技术干货：MOPA脉冲激光器中的降功率频率点

降功率频率点是脉冲激光器中的一个很重要的概念，定义为特定脉宽下，激光器能够输出最大额定平均功率时的重复频率下限。也就是说，低于此频率点，即使设置功率100％，实际输出的功率也会低于额定功率。降功率频率点的存在是激光器本身的动力学过程决定的，准确理解降功率频率点有助于正确指导激光加工工艺实践。光至科技的MOPA纳秒脉冲光纤激光器的说明书中给出了每个脉宽对应的降功率频率点，仔细阅读这些数据能帮您更快速地找到工艺优化的方向。

在脉冲激光器中，降功率频率点的存在主要受限于两种物理效应，一是增益介质中的饱和放大效应，限制了可输出的最大脉冲能量，一是非线性效应，限制了可输出的最大脉冲峰值功率。

在降功率频率点以上，激光放大器的泵浦连续工作，在相邻脉冲间隔（T）内激发掺杂稀土离子从基态（ground state）跃迁到激发态（excited state），实现泵浦储能，此时没有信号光提取能量，增益介质内储能增加，犹如水坝蓄水，水位升高。信号脉冲经过后，通过受激发射过程，诱导处于上能级的离子以之相同的波长和方向发射，实现脉冲放大，犹如水坝开闸放水，形成洪峰。

图1 激光受激吸收、自发辐射与受激发射过程

如图1所示，除了泵浦受激吸收和信号受激发射，激发态的离子还会通过自发辐射不断损耗，因此储能不可能无限增加，限制通光方向横截面储能密度的物理量称为饱和通量（F_sat），主要由信号激光频率（v）位置的吸收截面（ σabs）和发射截面（σem）决定。饱和通量与光纤通光面积（A_f）的乘积即为饱和能量（E_sat）。物理上Esat是使激光增益下降到小信号增益的1／e（～37％）时对应的输入脉冲能量。

当信号脉冲能量远低于Esat时激光增益高，激光器工作在小信号放大区，大于Esat时激光增益下降逐渐趋于零，激光器工作在饱和放大区。在掺镱光纤激光器中，1064nm位置的吸收截面和发射截面分别为0.0064pm²和0.3978pm²，对20μm纤芯的光纤，饱和能量约为0.6mJ左右，对30μm纤芯的光纤，饱和能量约为1.3mJ左右，对100μm这种超大模场光纤，饱和能量则为14.5mJ。可见，目前脉冲光纤激光器的最大输出能量基本与饱和能量相当。饱和能量之上，脉冲仍然可以放大，只是增益会越来越小，慢慢趋近于零。以额定功率30W的脉冲激光器估算，典型的光光效率为60％，即需要的泵浦光功率为50W，915nm到1064nm的量子效率为86％，则完成2mJ的储能需要的时间为2mJ／86％／50W ＝ 46μs。以46μs作为脉冲周期，则对应的频率为22kHz。

实际上，在MOPA脉冲激光器中，一般只有200ns以上的长脉冲才能达到标称的最大能量输出，脉宽越短，最大输出能量越小。同等能量下，脉宽越短，峰值功率越高，而峰值功率高出一定阈值，会在光纤中引起显著的非线性效应，因此MOPA激光器除了限制最大脉冲能量，还有一个重要的限制就是峰值功率，典型值为10kW。