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）。
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。
放大器的分类
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10 dB到30 dB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。
按抽运激光和信号激光传输方向区分，放大器可以分为正向抽运放大器（抽运从放大器前端注入，与信号同向传输）、反向抽运放大器（抽运从放大器后端注入，与信号反向传输）和双向抽运放大器（抽运从放大器两侧注入）。
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5是基于双向抽运放大器的MOPA连续激光器原理示意。
图5 基于双向抽运放大器的MOPA连续激光器
多级放大器之间要适当分配增益，例如将1 pJ的脉冲放大到1 mJ，增益1E6倍，也就是60 dB。一般需要三级放大器，净增益大体为30 dB/20 dB/10 dB，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10 μm到30 μm的模场过渡，以避免或者减少光束质量的劣化。
值得注意的是，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。
MOPA激光器的应用领域有哪些？
（一）表面处理（破坏表层）
01
阳极去除
阳极氧化材料通过激光去除表层氧化膜以达到导电或者标记功能，例如金属壳3C产品导电位打标以及LOGO标记等。
02
镀层去除
使用激光将材料的镀层去除，并不伤及底层以达到隔绝或者增透目的，例如ITO镀层去除、汽车玻璃保护膜去除、手机套膜去除等等。
03
油漆油墨去除
应用激光将不同层次油漆去除，以达到分层去除甚至全除，例如塑胶按键或者树脂按键除油漆。
04
激光清洗
使用激光清除材料表面污染物，除锈、除毛刺等，用于工业机床、磨具刀等等。
05
高分子材料标记（塑料标记）
使用激光在高分子材料上标记文本或者LOGO等信息，例如线材、瓶盖、3C电子产品标记等。
（二）表面处理（不破坏表层）
1、不锈钢等镀层打彩
使用激光在不锈钢或者金属镀层高密度填充打标，在表层形成致密的膜层以反射出不同颜色。
2、氧化铝打黑
在氧化铝壳上标记LOGO以及文本等信息。
（三）深雕处理
1、LOGO雕深反嵌
在规定材料上雕出所需LOGO图形，以利于下道工序进行表面电镀或者填充。
2、金属物件标记
在制定金属材料上标记文本信息以利于分辨识别等。
3、3D模型打标
使用激光配合控制系统做3D立体模型打标。
（四）切割
1、金属薄膜切割
使用激光切割金属薄膜，例如新能源电池中的铜膜、铝膜等等（膜厚小于100 μm）。
2、金属薄板、薄片切割
金属板、硅片等材料划线切割。
（五）激光焊接（脉冲焊接）
使用激光将薄片材料焊接在指定母材上以达到固定或者导通等功能。
（六）钻孔
1、薄片钻孔
在制定材料上使用激光钻孔，例如金属耳机或者金属音响等钻孔。
2、薄膜钻孔
在铜膜、铝膜上钻孔等。
（七）激光烧蚀
用于武器或者高空杂物定点清除。
☆ END ☆
閱讀更多 光電匯 的文章
