单片集成式主振荡功率放大器研究进展

单片集成式主振荡功率放大器(MOPA)具有体积小、功率大、光束质量高等优势,通过集成布拉格光栅,还能够实现窄线宽和动态单模,在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值,是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构,包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA,以各自的工作原理和性能特征为出发点,介绍其主要的研究方向,并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题,梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计,重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求,整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展,最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。

主振荡功率放大结构窄线宽全光纤激光器334W高功率输出

搭建了一台全光纤结构的窄线宽高功率掺镱光纤激光器。种子激光的输出功率大于40mW,线宽窄于100MHz。采用主振荡功率放大结构三级放大,主放泵浦功率为405W时得到了334W的窄线宽高功率激光输出,光光转换效率为82.4%。目前,激光器输出功率仅受限于泵浦功率,增加有效泵浦功率即有望进一步提高输出功率。

百瓦级全光纤结构单频掺铥主振荡功率放大器

报道了平均功率超过百瓦的单频掺铥全光纤结构主振荡功率放大器。使用线宽小于100kHz、中心波长为1.97μm的单频种子源进行级联放大,主放大器的斜率效率为50%。监测放大器的回光功率和光谱,没有发现受激布里渊散射以及其他非线性效应。通过增加泵浦功率,可以获得更高功率的掺铥单频放大输出。

主振荡功率放大相干合成系统的相位误差分析

在采用主振荡功率放大(MOPA)结构和外差方法实现激光器的相干合成中,由于各种因素的限制,不能保证各支路激光的相位完全一致。建立了反馈控制的相位误差分析模型,并对引起相位误差的因素进行了分析,包括电路延迟、电路输出的电压噪声、电路输出电压和相位调制器半波电压的不匹配、以及空间光路的扰动等,其中空间光路的扰动影响较大。进行了相干合成实验,当敲击分光镜时,空间光路发生变化,造成相位控制精度下降和相干合成的效果变差。

高功率准分子激光主振荡功率放大系统光学元件的稳定性

为了分析高功率准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统中各光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响,建立了分析模型,利用分析结果指导高稳定性镜架设计以满足系统实验需求。根据高功率准分子激光MOPA系统特点,有效地简化了系统光路,建立了系统光路模型;按照系统打靶精度要求,利用三维坐标变换和光线追迹法,计算得到了系统单个光学元件稳定性对靶面光斑定位精度的影响规律;最后,对自行设计的镜架进行了稳定性测量。计算结果表明,反射镜的旋转变化和透镜垂直光轴的平移变化是影响靶面光斑定位精度的主要因素,且主放大光路中反射镜在X方向和Y方向上最大的变化范围分别不能超过0.8和1.6μrad。实际测量结果表明,设计的镜架在X方向和Y方向最大的变化范围分别为0.6和0.81μrad,满足系统实验要求。

主振荡功率放大短脉冲光纤激光系统的偏振特性研究

对自行研制的主振荡功率放大结构短脉冲双包层光纤激光系统(2W,30ps)的偏振特性进行了研究.分别研究了种子源激光和经过包层泵浦放大后输出激光在连续工作和脉冲输出情况下的偏振特性,结果表明在不加偏振控制措施情况下,系统输出为椭圆偏振光,偏振度和偏振角都容易受到光纤扰动的影响;在激光腔内加入起偏器后,输出线偏振光,偏振态相对比较稳定,但是偏振角度仍然容易受到光纤扰动的影响.实验证明:经过高功率放大后,输出激光的偏振态稳定性有一定程度的下降,在进行激光相干合成前需进一步加以控制.

国产大功率全光纤主振荡功率放大器

以国产掺Yb光纤为增益介质,利用国产泵浦源和光纤器件,构建了主振荡功率放大结构的全国产大功率全光纤激光器。在注入的最大泵浦功率为75W时,获得了52.5W,1 080nm激光的稳定输出,光-光效率为70%。实验结果表明,提高泵浦功率可获得更高的输出功率。

基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统

提出了基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统,该系统由基于半导体可饱和吸收镜锁模的直线型光纤振荡器、二级放大结构脉冲非线性光纤放大器和具有负色散的单模传导光纤的脉冲压缩器构成.通过此系统获得了中心波长为1560 nm,重复频率为200 MHz的超短激光脉冲,脉冲半高全宽为44 fs,单脉冲能量可达1 nJ.随后,使用厚度为1 mm的掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体进行倍频工作.实验中使用各类波片、准直及聚焦透镜将放大系统输出的脉冲激光聚焦在极化周期为19.8μm的晶体位置上.通过合理调整光路并优化准直聚焦参数获得了平均功率为60 mW,中心波长为779 nm的倍频脉冲激光输出,转换效率达到30%.实验结果表明,基于全保偏光纤结构的主振荡脉冲非线性放大系统可以产生数十飞秒量级特性良好的脉冲激光.

侧面泵浦主振荡功率放大器中的光束质量提高

报道了一种利用球差补偿效应提高侧面泵浦主振荡功率放大器输出光束质量的实验装置。在理论上提出了一种新的球差补偿方法,利用正球差经过会聚透镜焦点后向负球差转化的现象,补偿下一放大级中的正球差效应。在实验上搭建了两级放大的侧面泵浦Nd:YAG主振荡功率放大器。在连续输出的情况下,从振荡级输出功率为42W、光束质量因子为1.48的种子光,经过一级放大后的功率为74W,光束质量因子恶化为1.80;继续经过二级放大后,光束质量因子提高为1.40。实验结果表明,所提出的球差补偿理论是提高激光放大过程中光束质量的有效手段。

MOPA光纤激光器放大级自激振荡实验研究

在高功率主振荡功率放大激光器(MOPA)中,放大的自发辐射(ASE)及其引起的自激振荡对激光器输出光特性有显著影响。理论分析了自激振荡与光纤端面反射率的关系。基于自行设计的MOPA光纤激光器系统,实验研究了自激振荡与增益光纤长度、抽运光功率和信号光功率之间的关系,并根据实验结果归纳出MOPA光纤激光器的输出特性曲线。结果表明放大级的放大倍数介于10~15之间时,输出光谱中自激振荡光所占的比例最小。实验结果为优化MOPA光纤放大器、提高输出激光的信噪比提供了一定参考。

高功率激光装置主放大系统结构表面粗糙对自激振荡的影响

对于采用离轴多程放大技术的高功率激光装置,抑制其自激振荡的技术具有重大研究价值。针对工程中发现的主放大系统小孔板附近结构表面比较光亮,当腔内放大器工作时,在增益足够条件下,光亮结构面和腔镜间形成谐振腔而产生自激振荡,烧蚀腔内器件的问题,基于蒙特卡洛方法模拟结构表面,依据几何光学原理推导了激光光束在结构表面反射模型,采用该模型代入工程中光路部分参数计算了主放大系统结构表面粗糙处理工艺和反射进入放大器内份额的关系,并将该表面处理工艺应用于工程中,通过增大结构表面粗糙度,使形成的谐振腔损耗大于增益,为抑制高功率激光装置主放大系统自激振荡提供了依据。

基于MOPA结构的1120nm掺Yb光纤放大器

基于主振荡功率放大器,采用1120nm光纤激光器作为种子激光,将其注入20m大模场面积单模双包层掺Yb光纤放大器,并用976nm半导体激光器泵浦实现了1 120nm信号光输出.实验中将注入种子激光功率预设为10mW,当半导体激光器泵浦功率增大至1.5 W时,放大器系统开始输出1 120nm信号光.当泵浦功率低于3.4W时,信号光功率随泵浦功率缓慢增长,系统斜率效率较低;而当泵浦功率高于3.4W时,信号光功率随泵浦功率线性增长,斜率效率明显增大,达到48.5%.限于最大注入泵浦功率为6.8W,放大器输出最高1 120nm信号光功率为1.97W,总的光-光转化效率为29%.输出信号光中心波长为1 120.89nm,线宽为0.02nm,极好地保持了种子激光的特性.结合实验情况,利用双包层光纤放大器的稳态理论模型,采用有限差分方法模拟了放大器输出信号光功率随泵浦光功率的变化曲线,结果显示理论模拟所得变化趋势与实验结果吻合良好,系统将在泵浦功率达到200W左右时达到饱和状态,说明目前光纤放大器系统具有很大的功率提升空间.

MOPA方式高峰值功率脉冲光纤放大器模拟

为了研究如何从脉冲种子光经放大器后获得能量为毫焦级、纳秒级脉宽的激光脉冲,以及重频、受激喇曼效应对输出激光脉冲的影响,采用基于主振荡动率放大方式建立了3级脉冲双包层掺Yb光纤放大器的瞬态理论模型。在不同重频下对能量为10nJ、脉宽为100ns的脉冲种子光经放大后的脉冲能量、峰值功率、平均功率、脉宽及受激喇曼效应进行了数值模拟。计算数据表明,当重频小于200Hz时输出激光脉冲的能量、波形受重频的影响很小,可以忽略不计,在适当参量下受激喇曼效应对各级放大输出几乎没有影响。结果表明,适当选择3级光纤放大器的各项参量可以实现毫焦级的激光脉冲输出。

基于MOPA结构与高能量种子源的高功率皮秒掺铥光纤放大器（英文）

以单脉冲能量更高的孤子激光器为种子源,通过主振荡放大技术,获得了2μm波段的高功率、皮秒脉冲激光器.该种子源是一个被动锁模的光纤激光器,通过优化、管理激光器谐振腔内的色散,获得了脉冲宽度为50ps、重复频率为55.6 MHz、谱宽约为21nm的高能量孤子脉冲输出.利用单模光纤在2μm波段的负啁啾色散特性,在进行功率放大之前将作为种子源的激光脉冲宽度展宽至600ps.最后,经过两级放大之后,获得平均功率约23 W、脉宽为660ps的激光输出.利用光栅对,对放大后的激光脉冲进行压缩,经测试压缩后的脉冲宽度约为0.9ps.

2-μm MOPA结构全光纤激光器输出特性研究

为改善高功率掺铥光纤激光器(TDFL)的输出性能,提高系统的光-光转化效率,研制了一种全光纤主振荡功率放大结构(MOPA)的高功率TDFL,可在连续(CW)和准连续(QCW)两种模式下工作。首先,搭建了激光振荡器,对种子源激光器的输出特性进行研究。接着,搭建掺铥光纤放大器,并将其与激光振荡器连接,研究MOPA结构光纤激光器的输出特性。最后,在QCW调制模式下,分析MOPA结构光纤激光器的脉冲特性。结果表明:激光振荡器实现了中心波长为1 940 nm连续稳定的激光输出,最高平均输出功率为18.56 W,斜率效率为54.84%,且光谱无拉曼成分。利用该低功率连续激光作为种子源经过自制的掺铥光纤放大器后,平均输出功率可达66.9 W,斜率效率为48.48%。当系统在QCW模式下工作时,可以实现对频率和占空比的调节,且当频率为75 Hz,占空比为10%时,经计算其峰值功率为80.3 W。该研究方案对研制2μm波段更高功率的MOPA激光器具有参考意义。

1μm全光纤MOPA结构激光器输出特性研究

主振荡功率放大(main oscillation power amplification,MOPA)结构由于其光束质量良好和参数可调的优点,已成为高功率光纤激光器的主流设计之一。为了改善高功率掺镱光纤激光器(ytterbium-doped fiber laser,YDFL)的输出性能,提高系统的光-光转换效率,文中报道了一台基于915 nm泵浦激光器和双包层掺镱光纤(ytterbium-doped fiber,YDF)的MOPA结构全光纤高功率激光器。该高功率光纤激光器由电调制激光二极管(laser diode,LD)泵浦的种子激光器和掺镱光纤放大器(ytterbium-doped fiber amplifier,YDFA)组成。连续光(continuous wave,CW)工作模式下,激光种子源经过YDFA后,实现了中心波长为1069.96 nm的激光输出,最大平均输出功率可达945.9 W,MOPA激光器整机的斜率效率高达74.12%,具有良好的稳健性。该研究方案对研制高功率MOPA光纤激光器具有参考意义。

天光一号MOPA光学角多路系统的研制

光学角多路系统是主振功放 (MOPA)装置的重要组成部分。它不仅连接着主振荡器、预放大器及主放大器三个KrF激光系统 ,而且起着压缩激光脉宽的作用。光学角多路能使主振激光脉冲在能量上得到足够的放大 ,并使泵浦预放、主放激光腔的电子束能量及其脉宽得到充分的利用。介绍了天光一号装置上MOPA光学角多路系统的结构 ,并结合多年来运行的实践 。

大口径管状Nd∶YAG放大器

将二极管泵浦单纵模Nd∶YAG激光器作为主振荡器,三级灯泵Nd∶YAG放大器及SBS相位共轭镜组成双通放大MOPA系统,经两个放大单元的行波放大,再经过管状放大器放大,实献能量输出10.59J,脉宽为4.76ns,发散角为6mrad、重复频率10Hz激光输出。

三路掺镱光纤放大器的相干合成实验研究

光纤激光相干合成技术是实现高功率、高亮度光纤激光系统的重要技术途径。采用主振荡并联放大器(MOPA)方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,其中每路光纤放大器的输出功率大于等于1 W,三路总功率大于等于3 W。采用铌酸锂光纤相位调制器,外差法系统的移频量为40 MHz,相位探测与校正精度优于λ/20,整个光路为全保偏光路。实验分别给出了两路和三路光纤放大器的相干合成结果。系统开环时,远场光斑为动态、模糊干涉条纹,条纹可见度为7%和6%;系统闭环运行时,远场光斑为稳定、高对比度干涉条纹,条纹可见度有大幅度提高,达到44%和48%。这表明闭环控制使两路和三路光纤激光的相位变化得到了有效补偿,系统实现了相位锁定运行和高相干度合成输出。

基于简单MOPA结构实现3.08kW全光纤窄线宽线偏振激光输出

基于简单的主振荡功率放大结构,演示了一种高功率窄线宽线性偏振全光纤激光器,其最大输出功率为3.08 kW,3 dB线宽为0.2 nm。在整个功率缩放过程中,偏振消光比约为94%,光束质量M 2约为1.4。这是国内外首次实现3 kW全保偏光纤激光输出,与基于相位调制的窄线宽激光器相比,该激光器可实现近似的线宽,同时具有受激布里渊散射阈值高、系统结构简单、成本低等特点。