光纤激光器的主要结构类型包括单谐振腔、光束组合和主振荡功率放大器（MOPA）结构。其中，MOPA结构因其能够实现脉冲宽度和重复频率（简称脉宽和重频）可调的高性能脉冲激光输出，成为当前的研究热点之一。

MOPA激光器设计

本文设计的MOPA激光器由主电路系统与光路系统两部分构成，其工作原理如下：主振荡器（MO）为高性能种子源半导体激光器，通过直接脉冲调制生成参数可调的种子信号光。现场可编程门阵列（FPGA）主控输出可调参数的脉冲电流信号，经驱动电路控制种子源工作，完成种子光的初始调制。泵浦源驱动电路接收FPGA主控板的控制指令后启动泵浦源，产生泵浦光。种子光与泵浦光经合束器耦合后，分别注入2级光放大模块中的掺Yb3+双包层光纤（YDDCF）。在此过程中，Yb3+离子吸收泵浦光能量形成粒子数反转分布，随后基于行波放大与受激辐射原理，种子信号光在2级光放大模块中实现高功率增益，最终输出高功率纳秒脉冲激光。由于峰值功率提升，放大后的脉冲信号可能因增益钳制效应导致脉宽压缩。实际应用中，多级放大结构常被采用以进一步提升输出功率与增益效率。

电路系统

MOPA激光器电路系统如图1所示，由FPGA主控板、泵浦源、种子源、驱动电路板、放大器等组成。FPGA主控板通过生成波形、脉宽（5~200ns）和重频（30~900kHz）可调的脉冲电信号，驱动种子源输出参数可调的mW级原始种子光脉冲。该信号经隔离器输入至预放大器和主放大器构成的2级光放大模块，最终通过带准直功能的光隔离器输出高能量短脉冲激光。种子源内置光电探测器，实时监测输出功率并反馈至FPGA主控板。主控板通过控制泵浦驱动电路1、2，实现对泵浦源1、2、3的启闭操作。当光电探测器未检测到信号光输出时，主控板将关闭泵浦源，避免因无种子光输入导致YDDCF及光器件损毁。

光路系统

MOPA激光器光路系统如图2所示，采用全光纤结构，包含主振荡模块和2级放大模块。主振荡模块以中心波长为1064nm、线宽为3nm、最大连续输出功率为400mW的半导体激光二极管（LD）为种子源，配合反射率为99%@1063.94nm、线宽为3.5nm的光纤布喇格光栅（FBG）构成波长选择系统。2级放大模块采用反向泵浦设计，分别配置芯径为8、30μm的YDDCF作为增益介质，对应包层泵浦吸收系数分别为1.0、2.1dB/m@915nm。

除此之外，光路系统的关键组件还包括：1）泵浦合束器：采用（1+1）×1光纤合束器（FC）和（2+1）×1FC结构，实现95%的泵浦耦合效率；2）模式匹配器（MFA）：连接2级不同芯径YDDCF，消除模场失配损耗；3）包层模式剥离器（CMS）：有效去除残余泵浦光和反射信号光；4）带通隔离器（BPF-ISO）：抑制放大自发辐射（ASE），确保信号光单向传输。

热管理方面，将YDDCF盘绕于导热硅脂涂覆的V型铝槽表面，通过高温胶带固定实现有效散热。光路系统设计中采用斜8°端面处理技术，配合0.1∶99.9分光比耦合器，可同时抑制菲涅尔反射并实现前/反向光功率实时监测。该全光纤架构通过熔接工艺连接各组件，在确保光学性能的同时提升了系统稳定性。

实验分析与讨论

种子源与一级放大模块输出特性分析

实验过程中，本文在相应的测试点（图2中的TP1、TP2、TP3、TP4、TP5、TP6、TP7）使用示波器、光谱分析仪和功率计进行信号的波形、光谱与功率测试。改变种子源输出脉宽和重频，在TP1处测得的种子源输出功率、输出波形分别如表1和图3所示。当脉宽/重频为200ns/50kHz时，在TP4处测试得到一级放大器的输出功率与泵浦源功率的关系如图4所示。由表1可知：随着种子源脉宽的减小，种子源和一级放大模块的输出功率降低，而一级放大模块的放大倍数依次增大，范围为22.8~56.8倍；不同脉宽/重频下，种子源的输出光谱中心波长和3dB带宽存在微小差异。从图3可以看出，通过脉冲电流调制种子源的脉宽和重频，可生成相应参数可调的原始光脉冲信号。从图4可以看出，当脉宽/重频为200ns/50kHz时，一级放大输出功率与泵浦源功率基本呈线性关系。实验结果表明，虽然一级放大输出功率会随着泵浦功率的增大（提高驱动电压）而增大，但超过一定值时，一级输出波形会出现不规则甚至尖锐脉冲。综合考虑一级放大输出功率、波形以及最终的放大效果，本文选择一级泵浦源的驱动电压为1V（此时泵浦源输出功率约为2.2W）。

激光器输出特性测试与分析

激光器输出特性测试包括光功率、脉冲波形、光谱、光斑和光束质量的测试，其测试原理图如图5所示。通过上位机控制激光器，将激光器输出头对准光功率计探头即可进行光功率测试；同理，通过光衰减器/分光测色仪进行光衰减后，利用光电探测器和示波器可测试脉冲波形；通过光束质量分析仪可测试光斑和光束质量；通过积分球和光谱分析仪可测试光谱。按照图5搭建测试光路，当脉宽/重频为200ns/50kHz时，可测得不同泵浦功率对应的激光器最终输出功率如图6所示。可以看出，最终输出功率与泵浦源功率呈线性关系，当泵浦功率为34.38W时，可获得输出功率为20.85W（总放大倍数为32.22dB、转换效率为60.65%）的功率可调节脉冲激光输出。经过48h长时间的最大功率运行，激光器均能正常工作，输出功率稳定性≥95%。

不同脉宽与重频下的输出波形与峰值功率分析

将泵浦激光器的功率百分比设为100%，调节不同的脉宽和重频，可测得不同脉宽和重频对应的激光输出波形如图7所示。对比图3可知，放大后的激光输出波形脉宽有被压缩的现象。具体表现为：脉宽越小，放大后的输出波形与种子源波形相似度越高；脉宽越大，放大后的输出波形与种子源波形相似度越低，且出现尖锐脉冲。

在非线性效应允许的范围内，保持平均功率为20W不变的情况下，通过测试多组不同脉宽、重频下的输出激光波形，可计算得出相应的峰值功率如表2所示。可以看出，当增加重频以维持平均功率恒定时，脉宽通常会减小，导致峰值功率降低；相反，若降低重频，则脉宽增大，峰值功率升高。具体而言，当脉宽/重频分别为200ns/30kHz和20ns/180kHz时，对应的峰值功率分别达到最高值12.9kW和最低值6.0kW。

输出光谱与光束质量分析

本文使用AQ6370光谱分析仪，将脉宽和重频分别设为200ns/50kHz和100ns/60kHz，测得相应的输出激光光谱参数如表3所示。可以看出，输出光谱中心波长较为稳定。此外，实验过程中未观察到明显的放大自发辐射（ASE）和受激喇曼散射（SRS）非线性效应；在快速打标和慢速打标测试中，激光光谱基本保持不变。

激光器高反能力与稳定性测试

本文使用德国Cinogy公司生产的CinSquare-CS300紧凑型高精光束质量测量仪进行光斑和光束质量测量，初始测得光束质量Mx2=1.83，My2=1.75，光束平均质量M2为1.79，表明光束质量一般。根据Marcuse的弯曲损耗理论，为优化输出功率、损耗及光束质量的平衡，需调整有源光纤的弯曲半径与盘绕形状。为此，本文将YDDCF盘绕成梅花结构，优化后测得Mx2=1.37，My2=1.32，M2降至1.345，光束质量显著提升。

将激光器安装于配备振镜和场镜的打标机台，调整焦距后对标刻不锈钢片光滑面进行测试，设置打标速度为6000mm/s，填充密度为0.01mm。标刻过程中拖动不锈钢片以模拟动态工况，并实时监测TP5的光谱。经连续运行监测表明，系统工作稳定性良好。主放大模块的背向反射光谱中，短波长（激光器输出波长小于信号光中心波长）成分未受影响，而长波长（激光器输出波长大于信号光中心波长）成分干扰显著降低，这表明激光器的抗高反射能力得到增强。

总结

本文以电路直接调制的半导体激光器作为种子源，设计了一种MOPA激光器。实验研究表明，通过改变种子源的脉宽和重频等特性，可获得相应参数可调的激光输出。种子光放大良好，放大后的光谱无明显的ASE和SRS等非线性效应。通过优化有源光纤的弯曲半径、形状及光路结构，显著改善了光束质量和抗高反能力，满足工业材料激光加工需求。

转自：光学与半导体综研

来源：全光纤MOPA结构高功率脉冲激光器设计[J].光通信技术，2025，49（2）：100-105

作者：李全法，渠彪，潘诗发

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