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       窄线宽激光器在精密传感、光谱学和量子科学等广泛应用中至关重要。除了光谱宽度外，光谱形状也是一个重要因素，具体取决于应用场景。例如，激光线形两侧的功率可能会在对量子比特的光学操控中引入误差，并影响原子钟的精度。就激光频率噪声而言，由自发辐射进入激光模式产生的傅里叶分量通常高于105 Hz，这些分量决定了线形两侧的幅度。结合亨利增强因子这些因素共同定义了量子极限，即Schawlow-Townes（ST）极限，该极限在消除腔振动和长度漂移等技术噪声后，确定了可实现的有效线宽下限。

       因此，最小化量子噪声是窄线宽激光器设计的关键环节。在实际中，通过调整ST极限的关键因素——激光功率、使用高Q因子腔体以及选择场幅值与折射率耦合较低（低亨利因子）的增益介质——来实现所需的线宽。钛蓝宝石激光器、光纤激光器和外腔半导体激光器等激光器是实现许多最苛刻的相干激光应用所需的赫兹级线宽的典型例子。然而，设计同时满足给定应用中线宽、功率和波长要求的激光器仍具挑战性。

       麦考瑞大学的研究人员开发了一种新技术，能够将激光束的线宽缩小超过一万倍，该研究可能彻底改变量子计算、原子钟和引力波探测领域。相关研究成果以“Linewidth narrowing in Raman lasers”为题发表于APL Photonics。

       研究人员使用具有优异热性能并能提供稳定测试环境的金刚石晶体对该技术进行了测试。他们在一个腔体内，使用直径仅几毫米的金刚石晶体，测试了一个故意制造的“噪声”输入光束，其线宽超过10 MHz。他们的拉曼散射技术将输出激光束的线宽压缩至其检测系统极限的1 kHz，压缩因子超过10,000倍。

图1. 单侧PSD测量结果显示，泵种子和斯托克斯在高频时出现显著的噪声窄化现象。

       研究团队利用受激拉曼散射原理，使激光激发材料内部更高频的振动，其缩窄线宽的效果比传统方法高出数千倍。本质而言，相当于是提出了一种新的激光光谱净化技术，可适用于多种不同类型的输入激光。这在激光技术领域实现了根本性的突破。

       这项新技术解决了造成激光束纯度下降和精度降低的微小随机光波时序变化问题。在一个理想的激光器中，所有光波都应完美同步——但实际情况是，有些光波会略微超前或滞后于其他光波，导致光的相位发生波动。这些相位波动会在激光光谱中产生“噪声”——它们模糊了激光的频率，使其色彩纯度降低。

       拉曼技术的原理是，通过将这些时间不规则性转化为金刚石晶体中的振动，这些振动会被迅速吸收和耗散（在几万亿分之一秒内）。这使得剩下的光波具有更平滑的振荡，因此光谱纯度更高，并对激光光谱产生显著的窄化效果。

图2. (a) 激光系统示意图，显示关键组件。WNG：白噪声发生器，OC：输出耦合器，IC：输入耦合器，EOM：电光调制器，LBO：锂三硼酸盐，λ/2：半波片。 (b) 带反馈（橙色）和不带反馈（蓝色）时的斯托克斯频率漂移。对于带反馈的情况，已包含压电电压以指示漂移补偿。

       除了卓越的线宽窄化效果外，研究人员发现其拉曼技术相较于传统布里渊方法具备多重优势，包括实现更小的最小线宽。这些超窄线宽激光器有几个前沿的应用领域：

       量子计算机：操纵作为量子信息基本单位的量子比特（qubits）需要极其精确的激光控制。目前的激光器会引入相位噪声，导致量子计算中的错误。更好的光谱纯度将提升量子计算机的可靠性。

       原子钟：原子钟是GPS导航的基础，更高的光谱纯度将增强其性能，并可能在未来推动基础物理学的新发现。

       引力波探测：测量时空极其微小扭曲的引力波探测器，通过使用更窄线宽的激光束，可以变得更加灵敏，从而可能探测到来自遥远宇宙事件的更微弱信号。