全固态单频连续波激光器具有光束质量好、线宽窄、噪声低等优点，是量子光学等前沿基础研究和军事国防领域的关键光源。然而，长期以来，我国在此类高端激光器领域一直处于空白状态，国内市场完全依赖进口。

受国外技术封锁与市场垄断影响，相关设备对我国军事国防等领域严格禁售，这不仅严重制约了我国相关科学技术的自主发展，也对国家战略安全构成了潜在威胁。

在国家自然科学基金项目等的联合资助下，山西大学光电研究所光量子技术与器件全国重点实验室面向国家重大需求，一直致力于全固态单频激光技术的研究和相关产品的转化工作，在高功率单频激光器、宽调谐钛宝石激光器方面取得了一系列创新性研究成果。这些研究成果打破了国外技术垄断，建成了光机电一体化发展的先进激光制造平台，开发了系列具有国际影响力的全固态单频连续波激光器产品，并提供给包括香港科技大学在内的多家单位使用，受到了广泛好评，产生了良好的经济和社会效益。

1 主要研究成果及创新点

基于长期的研究工作，团队发展了系列技术和方法，突破了单频连续波激光器中的技术瓶颈，使我国单频激光器性能达到了世界先进水平，为实现高质量高功率全固态单频连续波激光器及可调谐钛宝石激光器的商业化奠定了基础。团队发表论文 90 余篇，项目成果荣获山西省技术发明奖特等奖1项、山西省技术发明奖一等奖1项、山西省专利奖二等奖 1 项。这体现了团队创新性和应用价值并重的研究思路，也标志着我国在高性能单频激光技术领域已经具备了与国际先进水平竞争的实力。

1.1 全固态单频连续波激光器性能大幅提升的关键技术研究

在实现高功率单频激光器的过程中，急需破解的关键难题是功率的提升、噪声的抑制以及连续调谐的实现。

针对这些问题，团队提出并发展了一整套通过在谐振腔内主动引入非线性光学效应提升全固态单频连续波激光器整体性能的理论设计和关键技术及方法，大幅度提升了单频激光器的性能。在此过程中，团队进行了以下 6个方面有创新特色的研究。①针对全固态单频激光器在高功率运转或受外界环境干扰时模式不稳定的问题，提出利用非线性光学效应实现激光器单频运转的物理条件，实现了全固态单频连续波激光器的长期稳定单频运转。②面对功率提升瓶颈，设计了单谐振腔双激光晶体结构，大幅度减小了单个激光晶体的热透镜效应，将单谐振腔单频 1064 nm 激光的输出功率从 33.7 W 提高到 101 W （图 1）。接着又设计了包含 4 个独立泵浦的 Nd:YVO4 激光增益晶体的激光谐振腔，其中每个激光晶体既是增益介质，又是模式匹配元件。通过分别操控每个增益晶体的泵浦功率，即可实现激光谐振腔的最佳自模式匹配，最终获得了输出功率高达140 W的连续波单频激光输出，这是国际上报道的单谐振腔全固态单频连续波激光器实现的最高功率。③为了彻底打破全固态激光器功率受限的局面，团队创新性地将增益介质更换为单晶光纤，利用其卓越的热管理和泵浦波导传输的特性，一举将单频连续波 1064 nm 激光器的功率提升至 208 W。④在稳定性提升方面，提出利用反馈控制非线性过程提高激光器功率稳定性的技术和方法，有效提升了高功率单频激光器的功率稳定性和频率稳定性。⑤在噪声抑制方面，通过改变非线性损耗大小操控激光器强度噪声在基频光和倍频光之间传递和转化，有效抑制了激光器弛豫振荡频率处的强度噪声，实现了低噪声高功率单频连续波激光器。⑥在连续调谐方面，提出联合腔内锁定标准具和非线性过程，实现激光器宽范围频率连续调谐的技术和方法，获得了单频激光器的频率连续调谐范围高达 222.4 GHz。

图1 高功率全固态单频连续波1064nm激光器

1.2 研发具有自主知识产权的宽调谐钛宝石激光器

全固态单频连续波钛宝石激光器因其输出波长可从650 nm 延伸到 1050 nm，覆盖了多种碱金属原子的跃迁吸收线，因而是原子物理研究领域的重要光源。尤其是伴随着近年来量子模拟等新兴领域的发展，对高性能全固态单频连续波钛宝石激光器的需求变得更加迫切，但我国在这一领域的研究起步晚，国内一直缺乏一款具有完全自主知识产权的全固态单频连续波可调谐钛宝石激光器产品。

针对这一问题，团队结合多年来在单频激光技术方面的深厚积累，对全固态单频连续波钛宝石激光器的转化效率、调谐性能、强度噪声等指标进行了全方位提升。 ①发展了一种自注入锁定实现宽带单向技术，大幅简化了腔内元件，降低了内腔损耗，最终实现了转化效率高达 34.8% 的全固态单频连续波钛宝石激光器。②提出一种覆盖激光晶体全部增益谱的离轴双折射滤波片的设计方法，实现了钛宝石激光器大于 300 nm 宽范围调谐。③在频率连续调谐技术方面，发展了电光效应调制的标准具锁定和偏振锁定技术，有效抑制了单频连续波钛宝石激光器的强度噪声，并实现了 48.9 GHz 的连续无跳模调谐。④发展泵浦噪声免疫技术，显著提升了单频连续波钛宝石激光器的适应性。在研究的基础上成功研制了具有完全自主知识产权的单频连续波宽调谐钛宝石激光器产品（图 2），实现了国内在该产品领域的突破。

图2 全固态单频连续波宽调谐钛宝石激光器

2 项目落地情况与社会经济效益

截至目前，团队已经有 8 件核心技术实现转让。通过产学研合作，团队建立了激光器转化基地并形成批量生产能力。迄今为止，已经有 130 余台不同波长的高功率低噪声全固态单频连续波激光器提供给香港科技大学、北京理工大学、中国航天科工集团第三研究院第三十五研究所、中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室等国内外高校和科研院所使用，有力推动了量子信息、原子物理、超快光学、可调谐激光技术及军事国防等相关领域的快速发展。

从社会效益来看，项目成果对推动我国量子光学、原子物理、精密测量等前沿科学研究具有重要意义。在此之前，以美国 Spectra-Physics 公司 Matisse 2 系列、美国 Coherent 公司 MBR 系列、英国 M Squared Lasers公司 Solstis 系列和俄罗斯 Tekhnoscan 公司 TiS-SF 系列为代表的 4 款商用单频连续波钛宝石激光器长期占据国际市场，形成技术垄断，不仅使我国科研机构在采购设备时面临价格高昂、供货周期长等问题，还使我国在关键技术参数上受制于人。全固态单频连续波可调谐钛宝石激光器的国产化解决了关键设备“卡脖子”问题，保障了国家科研安全。

团队发展的自注入单向技术、超宽范围调谐技术、连续调谐技术以及非线性损耗选模技术，均以提高全固态单频连续波钛宝石激光器整体性能为出发点。这些关键技术的突破，将有助于全固态单频连续波钛宝石激光器性能的进一步提升，为自主进行前沿科学研究提供有力保障。相关科研硕果不仅实现了我国相关产品零的突破，更为我国激光技术的自主创新和产业化发展树立了良好的示范。通过持续的技术创新和产学研合作，团队的研究成果预期将在更广泛的领域得到应用，产生更大的社会和经济效益。

专家简介

卢华东，山西大学教授，博士生导师。山西省光学学会常务理事，山西省科教兴晋突出贡献专家，山西省优秀青年学术带头人，山西省 “三晋英才”支持计划青年优秀人才。长期致力于激光技术、光量子器件等方面的实验与理论研究及高新技术成果转化工作。作为项目负责人主持国家重点研发计划课题 1 项、国家自然科学基金项目 3 项、山西省科技重大专项项目 1 项、中央引导地方科技发展资金项目 1 项、山西省基础研究计划（自由探索类）杰青培育项目 1 项。作为骨干参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、面上项目多项。先后在Optics Letters、Optics Express、 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 等期刊发表论文 90 余篇。

责任编辑：kj005

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