近日，我室博士研究生王莹莹（第一作者）和戴世勋研究员（通信作者）在期刊“Journal of Lightwave Technology”发表了题为“Low-threshold and Sub-kHz-linewidth Brillouin Laser Based on Chalcogenide Fiber at 2 µm”的论文(40(22), 7390-7395，2022)。文章DOI: 10.1109/JLT.2022.3200700.

       2 μm波段位于第一个大气传输窗口，也是人眼安全波段。2 μm的单频激光器因其线宽窄、相干性高、噪声低等特性，在自由空间光通信、大气传感、医疗手术等领域极具应用潜力。目前实现单频光纤激光器的主要方式是DFB、DBR和环形腔结构，但其线宽基本为kHz-MHz量级，对于需要极高探测精度的应用比如下一代引力波探测来说，就需要对激光线宽进行压缩。受激布里渊散射这一非线性效应作为激光线宽压缩的一种手段，已经在C波段实现了亚Hz量级线宽的激光输出。同时，若想降低系统功耗，实现低阈值的激光输出，则需要采用高布里渊增益系数的光纤作为增益介质。硫系光纤具有极高的布里渊增益系数，可在较短的腔长中同时实现具有单纵模、低阈值和窄线宽特性的布里渊激光输出。

       在本项工作中，首先通过自外差法确定了硫系光纤在2 μm的布里渊增益系数为1.76´10^-9 m/W，频移为6.308 GHz，增益带宽为10.2 MHz。然后通过对激光腔腔长和损耗的理论优化，采用3 m长的As₂S₃光纤搭建了如图1所示的环形腔，腔的总损耗为6.18 dB，对应的反馈系数为24.1%。布里渊激光光谱图2（a）所示，阈值仅为39 mW，激光效率为1.1%。采用短延迟自外差法，测得泵浦源和布里渊激光的相干包络如图3所示，所对应的线宽分别为5.06和0.619 kHz。因此，相对泵浦源来说，布里渊激光实现了8倍的线宽压缩。得到这样的低阈值、窄线宽的布里渊激光输出不仅在于硫系光纤的高布里渊增益系数，还因为优化的增益光纤长度和腔损耗。这项工作将有利于未来2 μm单频激光器在气体探测、LIDAR等领域的应用。

图1 基于硫系光纤的环形腔布里渊激光装置图

图2 (a) 布里渊激光光谱；(b) 布里渊激光输出功率

图3 利用短光纤延迟自外差法，在不同延迟光纤长度下得到的(a-c)泵浦光和(e-f)布里渊激光的相干包络光谱图