MOPA激光器

一、定义

MOPA：主控振荡器的功率放大器 Master Oscillator Power-Amplifier。与传统的固体和气体激光器相比 , 光纤激光器具有以下优点 : 转换效率高 ( 光 - 光转换效率超过60%) 、 激光阈值低 ; 结构简单 , 工作物质为柔性介质 , 使用方便 ; 光束质量高 ( 很容易 接近衍射极限 ); 激光输出谱线多、 调谐范 围宽 (455 ～ 3 500nm); 体积小、 重量轻、 散热效果好、使用寿命长。

但是 , 由于输出功率比较低 , 其应用范围一直受到很大限制。 随着双包层光纤和大功率半导体激光器 (LD) 制造技术的逐渐成熟 , 光纤激光器的输出功率得到了极大的提高 , 其应用范围也得到了很大扩展具有一定重复频率、高能量、 高峰值功率、高光束质量的超短脉冲激光在光纤通信、 医疗、 军事和生物学等领域具有诱人的应用前景 , 已经成为当前人们的研究热点之一。

目前 , 在光纤中获得超短脉冲激光的方式主要有两种 : 锁模技术和调 Q 技术。 锁模脉冲光纤激光器主要是利用各种因素对腔内的振荡纵模进行调制 , 当各纵模具有确定的相位关系 , 任意相邻纵模相位差为常数时就可以实现相干叠加得到超短脉冲 , 脉冲宽度可以达到亚皮秒～亚飞秒量级。 调 Q 脉冲光纤激光器是在激光器谐振腔内插人 Q 开关器件 , 通过周期性改变腔内的损耗 , 实现脉冲激光输出 , 脉冲宽度可以达到 10 - 9 s 量级 。 利用调 Q 或锁模技术 , 可以获得极高的峰值功率 , 但是 , 单个调 Q 或锁模激光器得到的脉冲能量往往很有限 , 这限制了其应用领域范围。为了进一步提高脉冲能量 , 就要用到放大技术 , 即采用主振荡功率放大 ( MOPA) 结构。 采用该结构在光纤中获得的高能量脉冲激光与种子光源的激光波长、重复频率相同 , 而且时域脉冲的形状和宽度也几乎不变。 选择一定重复频率和脉冲宽度的种子光源作为主振荡器 , 通过功率放大后就能获得所需的高能量脉冲激光输出。 因而采用主振荡功率放大技术来实现高脉冲能量、 高平均输出功率成为一种理想选择。

二、工作原理

主振荡功率放大 , 简称 MOPA, 就是将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光 , 通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大 , 从而实现对种子光源的高功率放大。 其突出特点是 : 主振荡器主要作用是产生高质量的种子光 , 输出功率可大可小 , 因而输出光较易做到所需的时域、 频域特性和保持良好的光束质量 ; 功率放大部分主要作用则是对种子光进行放大 , 在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出 , 即它结合了低功率种子源的良好脉冲特性和双包层放大器的高功率放大特性的优点。