2025年精准激光器行业技术路线及与传统激光器的主要区别
思瀚产业研究院 频准激光    2025-12-09

精准激光器较工业加工激光器在波长方面需求差异较大，同时对线宽、噪声、光束质量等稳定性需求上大大提高，乃至对器件的清洁度、工作温度等需求差异都较大。因此当前精准激光器主要应用于科研领域、半导体领域、传感领域、精密测量领域、低空卫星领域、生物医疗领域等。

（1）精准激光器概况

精准激光器通常是指通过受激辐射放大原理产生高方向性、高单色性、高相干性及高能量密度的激光束，并能够实现微米级甚至纳米级加工精度、测量精度或控制精度的激光器件及其应用系统。精准激光器行业专注于激光技术的精密化与专用化，服务于科研、高端制造、通信等领域，是光电子产业的核心分支之一。

精准激光器在实现高精度加工、高精准测量等方面，具备独特优势，得益于三个核心性能指标：窄线宽、低噪声、宽波段。

激光线宽通常指的是激光的频谱宽度，也就是激光的单色性。激光频谱是指激光输出在频率域上的功率分布特性，即激光能量在不同频率成分上的强度分布。

窄线宽激光器是指输出激光的频谱线宽极窄的激光器，即激光的频率纯度极高，能量集中在极窄的频率范围内，通常用“半高全宽（FWHM）”来衡量，单位为赫兹（Hz）。它反映了光源的频率稳定性：线宽越窄，光的频率越单一，单色性越好，相干性越强。

经过几十年的发展，窄线宽激光器的线宽由 MHz 量级推进到 kHz 甚至 Hz 量级，其应用越来越多样化。窄线宽激光器因具有高单色性、高相干性、低噪声、高稳定性、动态单模等特性，已成为量子计算机、长距离空间光通信、高灵敏度光学传感、精密测量等领域的理想光源。

激光器的“噪声”是各种输出参数随机波动的简称。激光器的噪声包括强度噪声和相位噪声，强度噪声是指激光输出功率（光强）随时间的不规则波动，相位噪声是指激光光波相位随时间的不确定性，表现为频率抖动或相干性下降。强度噪声过大会影响激光加工、测量等应用的精度和可靠性。相位噪声会降低激光的相干性，影响激光在量子操控、干涉、衍射等实验中的应用效果。通过各种噪声抑制技术将激光输出的噪声降至最低，能有效提高激光在精密加工和测量中的性能。

在量子科技领域中，不同的原子体系以及同种原子不同能级不同作用的激光需求的波长均不相同。例如，激光是操控原子实现中性原子量子计算的最重要的工具之一，按照作用不同可分类为：冷却光（对原子进行激光冷却），光镊/光晶格激光（实现单原子束缚），纠缠光（将原子激发到里德堡态，实现相邻原子的偶极相互作用），态操控激光（拉曼光实现单比特态操控），探测光（探测原子态分布），重泵激光等。

针对不同的原子（Rb、Cs、Li、Sr、Yb 等）和不同的作用，所需的波长也各不相同，每种原子的操控均需要 5-6 种对准原子特定跃迁谱线的激光波长，为了实现量子计算、量子测量等场景，需要不同的波长的激光去和原子发生作用，催生了宽波段激光的需求。

除连续激光器外，精准脉冲激光器同样专注于激光技术的精密化与专用化，可在脉冲的时域宽度、重复频率和频域纵模等方面进行精准调控。脉冲激光器可以将激光以脉冲的形式输出，主要特点是峰值功率高和重频灵活等，可满足工业加工、通信和测量等领域应用需求。

脉冲的时域宽度指的激光脉冲在时域上的宽度，即激光功率达到峰值一半时所对应的持续时间，决定了激光能量在时间上的集中程度，最小脉宽可小于 10fs。可有效满足从宏观加工到精密微加工，从生物医疗到前沿科研等领域应用需求。脉冲的重复频率指的是每秒出射的激光脉冲数量，这项参数的精准调控主要针对重频的大小和时序抖动。

脉冲激光器的频域纵模的精准调控则是针对纵模的频率位置、间隔等参数进行精准调控，使得输出的脉冲序列可以坐落在精确的波长位置或者具有极大的波长覆盖范围，同时光谱中所有的频率分量都具有极高的稳定度，形成光学频率梳，从而满足精密测量、量子信息技术、时间频率传递等激光高端应用需求。

（2）精准激光器与传统激光器的主要区别

①激光性能区别

激光在工业上的应用主要体现在利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行加工处理，激光材料加工按激光束对材料的作用效果划分为：激光材料去除加工、激光材料增长加工、激光材料改性加工、激光材料微细加工以及其它加工，具体应用包括：激光切割、激光焊接、激光钻孔、激光雕刻、激光刻蚀、激光熔覆、激光清洗、增材制造、激光微纳制造、晶圆制造与检测等。

传统的激光器更多是追求大功率，近些年，激光器功率大幅提升，连续光纤激光器输出功率达到了 100kW 级，脉冲光纤激光器也已达 2kW 级。

精准激光器更追求高精度和可调控性，精准激光器的功率仅百 W 级别，甚至个别波长仅 mW 级别，但是精准激光器为了实现精准的效果，需要对线宽、噪声、稳定性等各项指标要求更高，测试更复杂。如量子计算所需的激光需求，对线宽、噪声、功率、频率稳定性要求均为极致，典型线宽＜10Hz，强度噪声＜-140dBc/Hz@10MHz，最大功率＞500W。对功率稳定性、线宽、频率噪声、强度噪声、光束质量、指向稳定性、光束发散角、光斑大小、光谱信噪比、波长稳定性、稳频稳定性等需要采用专业设备进行测试和分析。

②结构区别

在结构上，传统高功率光纤激光器结构通常是由泵浦系统+光学谐振器+增益光纤组成，其中泵浦源发出的泵浦光通过一面反射镜耦合进入增益介质中，通过增益介质转换为高功率高亮度的信号激光，形成稳定的激光输出。

（2）行业技术路线

精准激光器系指中心波长或频率具备极高稳定度的激光器产品。精准激光器行业发展至今，宽波段、窄线宽、低噪声、高功率始终是行业的主要发展方向。更窄的线宽可以提升下游设备检测、加工、控制的准确性和稳定度；更高的功率可以提升下游设备的效率和速度；更宽的波段覆盖范围可以助力激光器拓展更多下游应用领域。

在精准激光器领域，为实现宽波段、窄线宽、低噪声等精准性能，主要的技术方案有：半导体激光器、钛宝石激光器、固体激光器和光纤激光器。其中半导体激光器发展最早，在该领域取得了最大的市场份额。但是随着光纤激光器技术的发展，在多个维度的性能上超越了半导体激光器的方案。

①基于半导体路线的激光器方案，通过使用各种波段的激光增益芯片搭建外腔半导体激光器实现单频，再经过半导体锥形放大器，进行功率放大（最大仅达4W@780nm），若有需要再经过谐振倍频，扩展到可见光或紫外波段。由于半导体激光器自身的特点，激光功率为 W 量级，难以提升到更高功率。在倍频、和频过程中，都需要谐振腔的技术，一些可见光和紫外光的方案复杂、价格较高、稳定性差于常规产品。为了减小激光的线宽，通常采用增加腔长的技术，造成了激光器受到振动和温度的影响较大，从而容易跳模，无法在复杂环境下使用，也影响下游设备的长期连续运行。代表厂商为德国 Toptica。

②基于钛宝石路线的激光器方案。利用钛宝石的宽增益的特征，使用大功率532nm 激光进行泵浦，获得 600-1000nm 的单频激光，并经过谐振倍频后获得紫外到 600nm 波长范围内的单频激光。基于这种方案的技术，可以实现数百 nm 的调谐，以及百 kHz 线宽的激光器，特别是在可见光范围内，功率可以高达 4-7W。该方案优点是调谐范围非常宽。缺点是该方案复杂，基于空间的光学器件，除了容易跳模以外，安装和维护的难度也非常大。钛宝石激光器都需要高功率的532nm 激光进行泵浦，成本高，寿命短。对于量子应用，大多数场景并不需要宽范围的调谐，因此该方案的性价比不高，在市场上的需求量较少。代表厂商为美国 Spectra-Physics。

③基于固体激光器方案。固体激光器要获得波长精准，技术上主要围绕选频和稳频两个核心环节。选频决定了激光器初始的线宽潜力，而稳频则确保这一窄线宽在复杂环境下能够保持。该类型激光器主要有如下三个细分技术路线：

A.体布拉格光栅（VBG），在激光介质或腔内插入体布拉格光栅进行光谱选择，VBG 是一种对特定波长具有高选择反射性的体全息光学元件。将它插入激光谐振腔内或作为腔镜，可以有效抑制宽带激光振荡，只允许极窄波长范围内的光反馈并形成激光振荡，从而实现窄线宽输出。

B.种子注入与主振荡功率放大（MOPA）。MOPA 技术采用两级结构：第一级是一个低功率但线宽极窄的“种子”激光器（通常采用 DFB、DBR 或其他窄线宽技术）；第二级是一个只负责放大光功率而对光谱宽度影响很小的“放大器”。这样就能同时获得窄线宽和高功率的输出。代表厂商为德国 XITON。该公司生产的 SLM 系列和 EXCITE 系列脉冲激光器是典型的 MOPA 结构产品。它们提供从红外（1064nm）到深紫外（213nm、266nm）多个波长的单纵模（SLM）、窄线宽（<80MHz）纳秒脉冲输出，广泛应用于干涉计量、光纤光栅制造等领域。

C.非平面环形振荡器（NPRO）设计，核心机制为单向行波腔+内置标准具，典型产品为美国 Coherent 公司的 Mephisto-S 产品。

固体激光器实现精准波长方案大体上分为上述三种，但是各有缺陷：VBG 技术对线宽不够敏感，无法实现对线宽要求高的应用场景；种子注入加 MOPA 方案系统复杂，环境适应性差；NPRO 的方案输出功率不够，无法做到高功率输出。

④基于光纤激光器的方案，以单频光纤激光技术为核心，形成光纤 DFB 种子源/固定外腔半导体激光种子源+掺 Yb、Er、Tm 单频光纤放大器/拉曼光纤放大器以及和频、倍频等非线性频率变换技术，可实现 177-5000nm 任意波段的大功率单频激光器。基于光纤 DFB 技术和固定外腔半导体技术，可实现超低相位噪声的种子激光器，而且环境适应性很好，永不跳模。基于掺镱/铒/铥/拉曼光纤放大技术，可实现百瓦量级的激光输出。正是基于高功率的激光放大器，通过简单的单通倍频/和频/差频的技术，就可以实现高功率的可见光甚至紫外光的输出。代表厂商为频准激光。

（4）技术指标/性能

前述三种技术路线比较，频准激光发展的光纤激光技术路线具备更大功率、更窄线宽、更低噪声、更高稳定性、可搬运的特征。

随着光纤激光器技术的发展，在多个维度的性能上超越了半导体激光器的方案，线宽更窄、波长覆盖更广、功率更大。

（1）窄线宽，通常来说，半导体激光器的线宽在 100kHz-MHz 量级，而光纤 DFB 激光器可以实现 1kHz-10kHz 的线宽，比半导体激光器低了 1-2 个量级。

（2）波长覆盖更广，半导体激光器波长覆盖 370-1650nm，而频准激光的光纤激光路线通过非线性频率变化可以将波长范围覆盖 177-5000nm。

（3）高功率，半导体光放大技术，通常可以实现 3-4W 的激光输出，光纤放大技术则可以实现 50-200W 的激光输出，经过非线性频率变换，在实现了更多波长输出的同时，也实现了更大功率的输出，因此可以在全波段实现功率远大于半导体放大器的输出。