作者 / 黃志華 朱星
武漢光至科技有限公司
什麼是MOPA激光器？
在工業界，MOPA激光器是一個約定的俗稱，特指基於電調製種子源加多級功率放大器的納秒脈衝光纖激光器，主要用於激光標記和精密切割、焊接、鑽孔等應用領域，國外代表性廠商有SPI，國內代表廠商有傑普特、光至科技。
在物理上，MOPA是相對於單振盪器構型而言的一種激光器構型，英文全稱為Main Oscillator and Power Amplifier，中文全稱為主振盪器加功率放大器，並不是某種特定的激光器品類。
為什麼要採用MOPA構型？
答案很簡單，MOPA構型是激光器設計上難度與複雜度權衡的必然結果。基於單振盪器構型去實現激光器所有輸出指標，過於困難或者根本做不到。增加放大器，加大了激光器的複雜度，卻緩解了難度瓶頸。
對於連續激光器，基於單振盪器構型的激光器的輸出功率近年來在不斷提高，從早期的500 W到750 W，再到目前的2 kW甚至3 kW。這種提升首先得益於光纖激光器件能力的提升，特別是光纖布拉格光柵（FBG）功率負載能力的提升。
採用單振盪器構型的好處在於激光器結構較為簡單，且系統抗反激光能力更強。而當激光器功率進一步提升，或者對光譜、偏振態等特性有更復雜的要求時，這就需要採用MOPA構型。圖1給出了一種基於1+1 MOPA構型的保偏連續激光器原理示意。
圖1 基於MOPA構型的連續激光器
對於脈衝激光器，目前工業界比較常見的基於單振盪器結構的脈衝激光器產品，是3 W/5 W的固體綠光/紫外激光器。激光器本身增益介質輸出波長是1064 nm，在腔內插入二倍頻和三倍頻晶體用於高次諧波產生。單振盪器結構中，激光在振盪腔內來回反射多次，倍頻效率顯著提高。圖2是基於Nd:YVO4晶體的單振盪器激光器原理示意圖，其中插入的LBO非線性晶體用於產生二倍頻綠光。
圖2 基於單振盪器構型的腔內倍頻的Nd:YVO4固體激光器
振盪器除了使激光起振，對脈衝激光器，還要控制激光器輸出激光信號的光譜、脈寬、重頻、譜寬、偏振等諸多參數，需要插入單個或者多個功能器件，比如光纖光柵、聲光開關、可飽和吸收體等。
這些功能器件往往需要用到特殊的結構或者材料，耐受功率有限，損傷閾值較低，限制了振盪器的輸出功率。另一方面，振盪器本身的激光動力學不穩定性也限制了輸出功率的提升，某些激光輸出參數（比如脈寬）還跟振盪器工作功率水平直接相關。
因此，在激光器設計，特別是高功率激光器設計時，一般採用MOPA構型，從而將功率提升和參數控制的難度分散在振盪器和放大器中。也就是說，振盪器主要關注除功率外的頻域和時域參數的調控，功率放大則主要由單級或多級放大器來完成。
振盪器的分類
激光器除功率外的主要性能基本上是由振盪器決定。振盪器的種類很多，按照工作模式來看可以簡單分為連續振盪器、調Q 振盪器和鎖模振盪器等。
連續振盪器，包括一對腔鏡（一個高反鏡和一個低反鏡）、增益介質和抽運源。例如光纖連續激光振盪器，腔鏡就是高反和低反光纖光柵，增益介質就是摻鐿光纖，抽運源就是半導體激光器。
調Q 激光器，就是在連續激光器中插入了一個Q 開關。所謂Q 值，可以簡單理解為振盪器內激光傳輸的損耗。例如光纖激光器中按銷量計算排第一的調Q 激光器，就是在連續振盪器腔內插入光纖聲光調製器（AOM），通過控制AOM的週期性開關來獲得特定重頻和脈寬的激光信號輸出。
AOM關閉時，腔內增益光纖在抽運激發下儲存能量；AOM開啟時，信號脈衝產生並經腔內多次反射和增強，最終形成較強的激光脈衝輸出，類似於水壩蓄水和洩洪。受限於AOM本身的工作帶寬和重頻，調Q 光纖激光器典型的工作脈寬在數十到數百納秒範圍且無法主動調整，脈衝重頻則在10 kHz到100 kHz範圍。
圖3 調Q 光纖脈衝激光振盪器
鎖模激光器，也可以理解為激光振盪器內有一個超高速的Q 開關機制，而且開關的重頻是由振盪器腔長決定的。產生這種高速開關的機制很多，比如可飽和吸收體（SESAM）、非線性偏振旋轉（NPR）以及非線性相移鏡（NLM）等。皮秒甚至飛秒量級鎖模脈衝的形成，是振盪腔內激光增益、損耗、色散以及非線性效應綜合作用的結果，在特定參數條件下還會產生能夠保形放大的孤子脈衝（Soliton）。
圖4 基於鎖模振盪器種子源的皮秒MOPA激光器
振盪器的功率通常較低，特別是對於脈衝激光器，功率提升主要依靠單級甚至多級功率放大器。設計放大器時主要考慮的因素包括，輸出平均功率、單級增益、信噪比以及非線性效應等。
放大器的分類
按照輸出功率從小到大，放大器有時也分為預放大器、助推放大器和主功率放大器。
單級脈衝放大器的淨增益一般在10 dB到30 dB之間，一般功率越低的放大器，淨增益越高。脈衝激光器的信噪比決定了有用的激光能量的佔比，往往跟放大器的構型和功率有關，有時還需要採用時域（AOM）和光譜（BPF）濾波手段來提高信噪比。當脈衝峰值功率高到一定程度時，非線性效應會帶來額外的損傷風險，也會降低有用信號激光的比例，需要通過多種手段加以抑制。
按抽運激光和信號激光傳輸方向區分，放大器可以分為正向抽運放大器（抽運從放大器前端注入，與信號同向傳輸）、反向抽運放大器（抽運從放大器後端注入，與信號反向傳輸）和雙向抽運放大器（抽運從放大器兩側注入）。
按照信號激光通過放大器增益介質的程數區分，可以分為單程放大器、雙程放大器和多程放大器。在固體放大器中，多程放大器應用較多。雙程和多程放大，主要是為了充分提取增益介質中的儲能，提高輸出激光的信噪比。圖5是基於雙向抽運放大器的MOPA連續激光器原理示意。
圖5 基於雙向抽運放大器的MOPA連續激光器
多級放大器之間要適當分配增益，例如將1 pJ的脈衝放大到1 mJ，增益1E6倍，也就是60 dB。一般需要三級放大器，淨增益大體為30 dB/20 dB/10 dB，實際的系統設計根據具體參數不同千差萬別。適當的增益配比，有助於提高激光器的整體可靠性，提高信噪比和降低非線性效應。
對光纖激光器，從前向後，放大器所採用的光纖尺寸通常會逐級增大，以滿足功率逐級提升的要求。在級間連接時，一方面需要進行隔離以防止後級放大器的反向光回到前級放大器，干擾前級放大器的工作，甚至造成破壞；另一方面需要進行適當的模場匹配，例如從10 μm到30 μm的模場過渡，以避免或者減少光束質量的劣化。
值得注意的是，振盪器與多級放大器的在開關機時還需要滿足一定的時序關係。一般地，開機時，從振盪器往後逐級開啟；關機時，從末級放大器向前，逐級關閉。時序關係錯亂，可能導致激光器嚴重損壞，激光器內部通過光探測器（PD）監控和電控聯鎖以保證時序關係正常。
MOPA激光器的應用領域有哪些？
（一）表面處理（破壞表層）
01
陽極去除
陽極氧化材料通過激光去除表層氧化膜以達到導電或者標記功能，例如金屬殼3C產品導電位打標以及LOGO標記等。
02
鍍層去除
使用激光將材料的鍍層去除，並不傷及底層以達到隔絕或者增透目的，例如ITO鍍層去除、汽車玻璃保護膜去除、手機套膜去除等等。
03
油漆油墨去除
應用激光將不同層次油漆去除，以達到分層去除甚至全除，例如塑膠按鍵或者樹脂按鍵除油漆。
04
激光清洗
使用激光清除材料表面汙染物，除鏽、除毛刺等，用於工業機床、磨具刀等等。
05
高分子材料標記（塑料標記）
使用激光在高分子材料上標記文本或者LOGO等信息，例如線材、瓶蓋、3C電子產品標記等。
（二）表面處理（不破壞表層）
1、不鏽鋼等鍍層打彩
使用激光在不鏽鋼或者金屬鍍層高密度填充打標，在表層形成緻密的膜層以反射出不同顏色。
2、氧化鋁打黑
在氧化鋁殼上標記LOGO以及文本等信息。
（三）深雕處理
1、LOGO雕深反嵌
在規定材料上雕出所需LOGO圖形，以利於下道工序進行表面電鍍或者填充。
2、金屬物件標記
在制定金屬材料上標記文本信息以利於分辨識別等。
3、3D模型打標
使用激光配合控制系統做3D立體模型打標。
（四）切割
1、金屬薄膜切割
使用激光切割金屬薄膜，例如新能源電池中的銅膜、鋁膜等等（膜厚小於100 μm）。
2、金屬薄板、薄片切割
金屬板、硅片等材料劃線切割。
（五）激光焊接（脈衝焊接）
使用激光將薄片材料焊接在指定母材上以達到固定或者導通等功能。
（六）鑽孔
1、薄片鑽孔
在制定材料上使用激光鑽孔，例如金屬耳機或者金屬音響等鑽孔。
2、薄膜鑽孔
在銅膜、鋁膜上鑽孔等。
（七）激光燒蝕
用於武器或者高空雜物定點清除。
☆ END ☆
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