基于种子注入锁定的窄线宽低噪声单频Nd∶YVO<sub>4</sub>激光器

范文强; 阎治霖; 郭文博; 张龙杰; 陈义夫; 颜秉政; 王雨雷; 吕志伟; 白振旭

doi:10.3788/gzxb20265503.0314001

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基于种子注入锁定的窄线宽低噪声单频Nd∶YVO₄激光器

激光与激光光学 | 更新时间：2026-04-21

- 基于种子注入锁定的窄线宽低噪声单频Nd∶YVO₄激光器
- Seed-injection-locked Narrow-linewidth， Low-noise Single-frequency Nd∶YVO₄ Laser
- 光子学报 2026年55卷第3期页码：244-250
- 作者机构：
  
  1.河北工业大学先进激光技术研究中心，天津 300401
  2.河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
- 作者简介：
  
  范文强，q1455141481@163.com
  白振旭，baizhenxu@hotmail.com
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2024YFE0206000);国家自然科学基金(62375076;61927815);天津市自然科学基金(22JCYBJC01100);河北省杰出青年科学基金(F2023202063);河北省高等学校科学研究项目(JCZX2025003);石家庄市科技合作专项(SJZZXC24006)
- DOI：10.3788/gzxb20265503.0314001
  中图分类号： TN248.1
- CSTR：32255.14.gzxb20265503.0314001
- 收稿：2025-10-15，
  
  修回：2025-11-23，
  
  录用：2026-01-14，
  
  纸质出版：2026-03-25
- 稿件说明：
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范文强，阎治霖，郭文博，等. 基于种子注入锁定的窄线宽低噪声单频Nd∶YVO₄激光器［J］.光子学报，2026，55（3）：0314001

FAN Wenqiang， YAN Zhilin， GUO Wenbo， et al. Seed-injection-locked Narrow-linewidth， Low-noise Single-frequency Nd∶YVO₄ Laser［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0314001
范文强，阎治霖，郭文博，等. 基于种子注入锁定的窄线宽低噪声单频Nd∶YVO₄激光器［J］.光子学报，2026，55（3）：0314001 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0314001. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0314001.

FAN Wenqiang， YAN Zhilin， GUO Wenbo， et al. Seed-injection-locked Narrow-linewidth， Low-noise Single-frequency Nd∶YVO₄ Laser［J］. Acta Photonica Sinica， 2026， 55（3）：0314001 DOI： 10.3788/gzxb20265503.0314001. CSTR： 32255.14.gzxb20265503.0314001.

摘要

采用种子注入锁定放大技术，并结合Pound-Drever-Hall稳频方法，实现了种子光的高稳定放大。实验结果表明，在种子光注入条件下，当泵浦功率为38.12 W时，获得了线宽仅为7.0 kHz、输出功率为13.5 W的单频光，输出功率的不稳定度低于0.18%，且在60 min内的波长漂移仅为132.41 MHz，显著低于自由运行种子光的300 MHz，展现了出色的功率和波长稳定性。

Abstract

Single-frequency continuous-wave lasers are critically important for advanced applications in quantum information science， high-precision metrology， and lidar systems. These applications demand laser sources that combine a narrow linewidth， low amplitude and frequency noise， and high temporal coherence. A significant challenge in the field is scaling the output power of such lasers while simultaneously preserving their superior spectral purity and high stability. Conventional techniques for achieving single-frequency operation often face limitations in power scaling due to thermal effects and nonlinearities.

This research demonstrates a high-power， single-frequency Nd∶YVO₄ laser system utilizing the seed injection-locking technique. A stable， narrow-linewidth fiber laser operating at 1 064 nm serves as the master oscillator. The slave laser is configured as an “8”-shaped ring resonator， which is pumped by an 888 nm diode laser. A composite Nd∶YVO₄ crystal is used as the gain medium to mitigate thermal lensing effects. Active frequency stabilization is implemented using the Pound-Drever-Hall （PDH） method. An error signal， derived from the cavity transmission， feeds back to a piezoelectric transducer to control the slave cavity length， thus locking it to the seed laser frequency.

Under optimal injection-locking conditions and at a pump power of 38.12 W， the laser delivers a maximum output power of 13.5 W in a single longitudinal mode. The linewidth of the amplified output is measured to be 7.0 kHz. This represents only a minor broadening compared to the 5.6 kHz linewidth of the original seed laser. The system exhibits excellent power stability， with a root-mean-square power instability of less than 0.18% over a continuous 60-minute period. Furthermore， the frequency stability is significantly enhanced through injection locking. The long-term wavelength drift is reduced to 132.4 MHz， a substantial improvement over the 300 MHz drift observed for the free-running seed laser. A detailed frequency noise characterization reveals effective suppression of noise at low Fourier frequencies （1~100 Hz） in the locked state compared to the free-running slave laser. A slight increase in noise is observed at higher frequency offsets， which is attributed to residual mechanical vibrations from the locking actuator. These results confirm that the seed injection-locking technique successfully amplifies the optical power while maintaining the spectral characteristics of the seed. Crucially， this high stability is achieved without the need for active frequency stabilization of the seed laser itself. This work contributes by achieving a compelling combination of high power （13.5 W）， narrow linewidth （7.0 kHz）， and high stability at the important 1 064 nm wavelength. A key finding is that this high stability is accomplished without requiring active stabilization of the seed laser itself. The results robustly demonstrate that the seed injection-locking technique is a highly effective method for amplifying optical power while simultaneously preserving and even enhancing the frequency stability and spectral characteristics of the original seed source.

In conclusion， this research successfully realizes a high-power， narrow-linewidth， low-noise single-frequency Nd∶YVO₄ laser. The system exhibits outstanding power and frequency stability， making it suitable for demanding applications. The approach provides a viable and practical pathway for developing high-performance single-frequency lasers. Future work will focus on refining the feedback control system to achieve even lower frequency noise. Additionally， the integration of intracavity nonlinear frequency conversion techniques， such as second harmonic generation， could be implemented to produce high-power， single-frequency radiation at other strategically important wavelengths， further expanding the utility of this laser architecture.

关键词

Keywords

references

BRAUNSTEIN S L ， VAN LOOCK P . Quantum information with continuous variables ［J］. Reviews of Modern Physics ， 2005 ， 77 （ 2 ）： 513 - 577 .

WEHNER S ， ELKOUSS D ， HANSON R . Quantum internet： a vision for the road ahead ［J］. Science ， 2018 ， 6412 ： 362 .

COLLABORATION T L S ， AASI J ， ABBOTT P B ， et al . Advanced LIGO ［J］. Classical and Quantum Gravity ， 2015 ， 32 （ 7 ）： 074001 .

MAURANYAPIN N P ， MADSEN L S ， TAYLOR M A ， et al . Evanescent single-molecule biosensing with quantum-limited precision ［J］. Nature Photonics ， 2017 ， 11 （ 8 ）： 477 - 481 .

CHEN C Y ， WANG Q ， HUANG S ， et al . Single-frequency Q-switched Er： YAG laser with high frequency and energy stability via the Pound-Drever-Hall locking method ［J］. Optics Letters ， 2020 ， 45 （ 13 ）： 3745 - 3748 .

CHEN C ， GAO C ， WANG Q . Injection-seeded 10 kHz repetition rate Er： YAG solid-state laser with single-frequency pulse energy more than 1 mJ ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 10 ）： 16044 - 16052 .

FU Shijie ， XU Haichen ， TIAN Hao ， et al . Research progress on high power and high energy pulsed single‐frequency fiber laser amplifiers （Invited）［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2024 ， 51 （ 19 ）： 1901001 .

付士杰，许海琛，田浩，等 . 高功率和高能量脉冲单频光纤激光放大器研究进展（特邀）［J］. 中国激光， 2024 ， 51 （ 19 ）： 1901001 . DOI: 10.3788/CJL240994 http://dx.doi.org/10.3788/CJL240994

CHEN Dijun ， LI Tang ， ZHOU Cuiyun ， et al . Ultrastable space laser technology （Invited）［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2024 ， 51 （ 11 ）： 1101020 .

陈迪俊，李唐，周翠芸，等 . 空间超稳激光技术（特邀）［J］. 中国激光， 2024 ， 51 （ 11 ）： 1101020 . DOI: 10.3788/CJL240453 http://dx.doi.org/10.3788/CJL240453

BAI Z ， ZHAO Z ， TIAN M ， et al . A comprehensive review on the development and applications of narrow‐linewidth lasers ［J］. Microwave and Optical Technology Letters ， 2021 ， 64 （ 12 ）： 2244 - 2255 .

LU Huadong ， LI Jiawei ， JIN Pixian ， et al . Research progress on enhancing the output power of all-solid-state single-frequency continuous-wave lasers by using intracavity nonlinear loss mode-selecting technology （invited）［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2024 ， 53 （ 1 ）： 20230592 .

卢华东，李佳伟，靳丕铦，等 . 利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展（特邀）［J］. 红外与激光工程， 2024 ， 53 （ 1 ）： 20230592 . DOI: 10.3788/IRLA20230592 http://dx.doi.org/10.3788/IRLA20230592

DONG Xiaoyue ， LIU Shuang ， BI Guojiang ， et al . Single-frequency Nd∶YAG Pulsed Laser at 1 116 nm ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2024 ， 53 （ 1 ）： 0114002 .

董啸岳，刘爽，秘国江，等 . 1116 nm单频脉冲Nd∶YAG激光器［J］. 光子学报， 2024 ， 53 （ 1 ）： 0114002 .

ZHANG M ， GAO C Q ， GAO M W ， et al . 16 W single-frequency laser output from an Er∶YAG ceramic nonplanar ring oscillator ［J］. Laser Physics Letters ， 2018 ， 15 （ 12 ）： 125803 .

EBERT J ， CEBECI P ， HOEFER M ， et al . Single-frequency Ho： YAG nonplanar ring oscillator as a seed laser for next generation gravitational wave detectors ［C］. Solid State Lasers XXXIV： Technology and Devices， SPIE ， 2025 ， 13341 ： 36 - 40 .

ZAYHOWSKI J J ， MOORADIAN A . Single-frequency microchip Nd lasers ［J］. Optics Letters ， 1989 ， 14 （ 1 ）： 24 - 26 .

NAGAI H ， KUME M ， OHTA I ， et al . Low-noise operation of a diode-pumped intracavity-doubled Nd∶YAG laser using a Brewster plate ［J］. IEEE Journal of Quantum Electronics ， 1992 ， 28 （ 4 ）： 1164 - 1168 .

HAO E ， LI T ， TAN H ， et al . Single-frequency laser at 473 nm by use of twisted-mode technique ［J］. Optics Communications ， 2007 ， 270 （ 2 ）： 327 - 331 .

WALASIK W ， TRAORÉ D ， AMAVIGAN A ， et al . 2-μm narrow linewidth all-fiber DFB fiber Bragg grating lasers for Ho-and Tm-Doped fiber-amplifier applications ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2021 ， 39 （ 15 ）： 5096 - 5102 .

GUO J ， MCLEMORE C A ， XIANG C ， et al . Chip-based laser with 1-hertz integrated linewidth ［J］. Science Advances ， 2022 ， 8 （ 43 ）： eabp9006 .

KWEE P ， BOGAN C ， DANZMANN K ， et al . Stabilized high-power laser system for the gravitational wave detector advanced LIGO ［J］. Optics Express ， 2012 ， 20 （ 10 ）： 10617 - 10634 .

MARIENKO I G ， ZHI M ， KHIZHNYAK A I ， et al . Injection-seeded single-longitudinal-mode Ti： sapphire laser with no active stabilization ［J］. Optics Express ， 2020 ， 28 （ 17 ）： 25444 - 25459 .

FREDE M ， WILHELM R ， BRENDEL M ， et al . High-power injection-locked single-frequency laser for the next generation of ground-based gravitational wave detectors ［C］. Advanced Solid-State Photonics.， February 1-4， 2004 ， Santa Fe， New Mexico United States. Optica Publishing Group ， 2004 ： 274 .

KOCH P ， BARTSCHKE J ， L'HUILLIER J A . Single-mode deep-UV light source at 191.7 nm by seventh-harmonic generation of a high-power， Q-switched， injection-locked 1 342 nm Nd∶YVO 4 laser ［J］. Applied Optics ， 2016 ， 55 （ 8 ）： 1871 - 1877 .

SUN Guixia ， LING Feitong ， XIONG Ming ， et al . A tunable CW single-frequency 1 342 nm injection locked ring laser ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 7 ）： 0701004 .

孙桂侠，凌菲彤，熊明，等 . 单频可调谐连续1 342 nm注入锁频环形激光器［J］. 中国激光， 2021 ， 48 （ 7 ）： 0701004 . DOI: 10.3788/CJL202148.0701004 http://dx.doi.org/10.3788/CJL202148.0701004

ZHOU Zihan ， WANG Zhimin ， BO Yong ， et al . A high-power single-frequency continuous-wave 1 342 nm Nd∶YVO 4 laser with injection-locking ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2024 ， 53 （ 1 ）： 20230366 .

周子涵，王志敏，薄勇，等 . 基于注入锁定技术的单频连续高功率1342nm Nd：YVO 4 激光器［J］. 红外与激光工程， 2024 ， 53 （ 1 ）： 20230366 . DOI: 10.3788/irla20230366 http://dx.doi.org/10.3788/irla20230366

GUO Y ， XU M ， PENG W ， et al . Realization of a 101 W single-frequency continuous wave all-solid-state 1 064 nm laser by means of mode self-reproduction ［J］. Optics Letters ， 2018 ， 43 （ 24 ）： 6017 - 6020 .

ZHAO Z ， BAI Z ， JIN D ， et al . Narrow laser-linewidth measurement using short delay self-heterodyne interferometry ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 17 ）： 30600 - 30610 .

JIN D ， BAI Z ， ZHAO Z ， et al . Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers ［J］. High Power Laser Science and Engineering ， 2023 ， 11 ： e47 .

LIU Z ， ZHENG H ， LI C ， et al . Advances in laser linewidth measurement techniques： a comprehensive review ［J］. Micromachines ， 2025 ， 16 （ 9 ）： 990 .

LI Ming ， HUANG Yafeng ， YE Meifeng ， et al . Low-noise frequency stabilized laser for space-based gravitational wave detection ［J］. Acta Optica Sinica ， 2023 ， 43 （ 19 ）： 1914001 .

李明，黄亚峰，叶美凤，等 . 面向空间引力波探测的低噪声稳频激光器［J］. 光学学报， 2023 ， 43 （ 19 ）： 1914001 . DOI: 10.3788/AOS230604 http://dx.doi.org/10.3788/AOS230604

CHEN H ， FAN W ， CAI Y ， et al . Pound-Drever-Hall stabilized single-frequency diamond Raman laser with sub-10 kHz linewidth ［J］. Optics Letters ， 2025 ， 50 （ 9 ）： 3046 - 3049 .

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