐利用声波在介质中形成的移动相位光栅对激光产生多普勒频移，通过改变驱动声波频率，可在微秒时间内实现高速波长切换。其核心优势在于无机械惯性、调谐速度快，且声光器件可采用波导集成工艺，集成度远高于机械旋转结构。

二者在分布弱反馈的激光架构下，由于分布弱反馈结构中天然存在着大量等效的随机FP腔，这些随机FP腔的谐振波长可以覆盖整个增益光谱范围。因此，在波长调谐中无论将主腔调谐至何种波长，总存在一组随机FP腔的谐振模式与该波长的相位匹配条件自动吻合，从而对该波长提供有效的分布反馈与噪声抑制。正是这种反馈结构遍及所有波长和相位的统计特性，使得波长调谐过程中窄线宽机制不被破坏。

图3 基于片上分布弱反馈的可调谐窄线宽DFB激光器

在分布弱反馈激光器出现之前，大范围调谐与超窄线宽之间仿佛存在一个工程意义上的“测不准关系”，即调谐范围越宽，线宽越难以维持。机械调谐方式范围大但线宽较宽，声光调谐速度快但会引入较大相位噪声。而分布弱反馈机制的出现，从根本上改变了这一局限性。因此，这种激光器能够在数十纳米甚至数百纳米调谐的同时，将线宽始终锁定在kHz甚至亚kHz量级——这是传统外腔激光器或可调谐激光器难以企及的性能。

参考文献： 中国光学期刊网

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