作者 / 黄志华 朱星
武汉光至科技有限公司
什么是MOPA激光器？
在工业界，MOPA激光器是一个约定的俗称，特指基于电调制种子源加多级功率放大器的纳秒脉冲光纤激光器，主要用于激光标记和精密切割、焊接、钻孔等应用领域，国外代表性厂商有SPI，国内代表厂商有杰普特、光至科技。
在物理上，MOPA是相对于单振荡器构型而言的一种激光器构型，英文全称为Main Oscillator aNd Power Amplifier，中文全称为主振荡器加功率放大器，并不是某种特定的激光器品类。
为什么要采用MOPA构型？
答案很简单，MOPA构型是激光器设计上难度与复杂度权衡的必然结果。基于单振荡器构型去实现激光器所有输出指标，过于困难或者根本做不到。增加放大器，加大了激光器的复杂度，却缓解了难度瓶颈。
对于连续激光器，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500 W到750 W，再到目前的2 kW甚至3 kW。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。
采用单振荡器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。而当激光器功率进一步提升，或者对光谱、偏振态等特性有更复杂的要求时，这就需要采用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
对于脉冲激光器，目前工业界比较常见的基于单振荡器结构的脉冲激光器产品，是3 W/5 W的固体绿光/紫外激光器。激光器本身增益介质输出波长是1064 nm，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是基于Nd:YVO4晶体的单振荡器激光器原理示意图，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，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）。
