没有模就不会跳模：瑞利散射“虚拟外腔”给出新解
发布时间：2026-09-18
2025年，国内科研团队实现了铝离子光钟的闭环锁定，将时间的测量准确度提高到了2.5×10⁻¹⁸。这意味着从宇宙诞生至今，该时钟的累积误差仅为大约一秒。在如此精密的时间频率标准装置中，一束线宽极窄且频率异常精准的激光，成为了切开时间的利刃。一、至纯至稳至准的光
光作为电磁波，拥有确定的频率。理想的激光在频谱上应当是一根没有宽度的线，代表所有光子同频同相。然而，受制于自发辐射引发的量子噪声，实际激光中的光子总存在一定的相位波动。此外，碰撞展宽、多普勒展宽等微观机制，以及温度、机械振动、电流波动等宏观扰动，会进一步加剧相位噪声，使其远超量子极限。而激光的线宽δf就是表征相位噪声的重要参数，其与激光相干长度Lc的关系满足:
因此，线宽越窄，激光在相干测量与相干通信等场景中的应用潜力就越大。在原子分子光物理系统中，激光频率必须精确对准原子吸收线。这不仅要求在激光频率在较宽范围内连续可调，也要求在锁定后保持极高的频率和功率稳定性。这种“至纯、至稳、至准”的光，正是窄线宽、高稳定、可调谐的激光光源。
激光器的本质是光子在光学腔内受激辐射放大。不同的增益介质决定了其增益曲线的形状，而光学腔的本征模式（纵模）则从中筛选出特定的工作频率。图1展示了增益曲线与腔纵模的关系。对于最简单的法布里-珀罗（FP）腔，其纵模间隔（自由光谱区FSR）与光学腔长L的关系为：
当腔长增加时，FSR减小，虽便于模式选择，但也增加了模式竞争导致跳模的风险。——激光的频率从一个纵模跳变到另一个纵模。
近年来，随着相干光通信、精密测量、量子信息及激光雷达等领域的发展，业界对高性能光源的迫切需求日益增长，可调谐超窄线宽激光技术成为国内外研究热点。超窄线宽与宽范围调谐的协同实现是该领域的核心目标，而传统激光器结构长期存在 “宽调谐难以窄线宽、窄线宽难以宽调谐”的固有矛盾，成为制约技术发展的关键瓶颈。围绕这一核心问题，国际与国内均开展了大量研究。
在激光波长调谐技术领域，国内外已形成多条成熟的技术路径。包括基于压电效应的机械调谐，基于声光效应的声光调谐，基于电光效应的电光调谐以及基于热光效应的热光调谐等等，其本质都是通过各种方法改变激光器光学腔的等效腔长。显然，想实现大范围的连续调谐，就需要让腔长足够短，这样才不容易引起跳模。
然而，在腔端面反射率一定的情况下，光学腔的线宽会随着FSR的增加而同步增加，这与线宽压窄是矛盾的。聪明的你肯定想到了，如果我的激光器里有两个腔，一个短腔来保证大的可调谐范围，一个长腔来压窄激光线宽，恭喜你发明了外腔反馈激光器。外腔反馈激光器通过在短腔激光器外部引入光学反馈结构，有效延长光子寿命，实现线宽压缩。这类短主腔外反馈结构线宽压缩效果显著，并且可以保持单纵模特性（图2）。然而外腔反馈激光器并不能完全消灭跳模现象，而且一旦发生跳模现象，由于短腔模式的压制效果，整个激光器的输出功率会大幅度降低。
三、瑞利散射“外腔”反馈
瑞利散射是光被远小于其波长的粒子散射的现象。在波导中，材料固有不均匀性、界面粗糙度等会形成大量分布式散射中心。其中，总存在一组满足相位匹配条件的有效瑞利散射反馈面，它们构成了无数个天然的、增益带宽极窄（kHz量级）的“虚拟腔”，为线宽压窄提供了理想的反馈基础。当主腔激光进入瑞利散射波导，这些反向传输的背向散射光，会向主腔注入一个频域线宽持续窄化的弱反馈信号（图3）。这种机制不仅增加了有效循环增益次数，还抑制了振荡噪声，从物理机理上实现线宽的持续压缩，最终输出超窄线宽激光，为高性能片上集成光源提供了核心支撑。
图3 背向瑞利散射反馈原理示意图
国家信息光电子创新中心采用氮化硅波导对DFB激光器进行反馈，并且完成了封装和测试。测试结果表明，瑞利背向散射大幅抑制了频率噪声：激光器的频率噪声谱在10 kHz偏频处降至1000 Hz²/Hz以下，在1 MHz处降至100 Hz²/Hz以下。激光器的洛伦兹线宽仅0.2 kHz。这对分布式光纤传感和激光雷达等领域意义重大。
蓝色曲线为DFB激光器自身频率噪声，红色曲线为经过瑞利散射抑制后的效果得益于无实体外腔的结构，该激光器无模式选择限制，可实现大范围调谐且功率近乎不变。在恒定电流下，工作温度从15℃升至45℃，波长连续调谐超3nm，功率波动极小，足以满足多数原子量子实验需求。然而，其频率对温度敏感（0.1℃变化导致波长漂移0.01 nm，频率偏移超1GHz），这对追求长期频率稳定的应用构成挑战。
得益于精密温度控制技术，我们实现了对激光器的高精度温度控制，其温度抖动不超过±1 mK。稳定的温度环境有效抑制了激光器的波长的长期漂移与跳模现象，大幅提升了器件工作稳定性。如图6所示，在24 h内，该激光器频率漂移仅约60 MHz，相对变化为3.1×10⁻⁷@24 h，相对功率变化在0.7 %内，充分验证了该温控方案对激光器性能的稳定支撑作用。
至此，通过一种没有实体外腔模式的“虚拟外腔”，我们同时实现了线宽压窄、大范围可调谐及优异的频率功率稳定性，获得了至纯至稳至准的光。
四、总结
有时不得不惊叹于“大道至简”的智慧。一根简单的波导螺旋线，仅凭自身的瑞利散射就能压窄线宽，无需复杂耦合，无需严苛相位匹配。没有外腔模式就不会跳模，事情就是如此简洁明了。诚然，该方案仍面临端面反射干扰及波导损耗导致的输出功率受限等难题，但我们坚信，这种廉价且高效的方案，必将支撑起国产半导体激光器的一方山河。
