1917年，Einstein在提出“光与物质相互作用”理论时，便预言了受激辐射的存在。美国加利福尼亚州休斯实验室的Maiman利用人工合成的红宝石获得波长为694.3 nm的高纯度光源，至此，激光正式进入人们的视野之中。
经过六十多年的发展，激光波长、功率，以及线宽等参数的性能不断提升。推动了制造业、生命科学、信息技术、科学研究等领域的快速发展，激光的科研价值和商业价值早已不言而喻。尤其是近些年，量子通信、相干传感、光学精密测量、引力波探测等技术的突破，对光源的相干长度、功率、噪声等参数提出了更高的要求，窄线宽激光再一次引发了人们的研究热潮。
窄线宽激光器发展脉窄线宽激光器发展到如今，激光反馈模式的演变就是激光谐振腔结构的演变。下面按照激光器谐振腔的演变顺序介绍各种构型的窄线宽激光器技术。
单一主腔构型
单外腔反馈构型
DBR激光构型
为了提高激光系统的稳定性，并将波长选择器件集成到主腔结构当中，DBR结构被提出。DBR型谐振腔是基于F-P型谐振腔设计而来的，以周期性的无源布拉格结构代替F-P结构的反射镜提供光反馈。DBR型主腔由于布拉格结构对于激光干涉模式的周期性微扰，本身具有一定的滤波特性，结合短腔结构带来的大纵模间隔很容易实现SLM运行。虽然设计周期性的布拉格结构最初的目的只是为了选择激光波长，但是从腔型的角度来看，这也是单腔结构反馈面增多后的一种表现。DBR结构如图3（a）所示。按照增益介质划分，DBR型激光器又可分为半导体激光器和光纤激光器等。半导体激光器在制作工艺上具有与半导体材料和微纳工艺兼容的天然优势，很多半导体领域的工艺，如二次外延、化学气相沉积、步进光刻、纳米压印、电子刻蚀、离子刻蚀等都可以直接应用到半导体激光器的研发制作上。DBR光纤激光器的出现要晚于DBR半导体激光器，这主要受限于光纤波导的加工技术和高浓度光纤掺杂技术的发展。目前常用的光纤波导结构加工技术有载氢相位掩膜和飞秒加工技术等，高浓度光纤掺杂技术有改性化学气相沉积（MCVD）和表面等离子化学气相沉积（SPCVD）技术等。DFB激光构型
复合反馈外腔
DFB与DBR等短腔型主腔激光器腔内光子作用时间有限，线宽很难深度压缩。为了进一步压缩线宽、抑制噪声，这种短主腔型激光构型也常结合外腔结构进行性能优化。目前常见的外腔结构包括空间外腔结构、光纤外腔结构和波导外腔结构等。在光纤器件和波导结构发展起来之前，外腔结构主要以空间光结合分立的光学器件为主。其中，基于光栅的空间外腔反馈结构主要为Littrow和Littman结构，如图4（a）和（b）所示。这两种结构通常由激光增益主腔、耦合透镜和衍射光栅组成。其中，光栅作为反馈元件，具有波长调节、模式选择，以及线宽压缩的作用。此外，基于空间光结构的外腔反馈器件还可以是一系列的光学滤波器件，如F-P标准具、声光/电光可调滤波器和干涉仪等。这些滤波器件本身具有一定的模式选择能力，可以代替光栅，甚至某些滤波器件，如高Q值的F-P标准具在光谱窄化、线宽压缩方面要优于反射光栅。随着光纤器件工艺的发展，使用集成化程度更高、鲁棒性更强的光纤波导或光纤器件代替空间光结构是提升激光系统稳定性的有效方案。光纤外腔通常使用光纤器件相互熔接，组成全光纤外腔结构。这种结构集成度高，易于维护，抗干扰能力也更强。光纤外腔反馈结构可以是简单的光纤回路反馈，或是全光纤结构的谐振腔、FBG、光纤F-P腔和WGM[图4（c）]等。一体化的波导外腔反馈结构窄线宽激光器由于其更小的封装体积，更稳定的性能而被广泛关注。本质上波导外腔反馈还是沿用了光纤结构外腔反馈的相关技术原理，但是半导体材料更加多样，微纳加工技术让激光系统更加紧凑，稳定性更高，这使得波导外腔反馈窄线宽激光器更具实用性。目前常用的光波导材料有Si、Si3N4 [图4（d）]、III-V族材料等。光电振荡激光构型是一类特殊反馈激光构型，反馈信号通常为电信号或是光电同时反馈[图4（e）所示]。最早应用在激光上的光电反馈技术就是PDH稳频技术，利用电学负反馈去调节主腔，将激光频率锁定到参考源上，如高Q值的谐振腔和冷原子吸收谱线。经过负反馈调谐，激光谐振腔可以根据激光运行状态进行实时匹配，频率不稳定性能够降低到10-17量级。但是电学反馈还是有很多局限性的，如反馈速度慢，伺服系统过于复杂，包含了大量的电路系统，这些特点导致激光系统技术难度大、控制精度高、成本高昂，且系统对于参考源的强依赖特性也使得激光波长被严格限定在了某些频点，进一步限制了激光系统的实用性。波长自适应分布弱反馈窄线宽激光器
分布弱反馈信号具有提纯光谱的能力
分布弱反馈信号具有纵模抑制能力
对于长腔结构的激光系统而言，腔内的模式大多呈现出均匀离散的分布状态，如果没有适合的纵模抑制机制，将很难实现SLM运行。在早期的工作中，本课题组实验发现分布式反馈在实现线宽压缩的同时，本身也具备模式抑制的能力。一般情况下强反馈会引起激光系统的多模振荡，但是随着反射系数的减小，反馈信号的纵模数量也会逐渐减少，如图5所示。当反射系数为0.01时频谱中其它纵模信号被完全抑制，仅留下主振荡模式。从反射强度与纵模抑制能力上也能看出，强反射的引入会导致这种抑制效果减弱，进一步说明这种分布弱反馈信号具有一定的边界条件，同时体现了分布弱反馈机制的频域演变规律以及抑制频域纵模的要点，即弱反馈。
分布弱反馈信号具有线宽深度压缩能力进一步对分布弱反馈线宽压缩特性进行了仿真分析，结果如图6所示，图6(a)、(b)分别为不同粒子反馈系数和不同反馈比激光线宽的演化情况。图6（c)展示了粒子反馈系数为1.5×10-4时激光功率谱随分布弱反馈结构长度演化规律二维伪彩图，其中，曲线颜色的亮度表示能量的大小。图6(d)给出了不同反馈比下激光线宽的变化特征，其变化规律与图6(c)相似，表明激光线宽压缩还可以通过提高光纤内粒子反馈系数实现，这为小尺寸分布反馈结构的设计提供了理论依据。这项工作表明，通过提供与主腔波长重合的腔模信号来有效抑制自发辐射是可行的。而纯光学反馈，无波长选择的特性也让分布弱反馈在快速波长调谐领域具有独特的优势。
2.波长连续型自适应分布弱反馈窄线宽激光器
光纤中的随机瑞利散射本身具有抑制纵模、压缩光谱线宽提纯光信号的作用，是绝佳的自适应滤波元件，且分布式反馈构型可以避免传统固定外腔反馈结构引入的激光相位跳变。
单频超窄线宽激光
基于分布弱反馈的高线宽压缩特性，课题组设计了一系列单频超窄线宽光源，包括光纤环形腔，线型腔激光器，F-P结构激光器，半导体激光器等。其中光纤激光器可以实现百Hz量级以下的超窄线宽输出，边模抑制比>80 dB，而采用外腔波导反馈的半导体激光器激光系统可以在常态下实现80 dB的SMSR，10 Hz量级积分线宽激光输出，激光频率噪声被抑制了70 dB，并且噪底接近0.1 Hz2/Hz量级。
波长调谐/波长扫描超窄线宽激光器
波长调谐作为窄线宽光源的功能拓展，具有很重要的应用价值，而分布式反馈结构具有波长自适应特性，当对主腔激光进行连续波长调控时，激光系统仍能实现窄线宽输出，这是目前其他外腔反馈伺服系统无法做到的。基于分布弱反馈的快速波长调谐优势，我们结合声光，石墨烯光热调谐等波长调谐技术设计出一些列波长调谐/波长扫描超窄线宽激光器（图8），其中声光调谐激光调谐响应时间达到~200 µs，通过控制声波频率，激光可以在超过20 nm的波长范围内线性调谐，并且在不同的调谐通道中激光线宽保持在约2 kHz。
3.波长离散型分布弱反馈窄线宽激光器
基于高Q值谐振腔的离散型分布式反馈结构也是自适应分布弱反馈构型向激光系统小型化集成化发展的良好案例。基于对离散型自适应分布弱反馈器件的研究，设计并研发出系列分布弱反馈超窄线宽激光器，该系列光源拥有小于100 Hz（最小10 Hz）的稳定激光线宽、10 mW的输出功率，以及稳定的运行状态，具体参数如表1所示。4.其他基于瑞利弱分布反馈的窄线宽激光器
分布弱反馈具有非常好的线宽压缩和噪声抑制效果，已经得到业内人士的广泛认同，也有多家单位对此进行了深入研究，如美国OEwaves公司、康奈尔大学、俄罗斯莫斯科物理技术研究所、加州大学圣巴巴拉分校等，这些研究机构在课题组之后，也采用了相似的波长离散型分布弱反馈激光构型，线宽可低至Hz量级。5.超窄线宽测量与表征
对于激光线宽小于kHz的超窄线宽光源参数表征，本课题组提出一种基于短光纤延迟线的相干延迟自外差测量方法。当激光相干长度超过延迟自外差系统的延迟光纤长度时，激光线宽的拍频谱表现为非相干洛伦兹型谱线与相干包络谱线的乘积，此时如果延迟光纤长度选取适当，是可以从相干包络谱的峰谷值之差反推激光洛伦兹线宽的，如图10所示。从仿真结果上来看，相干包络谱的第二峰谷值拥有最大的对比度，最适合用于测量和表征激光线宽。且由于使用了较短的光纤延迟线，可以极大降低延迟光纤引入的经典噪声，测量结果更加精确，从而实现对百Hz甚至Hz级别激光器线宽的精确探测。
总结与展望
