实现精准激光的行业五大技术分析
思瀚产业研究院 频准激光    2025-12-09

为了实现精准种子激光，通常有光纤 DFB 技术和固定外腔半导体技术两大技术。光纤 DFB 技术为通过在掺镱增益光纤上直接刻写光纤布拉格光栅的方式获得长度仅为厘米量级的激光谐振腔，对应的自由光谱范围在 GHz 量级。并通过在光纤布拉格光栅中引入相移的方式实现窄带滤波效果，从而保证只有单个纵模可以在谐振腔内振荡，从而实现单频激光输出。

外腔半导体激光器是在原有半导体激光器的基础上，通过引入外部光学反馈元件，达到选频以及改善激光器性能的作用，外腔镜将部分二极管激光器输出光反馈回内腔，反馈光束会引起激光输出强度振荡，其频率会随着腔长、激光设计以及工作条件而发生变化。

正是基于二极管激光器对于光反馈敏感的这个特性，外腔起到了波长选择的作用，使得外腔半导体激光器输出的线宽远小于单个二极管激光器工作时的线宽。并且通过外腔谐振实现选模以及波长的可调谐性能够有效避免温度以及注入电流的变化导致的不稳定性。通过调整外腔镜位置或旋转外腔镜等方式，改变激光器的外腔长度和外腔镜选频模式，使外腔镜反馈频率曲线和外腔频率曲线的移动速率相匹配，得到连续无跳模可调谐的单模输出。

（2）光纤放大技术

光纤放大器是一种利用掺杂稀土离子的增益光纤对小功率信号光进行放大的系统。其核心原理是以增益光纤作为工作物质，以半导体激光器(LD)作为泵浦源，对低功率的种子激光源进行放大。具体过程为电流驱动半导体激光器发射泵浦激光，激励增益光纤使其达成粒子数反转条件。同时低功率的种子信号激光在增益光纤的纤芯中传播，使增益光纤产生受激辐射，释放出与种子激光相位、频率、方向一致的光子，从而增强信号激光的强度，输出更高功率的信号激光，完成光的放大。

光纤放大器结构简单可靠易用，具有稳定性强、光束质量好等特点，目前被广泛应用于多种领域，包括且不限于量子精密测量、量子计算机、激光雷达、激光传感、医疗、全息成像、光晶格、光阱、光镊、半导体检测与加工等领域。

基于光纤放大技术，公司针对不同的技术指标有多方面优化技术，可达成低噪声、宽波段、高增益的光纤放大。

（3）非线性频率变换技术

光学非线性频率变换是随着激光技术发展产生的一门新学科，它使在目前现有激光材料基础上，获得更多波段范围内的激光输出成为了可能，因此自出现以来就备受关注。激光倍频是目前非线性频率变换领域应用最多和最广的技术，由于倍频过程对基频光光强的依赖很高，仅有少数情况能获得高倍频效率的激光输出。外腔谐振倍频理论与技术的出现极大地提高了倍频效率，尤其是在低平均功率，连续输出的基频光倍频过程中，外腔谐振倍频能将倍频效率较单通情况提高两个量级，显示出了其巨大的优越性。

非线性频率变换通过晶体的非线性效应（和频、差频、倍频、三倍频、四倍频、和频+倍频等）过程，实现波长从 1-2μm 扩展至 177-5000nm。目前主要采用单次通过周期性极化晶体非线性频率变化和相位匹配的谐振倍频/和频。在更短的波长，周期极化晶体由于透过率和损伤阈值下降变得不再适用超大功率，需要采用传统的非线性晶体实现频率变换，如 BBO，LBO，CLBO 等。

（4）噪声抑制技术

光纤 DFB 种子源强度噪声在 100kHz 以上波段主要受限于谐振腔中的驰豫振荡引入的噪声峰，是谐振腔内受激辐射和增益介质之间相互作用的结果。通过提升驰豫振荡频率的方式降低驰豫振荡峰高度。同时还将在谐振腔外，通过强度调制器和功率放大器进行实时强度补偿和稳定等方式对驰豫振荡峰进行抑制。

光纤 DFB 种子源所产生的单频激光的频率噪声主要来源于泵浦功率波动，腔内增益介质内反转粒子与激光腔内光子非线性相互作用，外界环境扰动包括震动和温度变化等以及腔内的自发辐射和量子噪声等。通过优化驱动电路噪声和泵浦二极管强度噪声来是相移光纤光栅获得更稳定的增益，再结合谐振腔设计，从栅区长度、相移位置、反射谱宽度和反射率等参数出发，使得谐振腔内有更加稳定的增益和反馈分布，来提升输出激光频率稳定性。

针对光纤放大器引入的强度噪声，主要采取以下方法进行避免和降低：采用稳定驱动电路，减小半导体激光器的注入电流波动，从而增强泵浦源功率稳定性，抑制放大器噪声；针对不同波长放大器优化泵浦方式、选择并优化增益光纤，抑制放大器噪声；增益模块采用高效热管理方式，增强模块散热效率，减小温度波动，从而抑制放大器噪声。通过监控光纤放大器输出的噪声情况，反馈到前端进行强度调制，实现主动噪声抑制，实现光纤放大器的高功率，低噪声输出。

（5）稳频技术

目前业界主流稳频方案有三大类：原子分子稳频、超稳光学参考腔稳频和光学频率梳稳频。原子分子稳频基于原子或分子的固有能级跃迁，将激光频率精准锁定在这些天然的“量子频率标尺”上，具有极高的长期稳定性，广泛应用于原子钟研究、精密制造和工业干涉计量中，也是北斗、GPS 等全球卫星导航的核心；

超稳腔稳频则基于超高精细度的腔镜、超低膨胀的玻璃腔体和超高真空的真空系统等，借助精密温控、隔振等技术，保证参考腔的腔长不受外界环境影响，可实现 0.5Hz-200Hz 超窄线宽、短时超高稳定度的激光系统，则是引力波探测、量子精密测量、远程光纤频率分发的“利器”，用于量子计算、光学原子钟研究、移动计量和工业检测等领域；

光学频率梳基于低噪声高稳定锁模激光器，通过锁定射频或光频的方式实现激光频域所有模式的锁定，从而在宽光谱范围内形成高稳定低噪声频率梳齿输出，光梳稳频以光学频率梳为桥梁，利用其超高精度的“频率标尺”将不同频段的激光频率与原子分子稳频、超稳腔稳频关联起来，同时具有超宽波段稳频、超高精度稳频和超高稳定度稳频的特点，为光学原子钟、光谱分析、化学检测等提供了超高分辨率的频率标尺，助力高端制造与前沿检测技术的突破。

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