超高、超快、超短与超稳，是全固态激光器的未来？

作为目前最具潜力的新一代激光光源之一，全固态激光器（DPL）集传统固体激光器和半导体激光器的优势于一身，具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长、光束质量高等优点。

从20世纪80年代至今，全固态激光器的研究发展也在国内科研院所及研究机构的大力攻坚下持续提升。近日，山西大学张宽收教授借“激光器60周年”线上系列活动之际，以其所在实验室在全固态连续单频激光器的研制作为缩影，阐述数十年来国内实验室在全固态激光器研发方面的历程，介绍目前激光器的发展方向，并展望未来研发趋势。

国外买不到，我们自己造

张宽收教授介绍，其所在的山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室，从20世纪80年代中期就开始进行量子光学的实验研究。

作为当时国际上最新的研究领域，量子光学实验研究需要连续单频激光器作为光源，但当时全球市场无法采购到这样的激光器。因此，实验室创始人彭堃墀院士首先开始研制连续单频激光器。当时采用氙灯作为抽运源，但由于严重的热效应，激光器的输出功率、光束质量、稳定性都不能满足量子光学的实验要求。

随着半导体激光器的发展，20世纪90年代初，实验室开始研制半导体激光端面抽运的全固态连续单频激光器。一开始半导体激光器的抽运功率只有1 W左右，采用掺钕YAG作为激光晶体，连续单频输出功率只有几毫瓦。

到2000年初，实验室通过采用掺钕钒酸钇作为激光器晶体，以及通过热不灵敏环形激光谐振腔的设计、整体腔技术等方式，使研制的全固态连续单频绿光激光器输出功率达到200 mW。该激光器获得2002年度的国家技术发明二等奖，在当时位于领先水平。

输出功率升级再升级

2000年以后，根据量子光学、冷原子物理研究需求，实验室在基金委科学仪器专款的支持下，开展了瓦级全固态连续单频激光器的研制，采取利用激光晶体热透镜像散补偿环形谐振腔的像散、双向端面偏振抽运等措施，克服激光晶体热效应的影响，提高了激光器的输出功率。

到2010年，稳定运转的1064 nm连续单频激光器输出功率达20 W，532 nm连续单频绿光激光器的输出功率达10 W，该成果获2011年度山西省技术发明一等奖。

2010年以后，为了进一步满足量子技术、高精度光学测量等领域的应用需求，实验室在科技部863计划、重点研发计划的支持下，开展了高功率、无跳模运转的连续单频激光器的研制。在原理研究上，提出在高功率条件下无跳模单频运转的物理条件，技术上采取直接抽运等一系列措施。在保持激光器光束质量不变的同时，进一步提高了激光器的输出功率。

盘点未来发展趋势

张宽收教授介绍，目前他们实验室研制的1064 nm连续单频激光器的输出功率达100 W，532 nm连续单频绿光激光器的输出功率达30 W。同时，连续单频激光器的中心波长扩展至1342 nm、671 nm以及1550 nm等等。而未来，固态激光器还将在多个方面继续发展。

总的来说，固态激光器将延续现有的四个发展方向：

一是要朝着超高方向发展。目前高能量激光装置已经实现10拍瓦输出，正朝着100拍瓦努力；

二是朝着超快方向发展。目前飞秒激光技术已经成熟，正朝着阿秒脉冲激光努力；

三是朝着超短方向发展。目前已实现167 nm深紫外激光输出；

四是朝着超稳方向发展。目前稳频激光器的线宽可达亚Hz量级。

但是前沿研究离实际应用还有一段距离。从实际应用出发，全固态激光器还需要进一步提高光光效率、提高运转稳定性、缩小体积、实现容易操作等等。

从激光的单色性、方向性和相干性三个角度出发，固态激光器还可在以下几个方面继续努力：

1）如何扩展激光的中心波长。在任何一个波长上都能高效率的获得激光输出，满足应用需求。这也需要材料科学家的大力支持；

2）如何在高功率输出的情况下，使激光器能够长时间无跳模的单纵模运转，而且提高激光器在自由运转时的频率稳定性；

3）如何通过原理研究和技术改进、设计新型晶体结构，克服各种光学畸变的影响，在高功率输出的情况下，获得光束质量M平方因子接近于1的激光；

4）如何在高功率输出的情况下，使全固态激光器小型化、集成化、免调节、易操作；

5）随着引力波信号的探测，高精度、高灵敏度的光学测量将会越来越引人关注。为了提高光学测量的精度和灵敏度，就希望能抑制激光器的额外噪声，最好在整个分析频率范围内都达到散粒噪声基准。