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本文作者牛昌东1，戴瑞峰，刘瑞科1，王超臣1，金 舵1，白振旭1,2，王雨雷1,2，吕志伟1,2,*，（1.河北工业大学 先进激光技术研究中心； 2.河北工业大学 电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室），仅供行业交流学习之用，感谢分享！

单纵模激光器相比于多模运转的激光器，不仅具有稳定性强、光束质量好等优点，而且其输出谱线窄、具有良好的相干性，在钠导星技术、多普勒测风雷达、光通信、精密测距、引力波探测、非线性光学、工业以及国防等领域发挥着重要的作用。其 中，固体单纵模激光器具有工作波长范围宽、功率拓展性强等优点，得到了广泛的关注和应用。然 而，对固体激光器而言，实现稳定的单纵模运转，需要根据不同的工作条件采取不同的纵模选择技术。

常见选模技术包括增强模式竞争的短腔法、F-P标准具法、消除空间烧孔效应的单向环形腔法、扭摆模腔法以及使用色散腔的体布拉格光栅法，以上技术工作在阈值附近或工作在一定的功率范围内，导致获得的单纵模激光输出能量较低。为改善输出能量问题，诞生了种子注入技术，它能够通过主动器件的控制，有效实现单纵模激光的放大并实现高功率或高能量的输出，但其结构及控制系统比较复杂。此外，当单一选模结构无法有效实现单纵模输出时，也可采用多种结构复合的方式进行纵模选取。以上方法各有利弊，适用环境也不尽相同。文中结合一些实例，从单纵模的选模方法和单纵模激光器应用两方面进行综述，期望为从事固体单纵模激光器研发及相关应用的人员提供参考。

1 固体激光器单纵模选择技术

1.1 短腔法

对于一个固定参数的谐振腔，腔内能谐振的纵模是确定的，其纵模间隔与腔长成反比关系。激光器运转时，由于纵模之间的竞争，只有增益带宽内的纵模更容易保留下来，输出激光的纵模数量可用增益线宽与纵模间隔的比值来描述。因此，缩短腔长增大相邻纵模之间的间隔能够使有效带宽之内只存在一个纵模，是最直接的实现单纵模运转的方法。

1979年 Kubodera等首次提出基于 LNP的微片激光器，其结构如图1所示。

泵浦源采用 GaAlAs 激光器，端面泵浦厚度为300 μm 的 LNP 晶体，在室温条件下得到 2 [email protected] μm 和 0.5 [email protected] μm 的 单 纵 模 输 出 。1989年Zayhowski使用Ti:Al2O3激光器泵浦Nd:YAG薄片，在室温下最高获得22 mW的连续单纵模输出，斜效率超过 30%，外差测量线宽少于 5 kHz，但由于受热效应的影响其结果不可重复。2010年Li等提出了端面泵浦厚度为0.5 mm的Ho:YVO4微片，在77 K极低温情况下获得1.2 W多纵模输出，将冷却温度提高至15 ℃时，通过调整输出功率和泵浦焦点位置，输出变为8 mW的2 052.6 nm单频光。

激光二极管（LD）泵浦的短腔激光器结构简单便于生产，而且容易实现单纵模输出的优点，越来越受到人们的关注。但腔长限制了增益介质的长度，难以实现高功率输出，而且增益介质线宽较宽时，晶体和谐振腔要压缩至很小，对生产工艺要求较高。未来发展趋势主要是寻找更合适的泵浦源，或使用耦合系统提高泵浦光的利用率，改进生长工艺得到更好性能的激光晶体以提高输出激光的稳定性。

1.2 标准具法

在谐振腔内插入标准具选模的方法，与短腔法在原理上有些类似，都是使得有效增益带宽范围内只起振一个纵模。区别在于标准具法是利用标准具的窄线宽透射谱，增大其他纵模的损耗，其他纵模因透射率小而在模式竞争过程中被滤除，从而实现单纵模运转。而且通过对标准具的角度以及温度的控制，还可获得可调谐输出。其结构如 图2所示。

2010 年哈尔滨工程大学 Zhang等在 LD 泵浦的 Tm,Ho:YLF 激光器中，组合使用两个厚度分别为 0.1 mm 和 1 mm 的标准具，室温获得了能量为118 mW 的2 μm单纵模激光输出，同时通过对1 mm标准具的调节，可实现超过 1 GHz 的频率调谐。2015 年，哈尔滨工业大学 Dai等人设计了一种单纵模Tm，Ho:YVO4激光器，使用双F-P标准具，获得波长2 051 nm最大输出功率95 mW的单纵模输出。2017年，哈尔滨工业大学的Yang等人设计了一种用 Tm：YAP 激光器泵浦 Ho:SSO 晶体的单纵模激光器，它的结构如图 3所示。它采用双腔结构，前腔为四镜环形腔，增益介质为Tm:YAP晶体，后腔增益介质为Ho:SSG晶体。分别在前后腔各放置一个F-P标准具，前腔标准具选择匹配 Ho:SSO晶体吸收光谱的波长，后腔标准具对输出纵模进行选择。在两个腔之间使用厚度分别为25 mm和45 mm的棱镜进行模式匹配。当入射功率为10.2 W时，获得最大输出功率590 mW的2 111.9 nm波长输出，此时斜效率9.7%。

使用标准具进行模式选择，整体结构简单，元件紧凑，但由于标准具损耗大，难以获得高功率输出，因此这种方法适合设计小型激光器。为获得高功率的输出，需要将标准具选模的单纵模激光器作为种子源进行功率放大。

1.3 单向环形腔法

理论上，谐振腔中的模式竞争会使主振荡模能够在腔内以单纵模状态振荡。但实际的激光器中，由于腔内光场是驻波场，受空间烧孔效应的影响，反转粒子数也会在空间中不均匀分布。当主振荡模的波腹与其他纵模的波节有效重合时，两纵模可能会在不同空间处发生振荡。将谐振腔设计成单向运转的环形腔，腔内行波场可有效避免空间烧孔效应带来的影响，实现单纵模运转。单向环形腔的代表性结构就是非平面环形腔（NPRO），其结构如图4所示。

2009 年高春清等人使用 LD 泵浦 NPRO 结构Nd:YAG 晶体，设计出 1 064 nm 和 13 19 nm 单纵模激光器，输出功率为 1.876 W 和 616 mW，对应斜效率为60.3%和19.2%。当使用YAG、Tm:YAG双键合晶体的 NPRO 结构时，得到 2 012 nm 单纵模激光输出 ，键 合 晶 体 有 效 的 减 少 了 激 光 器 的 热 效 应 。2013 年北京理工大学 Wang等采用单块 Ho:YAG晶体非平面结构，如图 5 所示。

Tm:YLF 激光器用于产生 1 907 nm激光，调整泵浦位置后得到了8.0 W的2 122 nm单频输出，x、y方向光束质量因子经测量分别为1.016和1.053。同年，该课题组 Wang[16]使用相同结构泵浦 Er:YAGNPRO 晶 体，实现了功率10.5 W、线宽18.6 kHz的单纵模激光振荡，x、y方向光束质量因子为1.09和1.24。非平面环形腔激光器使用一体化的结构，相比于分立式结构插入损耗小，同时具有更高的稳定性，可获得稳定的高功率单频输出。此外，该方法通过对晶体温度和压电陶瓷的控制可实现激光频率的慢、快调谐，在相干光通信领域有很好的的应用前景。

1.4 扭转模腔法

扭摆模腔法同样可消除空间烧孔效应带来的影响。扭摆模腔法是将光经过起偏器后，通过放置在晶体两端的1/4波片，两波片快轴相互垂直，使得增益介质内部光场呈现均匀分布，抑制多纵模消耗反转粒子数，因此从根本上消除空间烧孔效应。其结构如图6所示。QWP1和QWP2为四分之一波片。

2011年，北京理工大学Gao等报道了使用扭摆腔结构的Tm:YAG激光器，得到2 μm单纵模激光输 出，斜效率为 19.2%。2019 年，南京科技大学 Luo等使用扭转模腔的方式设计出一种直接振荡在640 nm的二极管泵浦Pr:YLF全固态单纵模激光器，结构如图 7 所示。在 3.5 W 蓝光泵浦下，获得了403 mW 单纵模输出，线宽 150 MHz，斜效率 26.8%。光束质量因子水平方向为1.10，垂直方向为1.07。

由于扭摆腔法结构简单、出现单纵模几率大，已经被证实是一种较好的单纵模选择方法。但该方法也存在着局限性，它只适用于使用各向同性介质的激光器，而且其对偏振态变化敏感，热效应等因素对于偏振态的影响将会降低单纵模出模率，因此需要对晶体的热问题加以控制及补偿。

1.5 体布拉格光栅法

体布拉格光栅滤光也是一种可供选择的实现单纵模的方案。体布拉格光栅作为滤光元件，有着极好的光学性能，能够在特定的波长或波段实现高反射，有良好的光谱选择性和角度选择性。2013 年，Sun等提出使用反射式体布拉格光栅（RBG）作为输出镜，利用主动调 Q 得到稳定的1 063.9 nm单纵模脉冲输出，其装置如图8所示。

光学腔长38 mm、调Q后的重复频率为5~150 Hz条件下，峰值功率 0.66 MW，脉冲宽度 645 ps。当光学长度达到 100 mm 时会出现多模，而且增益晶体长度仅有 2.6 mm，限制了功率的进一步提高。2015年，Jin等采用 RBG 和石墨烯被动调 Q 的方式，实现单频脉冲激光输出，输出功率 724 mW，单脉冲能量7.5 μJ，重频96.2 kHz，脉冲宽度2.2 μs。被动调Q增大了脉冲建立时间，激光在腔内振荡次数增多，有利于实现单纵模，但是被动调 Q 输出脉冲存在时间抖动，限制了它的应用范围。

激光器由于增益介质的限制导致谐振腔长度不能进一步的缩短，导致可能会出现光栅带宽大于纵模间隔的情况，无法仅凭单个体布拉格光栅实现单纵模运转，因此需要采用多个体布拉格光栅相结合的方式进行模式选择。2009年，北京工业大学的惠勇凌等提出了一种基于组合体布拉格光栅的单纵模激光器，其结构如图9所示。

组合使用透射和反射光栅，对输出光角度和波长进行选择，使激光器实现单纵模振荡并获得了波长1 053 nm、脉冲能量2 mJ的输出。体布拉格光栅有着优秀的热稳定性，可承受400 ℃高温，热偏移量仅在皮米量级，而且其损伤阈值高，脉宽1 ns时可达11 J/cm2。凭借这些优点使它成为良好的选模元件，可提高激光器的稳定性，但其造价较高，且口径仅在毫米量级。

1.6 种子注入技术

直接通过振荡器产生单纵模输出的方法，输出功率普遍较低，为得到高功率或大能量的单纵模输出，需要在原有的性能基础上进行光放大，可通过种子注入技术来实现，其基本结构如图10所示。

种子光注入技术的基本思路是将小功率的单纵模激光注入谐振腔中，注入的种子光比自由振荡的模式更具优势，因此从动振荡器中与种子光频率最接近的模式会优先起振，形成锁定实现单纵模。使用压电陶瓷或电光晶体，在泵浦脉冲下降沿附近连续改变谐振腔腔长，使谐振腔更易发生锁定。当腔内发生注入锁定时打开 Q开关，输出高功率的脉冲激光，单纵模特性不会发生改变。常见的种子注入技术有建立时间最小化技术、谐振探测技术。

1.6.1 建立时间最小化技术

斯坦福大学的Park等人首先发现种子光频率与振荡模式的频率越接近，越容易实现单纵模输出，脉冲建立时间越短，他们根据这一现象提出并应用了建立时间最小化技术。对相邻脉冲的建立时间进行测量，并反馈给压电陶瓷驱动器（PZT）控制谐振腔腔长，最终保持最小的建立时间。2007年，Schrod⁃er等使用建立时间最小化技术，设计出用于多普勒测风激光雷达的单频紫外激光器。种子注入激光器输出1 064 nm激光，经过两级双程放大，通过非线性晶体后，得到355 nm紫外脉冲光，脉冲能量60 mJ，脉 宽25 ns。这种技术对压电陶瓷和电路控制系统的要求较低，相对于之后要介绍的谐振探测技术要容易设计，适用于稳定性要求低的场合。

1.6.2 谐振探测技术

1986 年 ，Henderson首 次 提 出 扫 描 - 触 发（Ramp-fire）谐振探测技术。种子光注入谐振腔内，通过偏振片会分成水平偏振光和反射到腔外的垂直偏振光，水平偏振光在腔内往返一周后变为垂直偏振，再次通过偏振片P时反射到腔外，通过偏振控制器调节种子光偏振态，使反射光产生强干涉波形。再利用 PZT改变谐振腔长度，同时实时检测干涉波形，当检测到干涉峰时腔内完成注入锁定，打开 Q 开关输出单纵模激光。2017 年北京理工大学高春清课题组根据此技术研制了种子注入的Ho:YAG激光器，单块Ho:YAG非平面环形腔激光器作为泵浦源，从动腔采用声光调Q蝶形四镜环形腔，获得输出2.09 μm单纵模输出，脉冲能量6.24 mJ，脉 宽172 ns，重频1 kHz。Ramp-fire谐振探测技术虽然控制电路的设计较困难，但是输出的激光拥有更高的频率稳定性，抗干扰能力强，能保证100% 单纵模输出。如何优化压电陶瓷的控制方法和谐振探测电路的稳定性，以提高工程应用激光器的频率稳定性和激光器的寿命，是未来的发展方向。

1.7 复合法

复合法包括复合腔法和复合结构法。复合腔是相对于简单腔的概念，它是指在谐振腔当中存在着多条光路，每条光路称为一个子谐振腔，满足两个腔谐振条件的纵模才可以优先起振。典型复合腔结构有干涉式复合腔，其中又包括了Michelson干涉式复合腔和Fox-Smith干涉式复合腔，它们是使用干涉仪代替反射镜作为腔镜，其结构如图11所示。

M和 M1组成一个子谐振腔，M和 M2组成另一个子谐振腔，振荡光依次在两个腔中往返，振荡中心频率应同时满足两个腔的振荡条件，因此纵模间隔将变成两腔腔长的函数，调节子腔腔长增大纵模间隔，有利于单纵模输出。复合腔虽然能够有效提高选模精度，但结构复杂不便于调节，稳定性有限。

复合结构法是使用多种结构相结合的方法，由于加工工艺或自身特性等限制，使用单种结构无法有效对纵模进行选择时，可复合多种结构来提高单纵模的出模率。2014 年，上海光机所的 Zhang等 人，采用扭摆模腔结构，结合谐振探测技术，得到双脉冲单纵模脉冲输出，结构如图 12所示。使用双晶 RTP电光调制器时，单脉冲能量可达 10 mJ，脉宽20 ns，重频 50 Hz，光转换效率与斜效率分别为22.4% 和 33%。但通过压电陶瓷（PZT）控制腔长来满足谐振条件，会产生波动，同时 PZT 的滞后效应会降低稳定性。

为克服 PZT 的缺点，3 年后 Zhang将 PZT 替换为电光晶体，结构如图13所示。

使用扫描-延迟-触发谐振谐振探测技术控制腔长，提高了激光器的稳定性，将激光器输出提升至脉冲能量 13 mJ，脉宽 20 ns，重频 50 Hz，光转换效率与斜效率分别为27%和34%。

2019年，北京工业大学的胡星等采用RBG和F-P 标准具结合的方式共同进行模式选择，并利用加压式调Q方式，结构如图14所示。

腔长 145.7 mm 条件下可实现稳定单频脉冲输出，功率 750 mW，单脉冲能量 75 μJ@10 kHz，脉宽8.3 ns。2020 年，河北工业大学的金舵等采用主被动双调 Q 结合多种选纵模技术，结构如图 15 所 示。

在可饱和吸收晶体调节腔内损耗的基础上，结合谐振反射器（标准具）及扭摆腔膜的方法获得了单脉冲能能量为10.8 mJ、脉宽为9.8 ns，单纵模率为96.2%的对称脉冲激光输出。

1.8 方法对比

前文总结了实现单纵模的几种常见方案。短腔法和标准具法虽结构简单成本低，可输出功率受限。单向环形腔法和扭摆模腔法消除了空间纵模竞争带来的影响，提高了输出单纵模的效率，但灵敏度高难以调节。体布拉格光栅法优势在于光栅性能不易受温度影响稳定性高，缺陷则在于对宽带宽增益介质的选模特性有限。通过以上方案虽可实现单纵模输出，但功率普遍较低，种子光注入法可在保证单纵模的前提下有效提高输出功率，只是输出特性受种子光影响明显。复合法选模精度更高，能够有效选择单纵模，弊端在于结构复杂，抗干扰能力低，稳定性较差。表 1 列出各方法的对比。

2 单纵模激光器应用

单纵模激光器具有输出谱线非常窄，良好的相干性等优点，使用其作为光源可降低干扰提高准确性，在许多领域发挥重要作用。下面对典型的单纵模激光器应用作介绍。

2.1 钠导星

由于大气湍流效应的存在，光学望远镜使用过程中图像会出现模糊，为补偿这一不利影响，提出了自适应光学校正技术。而自然导星数量不足导致天空覆盖率较低，因此需要人造导星帮助实现校正过程。在85~105 km的大气层中分布着电离态的钠离子，地面发射589 nm激光会使钠层共振产生后向散射，形成人工引导星。后向散射光中携带着光路相差信息，地面接收后采用自适应光学技术控制变形镜，修正大气湍流带来的影响，得到清晰的图像。

钠导星技术的关键在于黄光激光源，如何获得稳定高效的单纵模 589 nm 激光至关重要。由于目前自然界中尚未发现直接激发 589 nm 的固体介质，因此黄光的获取要与非线性频率变换技术相结合。双红外激光和频产生钠黄光是一种较为成熟的技术方案，主要方法是先使用纵模选择技术得到 1 064 nm 和 1 319 nm 稳定单频激光，再利用非线性晶体的非线性和频特性产生 589 nm单频激光。这种方案又可细分为腔内和频和腔外和频两种方式，腔内和频方式结构紧凑，激光器体积较小，但考虑到功率、线宽等方面的需求，腔外和频方式是更为合适的方案，其简单示意图如图16所示。

2009 年，鲁燕华等人提出一种基于腔外和频方式的589 nm黄光钠导星激光器，由于1 064 nm和 1 319 nm 种子激光器的增益及线宽存在差异，因此两激光器中分别使用三块和单块标准具进行纵模选择。为提高和频效率需要对单频光进行时域匹配，因此激光器在声光 Q开光的驱动源中增加延迟补偿模块，补偿两光之间的相位差，使其在时域更好地同步。该激光光源可获得平均功率 1.0 W，中心波长 589.159 nm，线宽 1.8 GHz 的钠导星激光输出，经发射装置发射到 90 km 高度的大气层能够接收到后向散射光。

另一种产生黄光的思路是基于受激拉曼散射效应的拉曼激光技术，其实现方案可分为两类：一种是 1 064 nm 单频光通过受激拉曼散射频移到1 178 nm，再通过倍频晶体转化为589 nm激光输出；另一种是将1 064 nm单频光先通过倍频输出532 nm激光，再通过拉曼频移到589 nm。2014年李小丽提出一种新型方案，采用拉曼倍频结构中结合扭摆模腔的方法，通过控制基频光的偏振态消除空间烧孔效应，实现单纵模黄光输出。拉曼激光器结构紧凑、成本较低，能有效产生和黄光输出。随着光纤材料性能的快速提升，设计钠导星激光器的难度将进一步降低，基于光纤拉曼散射的钠导星激光器将是研究重点。

2.2 测风雷达

测风雷达用于探测高空中大气层的风向、风 速、气压等因素，在军事、民航等领域有着广泛应用。测风雷达是利用光的多普勒效应，向大气层中发射脉冲激光，大气层中的粒子将与激光相互作用产生回波，由于多普勒效应的存在回波光与发射光存在着一定的频移量，通过测量频移量就可反演出大气中的风速信息。空气中气溶胶运动引起的频移量相对于激光频率来说要小得多，很难通过直接测量提取出，因此常采用相干探测技术获得更高精度，其原理图如图17所示。

将后向散射光与本振光混频得到干涉信号，利用光电探测器检测，就可得到承载风速信息的中频信号。

由于相干检测技术对于频率的灵敏度很高，因此其对于光源有一定要求，激光线宽要足够窄，这样可减低噪声干扰，提高测量精度。多普勒测风雷达早期使用 10 μm 波段的 CO2激光器，由于稳定性差逐渐被取代，2 μm 波段的全固态激光器占据主流。2011 年上海光机所舒仕江等人提出一种用于激光雷达的 2 μm 固体激光器，激光器采用主振荡-功率放大（MOPA）结构，种子激光器中使用一薄一厚双标准具，抑制纵模并调谐于 2 051~2 056 μm 范围，振荡放大器采用四镜环形腔结构消除空间烧孔效应，且加入 Ramp-fire 技术进行控制。经探测发现，种子注入放大后的激光工作于单纵模模式，单频脉冲激光的能量可达百焦耳级，重复频率为5 Hz，但整体光-光效率较低仅为1.1%，这是由于泵浦光没有得到有效利用，后续可针对这一问题进行改进。近些年来1.5 μm波段激光器快速发展，由于其工作在人眼安全波段，之后将成为研究热点。

2.3 相干光通信

随着信息化进程的推进，信息爆炸性增长，人类社会对于数据传输的需求急剧增加，高传输速率光传输系统的研制迫在眉睫，如何在不改变频带资源的前提下提高数据传输速率成为关键问题。传统光通信系统采用强度调制/直接检测，仅对振幅进行调制，频谱利用率低，且中继距离短，使用过程中存在诸多弊端，相干光通信技术为这一问题提供了解决方案。相干光通信系统使用单纵模光源作为载波信号，其窄线宽、长相干长度的特点，使得在发射端不仅可对幅度进行调制，频率、相位、偏振态也可承载信息，不同复用方式可选择不同的参量作为信息的载体，复杂调制方案还可同时对多个参数进行共同调制，由于可调制维度的增加，能够承载的信息量大大增加，提升了频带利用率，可充分发挥光通信的优势。2011 年朱韧等人提出一种可调谐 Nd:YAG 固体激光器，激光晶体采用 NPRO 结构消除空间烧孔效应，获得 1 W 单纵模输出，激光线宽小于 2 kHz，并且通过控制可实现激光频率的调谐，温度控制可实现 15 GHz 范围的慢调谐，压电陶瓷控制可实现 200 MHz范围的快调谐，响应时间为 45 μs，该激光器在光通信领域有很好的应用前景。除承载信息量方面的优势外，相干光系统还具有更高的灵敏度和更长的传输距离，因此发射端天线口径可大幅度减小。

2.4 引力波探测

以往对于自然界的观测依靠电磁波完成，引力波的探测提供了一个新的探测手段，对于了解天体演变、宇宙起源等时空变化有巨大帮助。目前世界上的地面探测装置有美国的 LIGO、澳大利亚的 AIGO、日本的 KAGRA、德英合作的 GEO 以及意法合作的 Virgo。我国由于空间技术发展迅速，对空间引力波探测更为关心，目前有“太极”和“天 琴”两个空间引力波计划。

LIGO是世界上首个大型地面引力波探测装置，LIGO的简易结构如图18所示。

由于引力波的影响，干涉仪两臂相对长度将发生微小变化，相位存在差异的两个光场发生干涉，引力波引起的微小变化体现在这个干涉信号之中。为获得足够灵敏度，干涉臂采用法布里-玻罗谐振腔，激光在腔中振荡约300次才返回分束镜，光场相位对于长度的灵敏度得到了300倍的增强。2015年凭借该装置在试运行阶段就探测到首个引力波信号GW150914，之后又探测到多起引力波事件。

3 结 论

综述了固体单纵模激光器的主要技术方案及特点，对比了各方法的优缺点，并对单纵模激光器的应用作简单介绍。随着科学研究的进步，同时在日益增长的市场需求牵引下，未来对激光器特定性能需求也将越来越高，这使得激光器必定向着小型化、稳定、高效、窄线宽、大能量、高重频的方向发展。此外，除了直接的选模方法，近几年人们也通过结合非线性光学的方式实现了多个波段的单纵模激光的输出，并获得了良好的单纵模选择或线宽优化效果。如何提高现有单纵模激光器的稳定性和提升性能指标，以及探索实现单纵模激光的新方法，将是未来发展的趋势，并有望进一步提升单纵模激光器的技术指标。