光纖激光器的主要結(jié)構(gòu)類型包括單諧振腔、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)脈沖寬度和重復頻率（簡稱脈寬和重頻）可調(diào)的高性能脈沖激光輸出，成為當前的研究熱點之一。

MOPA激光器設計

本文設計的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體激光器，通過直接脈沖調(diào)制生成參數(shù)可調(diào)的種子信號光�，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）主控輸出可調(diào)參數(shù)的脈沖電流信號，經(jīng)驅(qū)動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)動電路接收FPGA主控板的控制指令后啟動泵浦源，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級光放大模塊中的摻Y(jié)b3+雙包層光纖（YDDCF）。在此過程中，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，種子信號光在2級光放大模塊中實現(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，放大后的脈沖信號可能因增益鉗制效應導致脈寬壓縮。實際應用中，多級放大結(jié)構(gòu)常被采用以進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)動電路板、放大器等組成。FPGA主控板通過生成波形、脈寬（5~200ns）和重頻（30~900kHz）可調(diào)的脈沖電信號，驅(qū)動種子源輸出參數(shù)可調(diào)的mW級原始種子光脈沖。該信號經(jīng)隔離器輸入至預放大器和主放大器構(gòu)成的2級光放大模塊，最終通過帶準直功能的光隔離器輸出高能量短脈沖激光。種子源內(nèi)置光電探測器，實時監(jiān)測輸出功率并反饋至FPGA主控板。主控板通過控制泵浦驅(qū)動電路1、2，實現(xiàn)對泵浦源1、2、3的啟閉操作。當光電探測器未檢測到信號光輸出時，主控板將關閉泵浦源，避免因無種子光輸入導致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級放大模塊。主振蕩模塊以中心波長為1064nm、線寬為3nm、最大連續(xù)輸出功率為400mW的半導體激光二極管（LD）為種子源，配合反射率為99%@1063.94nm、線寬為3.5nm的光纖布喇格光柵（FBG）構(gòu)成波長選擇系統(tǒng)。2級放大模塊采用反向泵浦設計，分別配置芯徑為8、30μm的YDDCF作為增益介質(zhì)，對應包層泵浦吸收系數(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)，實現(xiàn)95%的泵浦耦合效率；2）模式匹配器（MFA）：連接2級不同芯徑Y(jié)DDCF，消除模場失配損耗；3）包層模式剝離器（CMS）：有效去除殘余泵浦光和反射信號光；4）帶通隔離器（BPF-ISO）：抑制放大自發(fā)輻射（ASE），確保信號光單向傳輸。

熱管理方面，將YDDCF盤繞于導熱硅脂涂覆的V型鋁槽表面，通過高溫膠帶固定實現(xiàn)有效散熱。光路系統(tǒng)設計中采用斜8°端面處理技術，配合0.1∶99.9分光比耦合器，可同時抑制菲涅爾反射并實現(xiàn)前/反向光功率實時監(jiān)測。該全光纖架構(gòu)通過熔接工藝連接各組件，在確保光學性能的同時提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

實驗分析與討論

種子源與一級放大模塊輸出特性分析

實驗過程中，本文在相應的測試點（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進行信號的波形、光譜與功率測試。改變種子源輸出脈寬和重頻，在TP1處測得的種子源輸出功率、輸出波形分別如表1和圖3所示。當脈寬/重頻為200ns/50kHz時，在TP4處測試得到一級放大器的輸出功率與泵浦源功率的關系如圖4所示。由表1可知：隨著種子源脈寬的減小，種子源和一級放大模塊的輸出功率降低，而一級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和3dB帶寬存在微小差異。從圖3可以看出，通過脈沖電流調(diào)制種子源的脈寬和重頻，可生成相應參數(shù)可調(diào)的原始光脈沖信號。從圖4可以看出，當脈寬/重頻為200ns/50kHz時，一級放大輸出功率與泵浦源功率基本呈線性關系。實驗結(jié)果表明，雖然一級放大輸出功率會隨著泵浦功率的增大（提高驅(qū)動電壓）而增大，但超過一定值時，一級輸出波形會出現(xiàn)不規(guī)則甚至尖銳脈沖。綜合考慮一級放大輸出功率、波形以及最終的放大效果，本文選擇一級泵浦源的驅(qū)動電壓為1V（此時泵浦源輸出功率約為2.2W）。

激光器輸出特性測試與分析

激光器輸出特性測試包括光功率、脈沖波形、光譜、光斑和光束質(zhì)量的測試，其測試原理圖如圖5所示。通過上位機控制激光器，將激光器輸出頭對準光功率計探頭即可進行光功率測試；同理，通過光衰減器/分光測色儀進行光衰減后，利用光電探測器和示波器可測試脈沖波形；通過光束質(zhì)量分析儀可測試光斑和光束質(zhì)量；通過積分球和光譜分析儀可測試光譜。按照圖5搭建測試光路，當脈寬/重頻為200ns/50kHz時，可測得不同泵浦功率對應的激光器最終輸出功率如圖6所示。可以看出，最終輸出功率與泵浦源功率呈線性關系，當泵浦功率為34.38W時，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48h長時間的最大功率運行，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為100%，調(diào)節(jié)不同的脈寬和重頻，可測得不同脈寬和重頻對應的激光輸出波形如圖7所示。對比圖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。

在非線性效應允許的范圍內(nèi)，保持平均功率為20W不變的情況下，通過測試多組不同脈寬、重頻下的輸出激光波形，可計算得出相應的峰值功率如表2所示。可以看出，當增加重頻以維持平均功率恒定時，脈寬通常會減小，導致峰值功率降低；相反，若降低重頻，則脈寬增大，峰值功率升高。具體而言，當脈寬/重頻分別為200ns/30kHz和20ns/180kHz時，對應的峰值功率分別達到最高值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為200ns/50kHz和100ns/60kHz，測得相應的輸出激光光譜參數(shù)如表3所示�？梢钥闯觯�輸出光譜中心波長較為穩(wěn)定。此外，實驗過程中未觀察到明顯的放大自發(fā)輻射（ASE）和受激喇曼散射（SRS）非線性效應；在快速打標和慢速打標測試中，激光光譜基本保持不變。

激光器高反能力與穩(wěn)定性測試

本文使用德國Cinogy公司生產(chǎn)的CinSquare-CS300緊湊型高精光束質(zhì)量測量儀進行光斑和光束質(zhì)量測量，初始測得光束質(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繞形狀。為此，本文將YDDCF盤繞成梅花結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后測得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鏡的打標機臺，調(diào)整焦距后對標刻不銹鋼片光滑面進行測試，設置打標速度為6000mm/s，填充密度為0.01mm。標刻過程中拖動不銹鋼片以模擬動態(tài)工況，并實時監(jiān)測TP5的光譜。經(jīng)連續(xù)運行監(jiān)測表明，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（激光器輸出波長小于信號光中心波長）成分未受影響，而長波長（激光器輸出波長大于信號光中心波長）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。

總結(jié)

本文以電路直接調(diào)制的半導體激光器作為種子源，設計了一種MOPA激光器。實驗研究表明，通過改變種子源的脈寬和重頻等特性，可獲得相應參數(shù)可調(diào)的激光輸出。種子光放大良好，放大后的光譜無明顯的ASE和SRS等非線性效應。通過優(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，滿足工業(yè)材料激光加工需求。

轉(zhuǎn)自：光學與半導體綜研

來源：全光纖MOPA結(jié)構(gòu)高功率脈沖激光器設計[J].光通信技術，2025，49（2）：100-105

作者：李全法，渠彪，潘詩發(fā)

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