光纖激光器的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括單諧振腔、光束組合和主振蕩功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)。其中，MOPA結(jié)構(gòu)因其能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖寬度和重復(fù)頻率（簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬和重頻）可調(diào)的高性能脈沖激光輸出，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

MOPA激光器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的MOPA激光器由主電路系統(tǒng)與光路系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其工作原理如下：主振蕩器（MO）為高性能種子源半導(dǎo)體激光器，通過(guò)直接脈沖調(diào)制生成參數(shù)可調(diào)的種子信號(hào)光。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）主控輸出可調(diào)參數(shù)的脈沖電流信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制種子源工作，完成種子光的初始調(diào)制。泵浦源驅(qū)動(dòng)電路接收FPGA主控板的控制指令后啟動(dòng)泵浦源，產(chǎn)生泵浦光。種子光與泵浦光經(jīng)合束器耦合后，分別注入2級(jí)光放大模塊中的摻Y(jié)b3+雙包層光纖（YDDCF）。在此過(guò)程中，Yb3+離子吸收泵浦光能量形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，隨后基于行波放大與受激輻射原理，種子信號(hào)光在2級(jí)光放大模塊中實(shí)現(xiàn)高功率增益，最終輸出高功率納秒脈沖激光。由于峰值功率提升，放大后的脈沖信號(hào)可能因增益鉗制效應(yīng)導(dǎo)致脈寬壓縮。實(shí)際應(yīng)用中，多級(jí)放大結(jié)構(gòu)常被采用以進(jìn)一步提升輸出功率與增益效率。

電路系統(tǒng)

MOPA激光器電路系統(tǒng)如圖1所示，由FPGA主控板、泵浦源、種子源、驅(qū)動(dòng)電路板、放大器等組成。FPGA主控板通過(guò)生成波形、脈寬（5~200ns）和重頻（30~900kHz）可調(diào)的脈沖電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)種子源輸出參數(shù)可調(diào)的mW級(jí)原始種子光脈沖。該信號(hào)經(jīng)隔離器輸入至預(yù)放大器和主放大器構(gòu)成的2級(jí)光放大模塊，最終通過(guò)帶準(zhǔn)直功能的光隔離器輸出高能量短脈沖激光。種子源內(nèi)置光電探測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出功率并反饋至FPGA主控板。主控板通過(guò)控制泵浦驅(qū)動(dòng)電路1、2，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦源1、2、3的啟閉操作。當(dāng)光電探測(cè)器未檢測(cè)到信號(hào)光輸出時(shí)，主控板將關(guān)閉泵浦源，避免因無(wú)種子光輸入導(dǎo)致YDDCF及光器件損毀。

光路系統(tǒng)

MOPA激光器光路系統(tǒng)如圖2所示，采用全光纖結(jié)構(gòu)，包含主振蕩模塊和2級(jí)放大模塊。主振蕩模塊以中心波長(zhǎng)為1064nm、線(xiàn)寬為3nm、最大連續(xù)輸出功率為400mW的半導(dǎo)體激光二極管（LD）為種子源，配合反射率為99%@1063.94nm、線(xiàn)寬為3.5nm的光纖布喇格光柵（FBG）構(gòu)成波長(zhǎng)選擇系統(tǒng)。2級(jí)放大模塊采用反向泵浦設(shè)計(jì)，分別配置芯徑為8、30μm的YDDCF作為增益介質(zhì)，對(duì)應(yīng)包層泵浦吸收系數(shù)分別為1.0、2.1dB/m@915nm。

除此之外，光路系統(tǒng)的關(guān)鍵組件還包括：1）泵浦合束器：采用（1+1）×1光纖合束器（FC）和（2+1）×1FC結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)95%的泵浦耦合效率；2）模式匹配器（MFA）：連接2級(jí)不同芯徑Y(jié)DDCF，消除模場(chǎng)失配損耗；3）包層模式剝離器（CMS）：有效去除殘余泵浦光和反射信號(hào)光；4）帶通隔離器（BPF-ISO）：抑制放大自發(fā)輻射（ASE），確保信號(hào)光單向傳輸。

熱管理方面，將YDDCF盤(pán)繞于導(dǎo)熱硅脂涂覆的V型鋁槽表面，通過(guò)高溫膠帶固定實(shí)現(xiàn)有效散熱。光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用斜8°端面處理技術(shù)，配合0.1∶99.9分光比耦合器，可同時(shí)抑制菲涅爾反射并實(shí)現(xiàn)前/反向光功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該全光纖架構(gòu)通過(guò)熔接工藝連接各組件，在確保光學(xué)性能的同時(shí)提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)分析與討論

種子源與一級(jí)放大模塊輸出特性分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，本文在相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)（圖2中的TP1、TP2、TP3、TP4、TP5、TP6、TP7）使用示波器、光譜分析儀和功率計(jì)進(jìn)行信號(hào)的波形、光譜與功率測(cè)試。改變種子源輸出脈寬和重頻，在TP1處測(cè)得的種子源輸出功率、輸出波形分別如表1和圖3所示。當(dāng)脈寬/重頻為200ns/50kHz時(shí)，在TP4處測(cè)試得到一級(jí)放大器的輸出功率與泵浦源功率的關(guān)系如圖4所示。由表1可知：隨著種子源脈寬的減小，種子源和一級(jí)放大模塊的輸出功率降低，而一級(jí)放大模塊的放大倍數(shù)依次增大，范圍為22.8~56.8倍；不同脈寬/重頻下，種子源的輸出光譜中心波長(zhǎng)和3dB帶寬存在微小差異。從圖3可以看出，通過(guò)脈沖電流調(diào)制種子源的脈寬和重頻，可生成相應(yīng)參數(shù)可調(diào)的原始光脈沖信號(hào)。從圖4可以看出，當(dāng)脈寬/重頻為200ns/50kHz時(shí)，一級(jí)放大輸出功率與泵浦源功率基本呈線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然一級(jí)放大輸出功率會(huì)隨著泵浦功率的增大（提高驅(qū)動(dòng)電壓）而增大，但超過(guò)一定值時(shí)，一級(jí)輸出波形會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則甚至尖銳脈沖。綜合考慮一級(jí)放大輸出功率、波形以及最終的放大效果，本文選擇一級(jí)泵浦源的驅(qū)動(dòng)電壓為1V（此時(shí)泵浦源輸出功率約為2.2W）。

激光器輸出特性測(cè)試與分析

激光器輸出特性測(cè)試包括光功率、脈沖波形、光譜、光斑和光束質(zhì)量的測(cè)試，其測(cè)試原理圖如圖5所示。通過(guò)上位機(jī)控制激光器，將激光器輸出頭對(duì)準(zhǔn)光功率計(jì)探頭即可進(jìn)行光功率測(cè)試；同理，通過(guò)光衰減器/分光測(cè)色儀進(jìn)行光衰減后，利用光電探測(cè)器和示波器可測(cè)試脈沖波形；通過(guò)光束質(zhì)量分析儀可測(cè)試光斑和光束質(zhì)量；通過(guò)積分球和光譜分析儀可測(cè)試光譜。按照?qǐng)D5搭建測(cè)試光路，當(dāng)脈寬/重頻為200ns/50kHz時(shí)，可測(cè)得不同泵浦功率對(duì)應(yīng)的激光器最終輸出功率如圖6所示�？梢钥闯�，最終輸出功率與泵浦源功率呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)泵浦功率為34.38W時(shí)，可獲得輸出功率為20.85W（總放大倍數(shù)為32.22dB、轉(zhuǎn)換效率為60.65%）的功率可調(diào)節(jié)脈沖激光輸出。經(jīng)過(guò)48h長(zhǎng)時(shí)間的最大功率運(yùn)行，激光器均能正常工作，輸出功率穩(wěn)定性≥95%。

不同脈寬與重頻下的輸出波形與峰值功率分析

將泵浦激光器的功率百分比設(shè)為100%，調(diào)節(jié)不同的脈寬和重頻，可測(cè)得不同脈寬和重頻對(duì)應(yīng)的激光輸出波形如圖7所示。對(duì)比圖3可知，放大后的激光輸出波形脈寬有被壓縮的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：脈寬越小，放大后的輸出波形與種子源波形相似度越高；脈寬越大，放大后的輸出波形與種子源波形相似度越低，且出現(xiàn)尖銳脈沖。

在非線(xiàn)性效應(yīng)允許的范圍內(nèi)，保持平均功率為20W不變的情況下，通過(guò)測(cè)試多組不同脈寬、重頻下的輸出激光波形，可計(jì)算得出相應(yīng)的峰值功率如表2所示�？梢钥闯觯�當(dāng)增加重頻以維持平均功率恒定時(shí)，脈寬通常會(huì)減小，導(dǎo)致峰值功率降低；相反，若降低重頻，則脈寬增大，峰值功率升高。具體而言，當(dāng)脈寬/重頻分別為200ns/30kHz和20ns/180kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值功率分別達(dá)到最高值12.9kW和最低值6.0kW。

輸出光譜與光束質(zhì)量分析

本文使用AQ6370光譜分析儀，將脈寬和重頻分別設(shè)為200ns/50kHz和100ns/60kHz，測(cè)得相應(yīng)的輸出激光光譜參數(shù)如表3所示�？梢钥闯�，輸出光譜中心波長(zhǎng)較為穩(wěn)定。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未觀(guān)察到明顯的放大自發(fā)輻射（ASE）和受激喇曼散射（SRS）非線(xiàn)性效應(yīng)；在快速打標(biāo)和慢速打標(biāo)測(cè)試中，激光光譜基本保持不變。

激光器高反能力與穩(wěn)定性測(cè)試

本文使用德國(guó)Cinogy公司生產(chǎn)的CinSquare-CS300緊湊型高精光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x進(jìn)行光斑和光束質(zhì)量測(cè)量，初始測(cè)得光束質(zhì)量Mx2=1.83，My2=1.75，光束平均質(zhì)量M2為1.79，表明光束質(zhì)量一般。根據(jù)Marcuse的彎曲損耗理論，為優(yōu)化輸出功率、損耗及光束質(zhì)量的平衡，需調(diào)整有源光纖的彎曲半徑與盤(pán)繞形狀。為此，本文將YDDCF盤(pán)繞成梅花結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后測(cè)得Mx2=1.37，My2=1.32，M2降至1.345，光束質(zhì)量顯著提升。

將激光器安裝于配備振鏡和場(chǎng)鏡的打標(biāo)機(jī)臺(tái)，調(diào)整焦距后對(duì)標(biāo)刻不銹鋼片光滑面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置打標(biāo)速度為6000mm/s，填充密度為0.01mm。標(biāo)刻過(guò)程中拖動(dòng)不銹鋼片以模擬動(dòng)態(tài)工況，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)TP5的光譜。經(jīng)連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好。主放大模塊的背向反射光譜中，短波長(zhǎng)（激光器輸出波長(zhǎng)小于信號(hào)光中心波長(zhǎng)）成分未受影響，而長(zhǎng)波長(zhǎng)（激光器輸出波長(zhǎng)大于信號(hào)光中心波長(zhǎng)）成分干擾顯著降低，這表明激光器的抗高反射能力得到增強(qiáng)。

總結(jié)

本文以電路直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為種子源，設(shè)計(jì)了一種MOPA激光器。實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)改變種子源的脈寬和重頻等特性，可獲得相應(yīng)參數(shù)可調(diào)的激光輸出。種子光放大良好，放大后的光譜無(wú)明顯的ASE和SRS等非線(xiàn)性效應(yīng)。通過(guò)優(yōu)化有源光纖的彎曲半徑、形狀及光路結(jié)構(gòu)，顯著改善了光束質(zhì)量和抗高反能力，滿(mǎn)足工業(yè)材料激光加工需求。

轉(zhuǎn)自：光學(xué)與半導(dǎo)體綜研

來(lái)源：全光纖MOPA結(jié)構(gòu)高功率脈沖激光器設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2025，49（2）：100-105

作者：李全法，渠彪，潘詩(shī)發(fā)

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