3分钟了解MOPA脉冲光纤激光器

2024-07-01 02:39| 来源: 网络整理| 查看: 265

图2 基于单振荡器构型的腔内倍频的Nd:YVO4固体激光器

振荡器除了使激光起振，对脉冲激光器，还要控制激光器输出激光信号的光谱、脉宽、重频、谱宽、偏振等诸多参数，需要插入单个或者多个功能器件，比如光纤光栅、声光开关、可饱和吸收体等。

这些功能器件往往需要用到特殊的结构或者材料，耐受功率有限，损伤阈值较低，限制了振荡器的输出功率。另一方面，振荡器本身的激光动力学不稳定性也限制了输出功率的提升，某些激光输出参数（比如脉宽）还跟振荡器工作功率水平直接相关。

因此，在激光器设计，特别是高功率激光器设计时，一般采用MOPA构型，从而将功率提升和参数控制的难度分散在振荡器和放大器中。也就是说，振荡器主要关注除功率外的频域和时域参数的调控，功率放大则主要由单级或多级放大器来完成。

振荡器的分类

激光器除功率外的主要性能基本上是由振荡器决定。振荡器的种类很多，按照工作模式来看可以简单分为连续振荡器、调Q 振荡器和锁模振荡器等。

连续振荡器，包括一对腔镜（一个高反镜和一个低反镜）、增益介质和抽运源。例如光纤连续激光振荡器，腔镜就是高反和低反光纤光栅，增益介质就是掺镱光纤，抽运源就是半导体激光器。

调Q 激光器，就是在连续激光器中插入了一个Q 开关。所谓Q 值，可以简单理解为振荡器内激光传输的损耗。例如光纤激光器中按销量计算排第一的调Q 激光器，就是在连续振荡器腔内插入光纤声光调制器（AOM），通过控制AOM的周期性开关来获得特定重频和脉宽的激光信号输出。

AOM关闭时，腔内增益光纤在抽运激发下储存能量；AOM开启时，信号脉冲产生并经腔内多次反射和增强，最终形成较强的激光脉冲输出，类似于水坝蓄水和泄洪。受限于AOM本身的工作带宽和重频，调Q 光纤激光器典型的工作脉宽在数十到数百纳秒范围且无法主动调整，脉冲重频则在10 kHz到100 kHz范围。

图3 调Q 光纤脉冲激光振荡器

锁模激光器，也可以理解为激光振荡器内有一个超高速的Q 开关机制，而且开关的重频是由振荡器腔长决定的。产生这种高速开关的机制很多，比如可饱和吸收体（SESAM）、非线性偏振旋转（NPR）以及非线性相移镜（NLM）等。皮秒甚至飞秒量级锁模脉冲的形成，是振荡腔内激光增益、损耗、色散以及非线性效应综合作用的结果，在特定参数条件下还会产生能够保形放大的孤子脉冲（Soliton）。

图4 基于锁模振荡器种子源的皮秒MOPA激光器

振荡器的功率通常较低，特别是对于脉冲激光器，功率提升主要依靠单级甚至多级功率放大器。设计放大器时主要考虑的因素包括，输出平均功率、单级增益、信噪比以及非线性效应等。

放大器的分类

按照输出功率从小到大，放大器有时也分为预放大器、助推放大器和主功率放大器。

单级脉冲放大器的净增益一般在10 dB到30 dB之间，一般功率越低的放大器，净增益越高。脉冲激光器的信噪比决定了有用的激光能量的占比，往往跟放大器的构型和功率有关，有时还需要采用时域（AOM）和光谱（BPF）滤波手段来提高信噪比。当脉冲峰值功率高到一定程度时，非线性效应会带来额外的损伤风险，也会降低有用信号激光的比例，需要通过多种手段加以抑制。

按抽运激光和信号激光传输方向区分，放大器可以分为正向抽运放大器（抽运从放大器前端注入，与信号同向传输）、反向抽运放大器（抽运从放大器后端注入，与信号反向传输）和双向抽运放大器（抽运从放大器两侧注入）。

按照信号激光通过放大器增益介质的程数区分，可以分为单程放大器、双程放大器和多程放大器。在固体放大器中，多程放大器应用较多。双程和多程放大，主要是为了充分提取增益介质中的储能，提高输出激光的信噪比。图5是基于双向抽运放大器的MOPA连续激光器原理示意。