01什么是突發(fā)模式激光

突發(fā)模式激光器的核心特性是：以較低重復(fù)頻率產(chǎn)生一連串緊密間隔的短脈沖，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率與高峰值功率。其高能量、高峰值功率的優(yōu)勢(shì)使其廣泛應(yīng)用于材料加工、精密外科手術(shù)、高分辨率檢測(cè)、高功率微波產(chǎn)生、航空航天與國防等領(lǐng)域。

近年來，該類激光器出現(xiàn)一個(gè)重要新應(yīng)用 —— 產(chǎn)生高功率脈沖捷變微波。微波的頻譜與峰值功率，直接取決于激光脈沖的頻譜與峰值功率。尤其值得注意的是，處于突發(fā)模式的激光器特別適合產(chǎn)生高頻（超 GHz 級(jí)）、高功率且頻率捷變的微波突發(fā)信號(hào)，但這對(duì)激光輸出特性有明確要求：一方面，突發(fā)包絡(luò)的均勻分布會(huì)影響微波突發(fā)的有效持續(xù)時(shí)間；另一方面，需靈活調(diào)節(jié)突發(fā)內(nèi)脈沖的重復(fù)率，才能生成頻率可調(diào)的微波信號(hào)。

因此，用于該場(chǎng)景的突發(fā)模式激光器，需具備近似均勻的包絡(luò)與可調(diào)節(jié)的頻率。為適配更多元應(yīng)用需求，突發(fā)模式激光器除了需提升突發(fā)能量與峰值功率，還需強(qiáng)化時(shí)域調(diào)諧性能，具體包括突發(fā)內(nèi)脈沖的重復(fù)率與持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)能力。

目前，實(shí)現(xiàn)相關(guān)調(diào)諧的方法之一是采用電光調(diào)制器（EOM）進(jìn)行極快速調(diào)制，理論上，該方式可實(shí)現(xiàn)皮秒至納秒級(jí)脈沖寬度的寬調(diào)諧范圍，且重復(fù)率能超過吉赫茲。但此方法存在明顯局限 —— 插入損耗高，且需單模光纖輸入，導(dǎo)致在放大EOM輸出的微弱信號(hào)時(shí)，難以同時(shí)保持包絡(luò)均勻性。

針對(duì)這一問題，近年研究與應(yīng)用中已提出解決方案：采用高脈沖能量、高峰值功率的全光纖突發(fā)模式激光系統(tǒng)，其突發(fā)內(nèi)脈沖的重復(fù)率與持續(xù)時(shí)間均可調(diào)；同時(shí)，通過在光纖放大器的七個(gè)階段采用不同優(yōu)化方案，可使激光獲得近似均勻的突發(fā)包絡(luò)，滿足多場(chǎng)景應(yīng)用需求。

02 AWG應(yīng)用于雙預(yù)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)全光纖突發(fā)模式激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在本示例中，我們將分析一種雙預(yù)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)任意波形激光二極管（LD）驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)聲光調(diào)制器（AOM）、一個(gè)電光調(diào)制器（EOM）、三個(gè)單模放大器以及四級(jí)多模放大器組成。激光系統(tǒng)設(shè)置的示意圖如下圖所示。

系統(tǒng)整體構(gòu)成與核心配置

該激光系統(tǒng)以 “雙預(yù)補(bǔ)償” 為核心設(shè)計(jì)思路，整體劃分為五大功能模塊，并明確關(guān)鍵器件參數(shù)，具體如下：

功能模塊劃分：包含脈沖源、三級(jí)單模預(yù)放大器、高重復(fù)率調(diào)制部分、二次預(yù)補(bǔ)償調(diào)制部分、四級(jí)多模放大器；

脈沖源配置：由任意波形激光二極管（LD）驅(qū)動(dòng)器直接調(diào)制源頭LD，生成重復(fù)率100Hz的預(yù)補(bǔ)償波形；

單模預(yù)放大器參數(shù)：三級(jí)放大器的增益介質(zhì)均為高摻雜單模Yb3?摻雜光纖（YDFs），在976nm處吸收系數(shù)達(dá) 250dB/m，泵浦源采用單模976nm激光二極管；

關(guān)鍵輔助器件：AOM后串聯(lián)3dB帶寬2nm的隔離器/帶通濾波器（IBP），用于優(yōu)化光束質(zhì)量；四級(jí)多模放大器由四個(gè)全光纖雙包層放大級(jí)（第四至第七級(jí)）組成，負(fù)責(zé)脈沖能量提升。

任意波形發(fā)生器的核心功能與器件適配

任意波形發(fā)生器（AWG）是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步控制、精準(zhǔn)調(diào)制的關(guān)鍵，根據(jù)不同模塊需求承擔(dān)三大功能，且適配不同系列型號(hào)以匹配性能要求：

脈沖同步觸發(fā)：接收激光驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)，使EOM驅(qū)動(dòng)波形與激光脈沖精準(zhǔn)同步，德思特TS-AWG7000/TS-AWG5000系列抖動(dòng)僅為數(shù)皮秒級(jí)，保障同步精度；

EOM高速驅(qū)動(dòng)：針對(duì)高重復(fù)率調(diào)制部分的5–10GHz帶寬EOM，德思特TS-AWG7000/TS-AWG5000系列可直接驅(qū)動(dòng)（無需額外放大器），輸出最高5Vpp電壓脈沖（上升/下降時(shí)間50ps），支持10GHz高頻信號(hào)；

AOM 預(yù)補(bǔ)償控制：為二次預(yù)補(bǔ)償調(diào)制部分的200MHz 及以下帶寬AOM提供信號(hào)，德思特TS-AWG5000/TS-AWG4000系列系列適配其低帶寬需求，同時(shí)AOM兼具脈沖形狀預(yù)補(bǔ)償與時(shí)域上抑制預(yù)放大器（自發(fā)輻射）ASE基座雙重作用。

調(diào)制與放大環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)邏輯

系統(tǒng)通過器件布局與放大器功能分配，實(shí)現(xiàn)損耗補(bǔ)償 - 預(yù)補(bǔ)償 - 能量提升的遞進(jìn)效果，核心設(shè)計(jì)邏輯如下：

放大器的損耗補(bǔ)償作用：第三級(jí)單模預(yù)放大器置于EOM之后、AOM之前，專門補(bǔ)償EOM的插入損耗與調(diào)制損耗，為AOM的二次預(yù)補(bǔ)償提供足夠初始能量；

調(diào)制環(huán)節(jié)的順序設(shè)計(jì)：先通過EOM完成高重復(fù)率調(diào)制，再經(jīng)AOM進(jìn)行二次預(yù)補(bǔ)償，確保脈沖形狀與噪聲抑制效果；

多模放大的能量提升：AOM后經(jīng)IBP濾波優(yōu)化后，脈沖進(jìn)入四級(jí)多模放大器，最終將能量提升至毫焦耳（mJ）量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)近似均勻的突發(fā)波形分布。

預(yù)補(bǔ)償過程中的脈沖形狀

系統(tǒng)輸出性能與波形特征

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)在脈沖波形、能量功率及增益控制上表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)存在部分技術(shù)局限：

波形匹配性：上圖中顯示，AOM調(diào)制后的突發(fā)模式脈沖（紅線）包絡(luò)與AWG預(yù)補(bǔ)償波形（藍(lán)線）基本一致，成功獲得突發(fā)持續(xù)時(shí)間約60ns的預(yù)補(bǔ)償種子源；

能量與功率指標(biāo)：經(jīng)四級(jí)多模放大后（用于提高脈沖能量），最大脈沖能量達(dá)13.3mJ（為已知全光纖吉赫茲突發(fā)模式脈沖最高值），最高峰值功率約0.53MW，最大能量下提取效率 31.4%；

增益飽和緩解與局限：最大輸出能量下，二次預(yù)補(bǔ)償有效緩解增益飽和效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)近似均勻包絡(luò)（一般情況下由于增益飽和效應(yīng)，隨著泵浦功率的增加，突發(fā)包絡(luò)的前部會(huì)抬升）；但因AOM調(diào)制上升/下降時(shí)間較慢（約 10ns），無法形成包絡(luò)兩側(cè)的快速邊緣。

突發(fā)激光波形-主放大器后的突發(fā)模式脈沖的時(shí)間形狀演變

審核編輯 黃宇