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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。
