什么是MOPA激光器？

对连续激光器，基于单振荡器构型的激光器的输出功率近年来在不断提高，从早期的500W到750W再到目前的2kW甚至3kW。这种提升首先得益于光纤激光器件能力的提升，特别是光纤布拉格光栅（FBG）功率负载能力的提升。采用这种构型的好处在于激光器结构较为简单，且系统抗反激光能力更强。如果功率进一步提升，或者除了功率之外，对激光器的光谱、偏振态等特性有更复杂的要求，也需要采用MOPA构型。图1给出了一种基于1+1 MOPA构型的保偏连续激光器原理示意。

图1 基于MOPA构型的连续激光器

对脉冲激光器，目前工业界比较常见的基于单振荡器结构的产品是3W/5W的固体绿光/紫外激光器，激光器本身增益介质输出波长是1064nm的，在腔内插入二倍频和三倍频晶体用于高次谐波产生。单振荡器结构中，激光在振荡腔内来回反射多次，倍频效率显著提高。图2给出了一种基于Nd:YVO4晶体的单振荡器激光器原理示意，其中插入的LBO非线性晶体用于产生二倍频绿光。

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构型以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。

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。以最简单的连续振荡器为例，振荡器中包括一对腔镜（一个高反镜和一个低反镜）、增益介质和泵浦源。特别地，对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，泵浦源就是半导体激光器，如图1所示。

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，腔内增益光纤在泵浦激发下储存能量，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10kHz到100kHz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。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10dB到30dB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。

放大器有多种构型和分类，按照泵浦激光和信号激光传输方向区分，可以分为正向泵浦放大器（泵浦从放大器前端注入，与信号同向传输）、反向泵浦放大器（泵浦从放大器后端注入，与信号反向传输）和双向泵浦放大器（泵浦从放大器两侧注入）；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4给出了一个基于双向泵浦放大器的MOPA连续激光器原理示意。

图5 基于双向泵浦放大器的MOPA连续激光器

多级放大器之间要适当分配增益，例如将1pJ的脉冲放大到1mJ，增益1E6倍，也就是60dB，一般需要三级放大器，净增益大体为30dB/20dB/10dB，实际的系统设计根据具体参数不同千差万别。适当的增益配比，有助于提高激光器的整体可靠性，提高信噪比和降低非线性效应。

对光纤激光器，从前向后，放大器所采用的光纤尺寸通常会逐级增大，以满足功率逐级提升的要求。在级间连接时，一方面需要进行隔离以防止后级放大器的反向光回到前级放大器，干扰前级放大器的工作，甚至造成破坏，另一方面需要进行适当的模场匹配，例如从10um到30um的模场过渡，以避免或者减少光束质量的劣化。

振荡器与多级放大器的在开关机时还需要满足一定的时序关系，一般地，开机时，从振荡器往后逐级开启，关机时，从末级放大器向前，逐级关闭。时序关系错乱，可能导致激光器严重损坏，激光器内部通过光探测器（PD）监控和电控联锁以保证时序关系正常。
文章来源：光至科技