通过由光纤环形镜和柔性钙钛矿材料制成的超窄带瞬态光栅实现的单频光纤激光器

《Optics and Lasers in Engineering》：Single-frequency fiber laser implemented via ultra-narrowband transient grating formed by a fiber loop mirror and flexible perovskite

单频光纤激光器研究采用Cs0.15FA0.85PbI2.85Br0.15钙钛矿材料结合Sagnac环反射器构建了一米量级线性腔结构，实现1550nm波段1.2kHz线宽的单频输出，有效解决了短腔低功率和环形腔复杂性问题，展示了钙钛矿作为高性能饱和吸收体的应用潜力。

　　
随着高精度测量和激光雷达技术的快速发展，单频光纤激光器（SFFL）因其窄线宽、稳定频率和易于集成等优势备受关注。传统实现SFFL的方法主要依赖短腔结构（如分布式布拉格反射镜DBR或分布式反馈镜DFB），或通过在环形腔激光器中集成复杂的光学元件来抑制多纵模振荡。然而，短腔结构受限于增益长度不足导致的泵浦功率吸收效率低下，而环形腔结构虽能扩展增益长度，但需要复杂的结构设计和调试过程。这种技术瓶颈长期制约着SFFL在高功率输出和稳定性方面的提升。

近年来，二维材料与钙钛矿复合材料因其优异的饱和吸收特性被广泛研究。其中，Cs0.15FA0.85PbI2.85Br0.15多掺杂有机钙钛矿材料通过调整卤素离子比例，在1550nm波段展现出独特的非线性光学响应。这种材料不仅具备低饱和吸收阈值和快速恢复时间，其多组分掺杂结构还能有效抑制晶格缺陷引发的散射损耗。实验表明，该材料在沉积到光纤表面后形成的类周期性吸收结构，能够与环形腔中的双向光场相互作用，形成动态光栅效应。

环形腔结构的核心创新在于将Sagnac环镜与光纤激光器相结合。传统环形腔依赖全反射镜实现光路闭合，而Sagnac环镜通过非对称反射路径产生相位差，这种特性使得环镜的透射谱具有极窄的线宽特性。当将具有宽光谱吸收特性的钙钛矿薄膜沉积在光纤表面时，光场在环形传输过程中会与薄膜形成周期性干涉，这种自组织光栅效应能将原本较宽的吸收带（如钙钛矿的吸收峰宽度可达数十纳米）压缩至kHz线宽级别。实验数据表明，这种结构在1550nm波段获得了1.2kHz的线宽，同时输出功率达到13.9mW，较传统环形腔激光器提升了近两倍。

材料制备工艺对性能影响显著。研究团队采用DMF/DMSO混合溶剂（体积比1:4）作为前驱体溶液，通过精确称量PbI2（691.6mg）、CsBr（47.8mg）和FAI（219.4mg）三种前驱体，在磁力搅拌下形成均匀的钙钛矿薄膜溶液。这种溶剂体系不仅确保了钙钛矿纳米晶的均匀分散，其高沸点特性（DMF沸点152°C，DMSO沸点189°C）还避免了高温处理对材料稳定性的破坏。沉积工艺采用旋涂法，通过控制转速（5000rpm）和沉积时间（15秒）精确调控薄膜厚度（约200nm），最终形成表面光滑且吸收特性可控的薄膜结构。

实验验证过程揭示了关键物理机制。当环形腔中未集成钙钛矿薄膜时，系统始终无法实现单纵模振荡，这证实了传统环形腔结构仅能提供宽带滤除功能。添加钙钛矿薄膜后，激光器输出功率显著提升至13.9mW，同时线宽收窄至1.2kHz。对比实验显示，钙钛矿的宽频吸收特性与Sagnac环的窄线宽传输特性形成了协同效应：一方面，薄膜的宽吸收带补偿了环形腔的固有模式展宽；另一方面，环形传输产生的相位匹配条件（如四波混频效应）促使吸收峰向单频模式集中。这种双重约束机制突破了传统环形腔对反射镜精度的严苛要求，使得系统在无复杂光栅结构的情况下仍能实现高精度单频输出。

技术优势体现在三个方面：首先，材料创新突破了传统增益介质吸收效率低的问题。钙钛矿薄膜在1550nm波段实现了4.98%的调制深度，这种高吸收效率与低损伤阈值（>10MW/cm2）的结合，使得泵浦功率利用率提升至85%以上。其次，结构设计解决了多纵模竞争难题。环形腔的Sagnac相移效应（与环长成反比）与钙钛矿薄膜的自组织光栅（空间周期约0.5μm）形成双重模式抑制机制，当环长达到1米级时，自然光栅效应与环形传输的相位约束实现了对多纵模的精准抵消。最后，工艺简化显著降低制造成本。相比传统FBG+SA组合方案（需多次调试谐振条件），本方法通过单层钙钛矿薄膜实现吸收-谐振一体化，将系统复杂度降低约60%，且制备工艺兼容现有光纤器件生产线。

应用潜力方面，该技术为高精度光学系统提供了新方案。在激光雷达领域，kHz线宽对应的时间分辨率为0.1ns量级，结合1m量级环形腔的相干长度可达10km以上，可实现300m量级的目标探测精度。在量子通信中，窄线宽单频源可将纠缠光子对的相位噪声降低至0.1rad量级，满足10km以上光纤传输的量子密钥分发需求。此外，该技术通过环形腔结构自然实现了双向光场耦合，为双向量子密钥分发系统提供了紧凑型单频光源解决方案。

当前研究仍面临几个挑战：首先，钙钛矿薄膜的长期稳定性需进一步提升，实验中观察到200小时后吸收效率下降约15%；其次，环形腔长度与材料吸收特性的匹配尚需优化，当环长超过1.2m时，光栅效应可能导致功率下降；最后，1550nm波段的红外钙钛矿材料普遍存在空气敏感性问题，需开发新型封装技术（如SiO?涂层厚度优化至50nm）来提升环境稳定性。

该研究的技术突破为单频光纤激光器的发展开辟了新路径。通过将二维钙钛矿材料的宽谱吸收特性与环形腔的相位约束机制相结合，成功实现了无复杂光学元件的高功率单频输出。这种方法不仅降低了系统成本，还扩展了单频激光器的工作波段范围。未来研究可着重于：（1）开发抗氧化的新型钙钛矿掺杂体系（如引入Cu2+作为稳定剂）；（2）探索纳米结构光纤表面修饰技术，进一步提升光栅周期与环形腔长度的匹配精度；（3）研究该技术在高功率光纤激光器（>10W）中的适用性，以拓展其在工业加工和通信放大等领域的应用场景。

该成果为超精密光学测量提供了可靠的技术支撑。在引力波探测领域，传统LIGO使用的单频激光器线宽需达到10Hz以下，而本技术开发的kHz线宽激光器通过锁相技术可将输出频率稳定在10^-12量级，完全满足空间引力波探测的相干度要求。在计量学领域，该技术可构建频率稳定度优于1×10^-13的分布式光纤传感系统，为下一代量子时钟的研制奠定基础。此外，在医疗激光设备中，1.2kHz线宽对应的单频波长稳定性达±0.0001nm，特别适用于视网膜激光手术等高精度医疗场景。