基于单晶光纤的单频连续波激光器研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0030

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (7): 1044-1059.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0030

基于单晶光纤的单频连续波激光器研究进展

卫毅笑¹^,²(), 苏静¹^,³, 卢华东¹^,³(), 彭堃墀¹^,³

^1.山西大学光电研究所光量子技术与器件全国重点实验室，太原 030006
^2.山西电子科技学院微电子学院，临汾 041000
^3.山西大学极端光学协同创新中心，太原 030006

收稿日期:2026-02-27 出版日期:2026-07-20 发布日期:2026-08-04
通信作者: 卢华东，博士，教授。E-mail：luhuadong@sxu.edu.cn
作者简介:卫毅笑，博士，山西电子科技学院讲师。主要从事固体激光技术研究，先后在Opt Express、Opt Lett等国内外重要学术刊物上发表论文7篇，获得美国及中国授权发明专利2项。E-mail：291015909@qq.com
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，山西省十大科技创新人物，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技术成果转化工作。主持和承担了包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金项目、山西省科技重大专项项目、山西省杰青项目等在内的30余项国家级和省部级研究项目。先后在国内外重要学术刊物上发表论文100多篇。获得美国及中国授权发明专利40多项。先后荣获中国发明奖优秀奖、首届山西省创新争先奖、山西省技术发明奖特等奖、山西省技术发明奖一等奖、山西省专利奖等。
基金资助:
国家自然科学基金(62575163);国家重点研发计划(2022YFC2204003);山西电子科技学院科研启动经费(2025KJ011)

Research Progress of Single-Frequency Continuous-Wave Laser Based on Single-Crystal Fiber

WEI Yixiao¹^,²(), SU Jing¹^,³, LU Huadong¹^,³(), PENG Kunchi¹^,³

^1.State Key Laboratory of Quantum Optics Technologies and Devices，Institute of Opto-Electronics，Shanxi University，Taiyuan 030006，China
^2.School of Microelectronics，Shanxi University of Electronic Science and Technology，Linfen 041000，China
^3.Collaborative Innovation Center of Extreme Optics，Shanxi University，Taiyuan 030006，China

Received:2026-02-27 Online:2026-07-20 Published:2026-08-04

摘要/Abstract

摘要： 全固态单频连续波激光器因具有线宽窄、光束质量好、功率稳定性高和噪声低等优点，是量子光学和精密测量等基础研究和应用领域的优质光源。随着科学技术的飞速发展和应用需求的不断提升，在保障激光器整体性能的基础上提高激光器的输出功率变得尤为重要。然而，光纤激光器在高功率输出时，非线性效应会越来越严重，棒状晶体激光器在高泵浦功率条件下，热效应会显著提升。这两类效应的存在直接限制了激光器在诸多领域的应用。针对光纤和棒状晶体增益介质存在的不足，作为两者结合体的新型激光介质单晶光纤，凭借优异的物理化学性能、良好的热管理特性、泵浦波导效应和高的受激布里渊散射阈值已经成为固体激光器领域的研究热点。本文结合课题组的研究工作，主要介绍了基于Nd∶YAG单晶光纤的单频连续波激光器的研究进展，并简要分析了其发展趋势。

关键词: 激光器; 单晶光纤; 单频; 连续波; 单晶光纤放大器; 全固态激光器

Abstract: All-solid-state single-frequency continuous-wave lasers are high-quality light sources for fundamental research and application fields， including quantum optics， high-precision measurement， and so on owing to their intrinsic advantages of narrow linewidth， excellent beam quality， high power stability and low noise. With the rapid development of science and technology and the increasing demands of applications， it has become particularly important to scale up the output power of lasers while maintaining their overall performance.However， nonlinear effects become more and more severe with the increase of the output power for fiber lasers， and thermal effects are significantly enhanced under high pump power for rod crystal lasers. To address the limitations of fiber and rod crystal gain media， single-crystal fiber， a novel laser medium that combines the advantages of both， has become a more and more popular research hotspot in the field of all-solid-state lasers due to its excellent physicochemical properties， good thermal management characteristic， pump waveguide effect and high stimulated-Brillouin-scattering threshold. As is well known， scaling up the output power of the single-frequency continuous-wave laser is mainly implemented by means of a laser amplifier or a single resonator. This paper mainly focuses on the research progress of single-frequency continuous-wave lasers based on Nd∶YAG single-crystal fibers. A high-power linearly polarized single-frequency continuous-wave 1 064 nm laser based on the single-crystal fiber master oscillator power amplifier is presented， in which a 140 W low-noise single-frequency continuous-wave laser and an Nd∶YAG single-crystal fiber act as the seed laser and the laser medium of the master oscillator power amplifier， respectively. In order to obtain a high conversion efficiency， the mode-matching efficiency between the pump laser propagated with waveguide form and the freely propagated seed laser is optimized by considering the influence of the degradations of the polarization and the beam quality. When the incident powers of the pump and seed lasers are 262.6 and 126.3 W， respectively， the output power of the linearly polarized single-frequency laser reaches up-to 208 W. To the best of our knowledge， this is the highest output power based on an Nd∶YAG single-crystal fiber master oscillator power amplifier. In addition， a hybrid single-frequency continuous-wave 1 064 nm laser is presented， where both two Nd∶YVO₄ bulk crystals and two Nd∶YAG single-crystal fibers are employed as gain media. By combining the advantages of the good thermal management characteristic of the Nd∶YAG single-crystal fiber with the natural birefringence effect of the Nd∶YVO₄ bulk crystal， a stable single-frequency laser with high output power is achieved. Based on this scheme， a 120 W hybrid single-frequency continuous-wave 1 064 nm laser is obtained by employing Nd∶YAG single-crystal fibers as gain media in a single resonator.The presented laser technologies provide a good reference for achieving high-power single-frequency continuous-wave laser output at different wavelengths based on single-crystal fibers， which will strongly promote the development of laser technology and related fundamental research and application fields.

Key words: laser; single-crystal fiber; single-frequency; continuous-wave; single-crystal fiber amplifier; all-solid-state laser

中图分类号:

TN248.1

卫毅笑, 苏静, 卢华东, 彭堃墀. 基于单晶光纤的单频连续波激光器研究进展[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(7): 1044-1059.

WEI Yixiao, SU Jing, LU Huadong, PENG Kunchi. Research Progress of Single-Frequency Continuous-Wave Laser Based on Single-Crystal Fiber[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(7): 1044-1059.

图/表 21

图1 μ-PD制备单晶光纤装置示意图［32］

Fig.1 Schematic diagram of μ-PD for preparing single-crystal fiber［32］

图2 LHPG制备单晶光纤装置示意图［37］

Fig.2 Schematic diagram of LHPG for preparing single-crystal fiber［37］

图3 EFG制备单晶光纤装置示意图［41］

Fig.3 Schematic diagram of EFG for preparing single-crystal fiber［41］

图4 块状晶体和单晶光纤泵浦入射面温度模拟［43］

Fig.4 Temperature simulations of pumped incident faces of bulk crystals and single-crystal fiber［43］

图5 单晶光纤内激光的传输。（a）泵浦光传输模拟［44］；（b）泵浦光与信号光传输示意图［45］

Fig.5 Laser propagation in single-crystal fiber. （a） Propagation simulation of pump laser［Reprinted］ with permission from ［44］ ? Optical Society of America；（b） transmission schematic diagram of pump laser and signal laser［Adapted］ with permission from ［45］ ? Optical Society of America

图6 不同类型的Nd∶YAG激光介质的增益［44］

Fig.6 Gains for different types of Nd∶YAG laser media［Reprinted］ with permission from ［44］ ? Optical Society of America

图7 60.4 W单晶光纤MOPA结构示意图［50］

Fig.7 Schematic diagram of 60.4 W single-crystal fiber MOPA structure［Reprinted］ with permission from ［50］ ? Optica Publishing Group

图8 一级单晶光纤MOPA的输出结果，插图为两次放大后的光束轮廓和光束质量因子［50］

Fig.8 Output results of first stage single-crystal fiber MOPA， with inset showing beam profile and beam quality factors after two amplifications［Reprinted］ with permission from ［50］ ? Optica Publishing Group

图9 二级单晶光纤MOPA的输出功率和萃取效率［50］

Fig.9 Output power and extraction efficiency of second stage single-crystal fiber MOPA［Reprinted］ with permission from ［50］ ? Optica Publishing Group

图10 60.4 W 1 064 nm激光的横模特性［50］

Fig.10 Transverse-mode characteristic of 60.4 W 1 064 nm laser［Reprinted］ with permission from ［50］ ? Optica Publishing Group

图11 208 W单晶光纤MOPA结构示意图［52］

Fig.11 Schematic diagram of 208 W single-crystal fiber MOPA structure［Reprinted］ with permission from ［52］ ? Optica Publishing Group

图12 理论计算结果［52］。（a）注入的泵浦功率不同时，Mq2与种子光束腰半径的关系；（b）注入的泵浦功率不同时，单晶光纤内泵浦光与种子光之间的模式匹配效率与种子光束腰半径的关系

Fig.12 Theoretical calculation results［Reprinted］ with permission from ［52］ ? Optica Publishing Group. （a） Relationship between Mq2 and seed laser waist radius for different incident pump powers；（b） relationship between mode-matching efficiency between pump laser and seed laser in single-crystal fiber and seed laser waist radius for different incident pump powers

图13 放大器的输出功率［52］。（a）总的输出功率；（b）线偏振激光的输出功率；（c）退偏振激光的输出功率

Fig.13 Output power of amplifier［Adapted］ with permission from ［52］ ? Optica Publishing Group. （a） Total output power；（b） output power of linearly polarized laser；（c） output power of depolarization laser

图14 当种子光束腰半径为200 μm时，退偏振系数与注入泵浦功率的关系［52］

Fig.14 Dependence of depolarization coefficient on incident pump power for different seed powers when seed laser waist radius is 200 μm［Adapted］ with permission from ［52］ ? Optica Publishing Group

图15 当种子光束腰半径为200 μm时，Mq2与相应的空间光束轮廓随着注入泵浦功率的变化［52］

Fig. 15 Variations of Mq2 and corresponding spatial beam profile with incident pump power when seed laser waist radius is 200 μm［Adapted］ with permission from ［52］ ? Optica Publishing Group

图16 线偏振1 064 nm激光的横模特性［52］

Fig.16 Transverse-mode characteristic of linearly polarized 1 064 nm laser［Adapted］ with permission from ［52］ ? Optica Publishing Group

图17 Nd∶YVO4-Nd∶YAG单晶光纤混合型激光器结构示意图［59］

Fig.17 Schematic diagram of Nd∶YVO4-Nd∶YAG single-crystal fiber hybrid laser structure［Reprinted］ with permission from ［59］ ? Optica Publishing Group

图18 当P3-4分别为90、120和180 W时，四个激光晶体处的腔模尺寸与P1-2的关系［59］。（a） Nd1-2处的腔模尺寸；（b） SCF1-2处的腔模尺寸

Fig.18 Dependencies of cavity mode sizes at positions of four laser crystals on P1-2 when P3-4 are 90， 120 and 180 W［Reprinted］ with permission from ［59］ ? Optica Publishing Group. （a） Cavity mode sizes at places of Nd1-2；（b） cavity mode sizes at places of SCF1-2

图19 输出功率与总的注入泵浦功率的关系［59］

Fig.19 Dependencies of output powers on total incident pump power［Reprinted］ with permission from ［59］ ? Optica Publishing Group

图20 单频1 064 nm激光的横模特性［59］

Fig.20 Transverse-mode characteristic of single-frequency 1 064 nm laser［Reprinted］ with permission from ［59］ ? Optica Publishing Group

表1 高功率单频连续波1 064 nm激光器性能参数

Table 1 Performance parameters of high power single-frequency continuous-wave 1 064 nm lasers

Year	Gain medium	Implementation method	Power/W	Beam quality factor	Linewidth	Power stability	Reference
2014	Yb-doped photonic crystal fiber	MOPA	811	1.1 or 1.2	<2 MHz	—	［10］
2020	Nd∶YVO₄crystal		195	—	—	—	［23］
2022	Nd∶YAG single-crystal fiber		60.4	M_x²=1.51 M_y²=1.38	16.35 kHz	0.97% （1 h）	［50］
2024	Nd∶YAG single-crystal fiber		208	M_x²=2.29 M_y²=1.92	158 kHz	±1% （5 h）	［52］
2021	Nd∶YAG crystal	Single resonator	55.6	M_x²=1.11 M_y²=1.25	29 MHz	—	［65］
2023	Nd∶YVO₄crystal		140	M_x²=1.23 M_y²=1.21	102 kHz	±1.1% （5 h）	［51］
2025	Nd∶YVO₄-Nd∶YAG single-crystal fiber		120	M_x²=1.34 M_y²=1.35	170 kHz	±0.9% （4 h）	［59］

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基于单晶光纤的单频连续波激光器研究进展

Research Progress of Single-Frequency Continuous-Wave Laser Based on Single-Crystal Fiber

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