MOPA放大技术
引言
1917年，Einstein在《关于辐射的量子理论》一文中首次提出了受激辐射的概念，他认为:在物质与辐射场相互作用中，构成物质的分子或原子可以在光子激励下产生新光子，这就为激光(受激辐射光放大)概念的提出打下了最初的理论基础。但是，激光器的研究真正开始于1958年科学家Schawlow和Townes 提出的利用尺度远大于波长的开放式光学谐振腔实现激光器的思想和Bloembergen提出的利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转的思想。之后，全球的研究小组开始了一场研制世界上第一台激光器的激烈竞赛。很快，在1960年，世界上第一台激光器诞生于美国California州休斯实验室，Maiman等科学家成功进行了红宝石全固态激光器的实验演示，从此开启了激光器研究的大门。
光纤激光器的研究起源于1961年，当时Snitzer在纤芯为300的掺钕玻璃波导中发现了激光辐射现象。随后，Snitzer等人又发表了有关共掺杂光纤中光放大的论文，分别提出了光纤激光器和光纤放大器的构想。
1966年，高馄和Hockham首次讨论了研制低损耗光纤的可能性，为现代光纤通信奠定了基础，也为通信波段光纤激光光源的研究提出了迫切的要求。
大约到了1975年左右，随着低损耗光纤的研制成功和作为光纤激光器泵浦源的半导体激光器的不断实用化，光纤激光器和光纤通信的研究开始进入了快速发展时期。
1985年，英国Southampton大学的Poole等人利用化学气相沉积法制作出了第一根低损耗的单模掺铒光纤(Erbium-doped Fiber, EDF)并制作了掺铒光纤激光器，标志着稀土离子掺杂技术走向成熟，也为各种掺杂增益光纤的制作奠定了基础。
1987年，英国Southampton大学的Mears等人和美国Bell实验室的Desurvire等人先后对掺铒光纤放大器进行了研究并验证了其可行性，实现了光纤通信线路中的光放大，极大推动了光纤通信向更长中继传输距离发展。
随后的二十多年里，光纤激光技术得到了迅速的发展，已不仅仅只是用于光纤通信。随着不同掺杂稀土离子光纤激光器被提出，如:掺铒、钕、镱、铥、铒/镱共掺、铥/钬共掺等等，其应用范围已经拓展到传感、医疗、工业加工以及军事国防等领域，尤其是高功率光纤激光器的提出，可谓是光纤激光器史上的一次技术革命。
1988年，美国Massachusetts州Polaroid公司首次提出了双包层光纤设计思想，泵浦光进入包层中传输，但是圆形内包层吸收效率很低。
1994年，Pask等人首次实现了包层泵浦，并制作了包层泵浦掺镜光纤激光器，获得500mW功率输出，中心波长为1040nm，使得在光纤中实现高功率激射成为可能。
1999年，Dominic等人制作了掺镱双包层光纤激光器，功率达到了110W。
2002年，Limpert等人报道了镱/钕共掺双包层光纤激光器，得到了150W 的连续激光输出。2002年8月，IPG公司研发的连续光掺镜双包层光纤激光器输出功率已到达2kW，在同年11月，他们又将自己的记录刷新为10 kW。
2003年，英国Southampton大学的研究人员Nilsson等人分别用掺镜双包层光纤和铒/镱共掺光纤制作出了功率为270W、波长为1080nm的单模光纤激光器和功率为103 W、波长为1565nm的单模光纤激光器。
2004年初，英国Southampton大学和SPI公司报道了使用D型内包层的双包层光纤可以实现单纤上千瓦的连续激光输出，纤芯直径仅为43，引起了业界轰动。
同年，IPG公司研制出了200纤芯输出10 kW连续激光的掺镱双包层光纤激光器，并可以实现1 kW~10kW的连续可调。
2005年，IPG又推出了2kW单模光纤激光器，还将17kW光纤激光器投入生产线。
2007年，IPG公司实现了3kW单模光纤激光器的实用化。
2009年，IPG公司又将单模光纤激光器的功率值刷新为9.6kW。
2012年，我国武汉锐科光纤激光器公司和华中科技大学完成了4kW功率输出全光纤激光器项目。
到2013年，IPG公司己经实现了100kW的掺镜光纤激光输出。
然而，以上介绍的高功率光纤激光器的研究主要集中在掺镱激光输出上，主要应用领域为工业加工方面，其对于激光输出质量的要求较低，最好的也就只达到了单横模输出。随着研究领域的不断拓展，对于各个波段的高功率光纤激光输出的要求都变得越来越强烈，而且对于光束质量要求也变得越来越高。
目前，光纤激光器的研究主要集中在1060nm波段的掺镱光纤激光器、1550nm波段的掺铒光纤激光器以及2波段的掺铥光纤激光器，而且每个波段的应用对于高功率和高光束质量的要求也都变得越来越强烈，如1060nm波段的超小面积和超高精细度工业加工、1550nm波段的超远距离和超高精度光纤传感以及2波段的超远距离自由空间光通信和超高精度激光手术等应用。对于以上提到的1550nm波段和2波段的应用，虽然功率要求并不像1060nm波段工业加工的那么高，但是对于输出光束质量，如光谱、亮度、频率和稳定性等，要求却相对要高很多。传统的线形腔双包层泵浦类型的高功率光纤激光器很难在保证高功率运转的同时保持良好的光束质量，如单频、窄线宽、高稳定性、高信噪比等，而且难以实现激光器的输出可调谐以及对激光器的调制等。
采用基于主振荡功率放大(Master-Oscillater Power Amplifier, MOPA)技术的光纤激光系统可以在实现高功率输出的基础上保持良好的光束输出质量，而且容易实现激光输出的可调谐和可调制，已经成为光纤激光领域的研究重点。
1、MOPA光纤激光技术
MOPA光纤激光技术，即使用具有高光束质量的低功率激光器作为种子光源，高功率光纤放大器用作种子源放大，最终实现同时具有高光束质量和高功率的激光输出，其典型的结构示意图如图1.1所示。其中，种子源可以选择固体激光器、半导体激光器以及光纤激光器。在MOPA光纤激光系统中，种子源激光器只需提供较小的功率，但是要求其具有较好的光束输出质量，比如:对于连续光需要高稳定性、高信噪比、窄线宽、单偏振等，对于脉冲光需要高重复频率和短脉冲等(对于脉冲光本文不做研究);高功率光纤放大器负责激光功率的放大，通常采用双包层大模场有源光纤作为增益介质，高功率半导体激光器作为泵浦源，其质量的优劣也会直接影响最终输出激光的质量，那么对于放大级增益光纤的选型和泵浦方式的选取也就变得尤为重要。通常，MOPA光纤激光系统都采用种子源加一级放大得到所需功率和光束质量指标，但在有些情况下需要更高功率输出等，则需要进行两级或多级放大。MOPA光纤激光系统最大的优势在于整个系统的输出激光的光谱、波长稳定性、线宽等特性，都只由种子源决定，但对种子源却不需要追求高输出功率，这就大大地增加了种子源部分的可操作灵活度，比如可以在种子源激光腔内加入各种滤波和调谐器件，从而实现最终输出激光的单频窄线宽、单偏振、波长可调谐、多波长输出等等。
2、国内外发展现状
MOPA光纤激光技术为单频高功率光纤激光器的实现提供了有力的技术基础，其在激光雷达、激光通信、相干光束合成、激光传感、原子冷却和俘获、工业制造和军事应用等领域具有非常大的潜在应用价值。从20世纪90年代初期，研究者们就已经开始对基于MOPA光纤激光技术的单频高功率光纤激光器进行研究。
1999年，Zawischa等人采用半导体泵浦的单块非平面环形腔激光器(NPRO)作为种子源，掺钕双包层光纤构成放大级，搭建了MOPA光纤激光系统，在1064nm处得到了5.5W的单频激光输出，线宽为几kHz，光束质量因子值约为1.1。
2003年，Liem等人同样使用NPRO作为种子源，大模场双包层掺镱光纤作为放大级增益光纤，在1064nm波长处得到了118W的功率输出，斜率效率达到70%，激光输出值为1.1，线宽约为2~3kHz。
2005年，英国Southampton大学的Jeong等人报道了单频单偏振掺镱MOPA光纤激光器，在1060nm处得到了功率为264W的连续激光输出，斜率效率达到72%、输出线宽小于60kHz、偏振消光比为16dB, 值优于1.1，使用的种子源为掺镱分布反馈（DFB）激光器，放大级为四级掺镱光纤放大器，种子光分别被放大到250mW, 2W, 7W和264W。
2006年，北京理工大学的孙文峰等人采用NPRO作为种子源、4.4m长D 型双包层掺镱光纤作为放大器增益介质搭建了MOPA光纤激光系统，得到了净输出功率为6.65W的单频激光，使用的信号光功率为200mW、放大倍数达33倍。
2007年，同一课题组的孙鑫鹏等人在前人的基础上通过使用10m长D型双包层掺镱光纤将激光输出功率提高到了16.1 W，其在输出光纤端面进行了斜8度的研抛处理。同年，英国Southampton大学的Jeong等人在2005年工作的基础上，通过在最后一级放大中分别使用6.5m保偏和9m非保偏大芯径双包层光纤获得了402W和511W的激光输出，两种情况下最后一级放大的斜率效率都达到70%以上，输出激光为单频。
同年，南开大学的郭占成等人报道了基于全国产器件的单频MOPA光纤激光系统，使用电子部46所研制的双包层D型掺镱光纤对种子光源进行放大，在1060nm处得到了1.12W的单频激光输出。
2007年，上海光学与精密机械研究所的张芳沛等人对窄线宽MOPA光纤激光系统进行了实验验证，采用超高稳定性的单频激光器作为种子光源，国产D 型大模场双包层光纤构成光纤放大器，实现了对1064nm激光的单频光放大，放大功率为7.3W，斜率效率为39%。
2008年，美国NorthropGrumman公司提出了单频掺铥MOPA光纤激光系统，最后一级放大级采用的是3.1 m长、纤芯直径25um的双包层掺铥光纤，最终实现了600W的单频激光输出，输出波长为2.04um。
以上提出的MOPA光纤激光系统放大级均采用的是泵浦光空间耦合入双包层增益光纤的方式，这样的耦合方式虽然可以得到较高的输出功率，但是导致整个MOPA激光系统结构复杂、体积大、不便于维护、稳定性差，也为其实用化带来困难，导致MOPA光纤激光系统基本处于实验研究阶段。全光纤MOPA 激光系统具有结构简单、体积小、集成度高、稳定性好、免维护、低成本等优点，是将来单频高功率光纤激光器发展的趋势和必然。
2008年清华大学先后报道了连续输出功率为175W和300W的全光纤MOPA激光系统，但是其输出并不是单频激光。
2011年，国防科技大学的董小林等人提出了122W输出的全光纤单频MOPA光纤激光器，如图1.2所示，使用的种子光源为超短腔单频掺镱磷酸盐
光纤激光器，波长为1063.8nm，线宽小于20kHz；放大级为两级放大，预放大级和主放大级分别采用11/130um和30/400um双包层掺镱光纤；激光器系统最终实现了122W的单频激光输出，光光转换效率达到72%，而且没有观察到明显的自发辐射光放大（ASE）和受激布里渊散射(SBS)，光束质量优异。
2012年，国防科技大学的同一课题组的许将明等人又提出了输出功率为90.4W的全光纤单频保偏MOPA激光系统;系统中使用的种子源为环形腔单频光纤激光器，波长为1083nm，线宽为12MHz，输出功率为2.8mW;采用四级光放大器对种子光进行放大，第一级预防大采用非保偏掺镱光纤，其余三级均采用保偏掺镱光纤，最终输出的偏振消光比为13dB，光光转换效率为72.5%，并且没有观察到明显的SBS。
2013年，华南理工大学的Yang等人报道了他们设计的输出功率为10.9kW 的全光纤单频MOPA激光系统，如图1.3所示;使用的种子源为他们自行设计的1560nm超短腔窄线宽掺铒光纤激光器，输出线宽小于2kHz，偏振消光比为
26dB，信噪比优于75dB；放大级只采用一级放大，使用7m保偏铒/镱共掺光纤;最终实现了窄线宽高功率激光输出，线宽小于3.5kHz，偏振消光比大于24dB，信噪比高于70dB，光光转换效率为29.5%，而且具有很高的稳定性。
总得来说，随着各个波段光纤激光器在相关领域应用的不断拓展，在保持很好光束输出质量的同时，对于功率的要求都有了很大程度的提高。虽然目前基于全光纤MOPA激光技术的高功率单频窄线宽光纤激光器在实现上还存在诸多的技术瓶颈，其功率不可能很快提高到很高的量级，但是，相信随着不同机构的研究者们的共同努力，其在未来的不断发展中必将会不断地满足多方面应用的需求，成为高功率单频窄线宽光纤激光器的首选实现方式。
3．全光纤MOPA激光系统的应用前景和发展趋势
相比于普通的双包层线形腔高功率光纤激光器，高功率MOPA光纤激光系统具有结构灵活、效率高、体积小和重量轻等优点，尤其是在光束输出质量方面具有独特的优势。由于在整个MOPA光纤激光系统中，对于种子源只需要考虑其输出光束质量，这就大大增加了种子源部分的可操作灵活度，可以通过合理设计制得高质量的种子光纤激光器用于放大;放大级负责种子光的功率提升，通过合理选择增益介质和设计泵浦方式，可以在基本上不影响种子源光束质量的情况下得到高功率输出。然而，由于在早期的MOPA光纤激光系统中，种子源到放大级以及放大级的泵浦光祸合及激光输出都是使用的自由空间光耦合，需要用到很多透镜组合，有得甚至使用多级放大，这就大大增加了整个系统的体积、重量以及设计难度，而且祸合效率低、成本高、光束质量也不可能达到非常的优秀。全光纤MOPA光纤激光系统具有体积小、集成度高、免维护、输出光束质量优秀以及祸耦合效率高等优点，将是未来MOPA光纤激光系统发展的必然方向。
目前常用的光纤增益介质可提供的激光波长范围在1~2左右波段，包括1 波段的掺镱光纤激光、1.5波段的掺铒光纤激光和2波段的掺铥光纤激光。位于1 波段的掺镱光纤激光主要应用在工业加工领域，由于掺镱离子光纤的高吸收效率和高光光转换效率，使得MOPA掺镱光纤激光器很容易达到很高的输出功率量级(kW量级以上)，然而由于短波长处光纤中的非线性效应较强，使得输出光束质量不是非常优秀，但是足够满足高精度的工业加工需求。相比于掺镱激光，波长更大的掺铒和掺铥激光都处于人眼安全波段，具有高功率和窄线宽输出的MOPA掺铒或掺铥光纤激光器在传感、医疗、军事和自由空间光通信等领域表现出更大的优势，也有着很广阔的应用前景。另外，由于三个波段都位于大气低损耗窗口。可见，基于全光纤MOPA激光技术的高功率单频光纤激光器在激光雷达、测距等需要很好的相干性和高功率输出光源的领域有着天然的优势。相比于半导体和其他激光器，单频光纤激光器的输出线宽等特性要高出一个量级，未来在激光雷达等领域必将取代半导体和其他激光器。
由于全光纤MOPA激光系统很容易达到高功率和窄线宽甚至是超窄线宽输出，其在超远距离、超高精度和灵敏度的新型传感系统中具有重要的应用价值，是此类系统的理想光源，可应用在海底通信、管道监控、石油勘探、输油管道和军事国防等领域。另外，全光纤MOPA激光系统被认为是最佳的光纤激光合束方案，是实现100kW放大器阵列光束合成的基础，其在军事武器领域也将发挥巨大的价值。之前，包括MIT林肯实验室和空军研究实验室等多家美国实验室和研究单位都在进行此方面的研究工作，足见对其的重视程度。
毫无疑问，未来MOPA光纤激光系统的发展趋势是兼具高功率和高光束质量的全光纤系统。目前，单个全光纤MOPA激光器的功率很难突破1 kW，因为在进行单频放大时，诸如受激布里渊散射等非线性效应的闽值较低，是放大器突破kW量级的最大障碍。采用大模场增益光纤可以降低纤芯中功率密度，从而降低非线性效应，但是增大纤芯直径和模场的同时会导致纤芯中能够稳定传输的模式太多，输出光束质量又会相应地降低。因此，对放大级大模场增益
光纤的选型、设计和特性研究是MOPA光纤激光系统走向高功率实用化的必经之路。另外，随着应用范围的不断扩大，全光纤MOPA激光系统的目标也不只是单单地达到高功率单频激光输出，它必将向更高的方向发展，那就是要同时具有高稳定性、高信噪比、超窄线宽、波长可调谐、波长可切换以及多波长运行等等，这就要求必须提供一台具有灵活可操作性的高质量光纤激光器种子光源。因此，综合考虑应用需求和未来发展趋势，全光纤MOPA激光系统将来的研究方向将主要集中在以下两个方面:放大级增益光纤的选型、设计和特性研究以及高质量种子源光纤激光器及其关键技术研究。