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在⼯业界，MOPA激光器是⼀个约定的俗称，特指基于电调制种⼦源加多级功率放⼤器的纳秒脉冲光纤激光器，主要⽤于激光标记和精密切割、焊接、钻孔等应⽤领域，代表性⼚商是SPI。物理上MOPA是相对于单振荡器构型⽽⾔的⼀种激光器构型，英⽂全称为Main Oscillator and Power Amplifier，中⽂全称为主振荡器加功率放⼤器，并不是某种特定的激光器品类。为什么要采⽤MOPA构型呢？答案很直接，MOPA构型是激光器设计上难度与复杂度权衡的必然结果。基于单振荡器构型实现激光器所有输出指标过于困难或者根本做不到，增加放⼤器虽然加⼤了激光器的复杂度，但是缓解了难度瓶颈。
对连续激光器，基于单振荡器构型的激光器的输出功率近年来在不断提⾼，从早期的500W到750W再到⽬前的2kW甚⾄3kW。这种提升⾸先得益于光纤激光器件能⼒的提升，特别是光纤布拉格光栅（FBG）功率负载能⼒的提升。采⽤这种构型的好处在于激光器结构较为简单，且系统抗反激光能⼒更强。如果功率进⼀步提升，或者除了功率之外，对激光器的光谱、偏振态等特性有更复杂的要求，也需要采⽤MOPA构型。图1给出了⼀种基于1+1 MOPA构型的保偏连续激光器原理⽰意。
图1 基于MOPA构型的连续激光器
对脉冲激光器，⽬前⼯业界⽐较常见的基于单振荡器结构的产品是3W/5W的固体绿光/紫外激光器，激光器本⾝增益介质输出波长是1064nm的，在腔内插⼊⼆倍频和三倍频晶体⽤于⾼次谐波产⽣。单振荡器结构中，激光在振荡腔内来回反射多次，倍频效率显著提⾼。图2给出了⼀种基于Nd:YVO4晶体的单振荡器激光器原理⽰意，其中插⼊的LBO⾮线性晶体⽤于产⽣⼆倍频绿光。
图2 基于单振荡器构型的腔内倍频的Nd:YVO4固体激光器
振荡器除了使激光起振，对脉冲激光器，还要控制激光器输出激光信号的光谱、脉宽、重频、谱宽、偏振等诸多参数，需要插⼊单个或者多个功能器件，⽐如光纤光栅、声光开关、可饱和吸收体等。这些功能器件往往需要⽤到特殊的结构或者材料，耐受功率有限，损伤阈值较低，限制了振荡器的输出功率。另⼀⽅⾯，振荡器本⾝的激光动⼒学不稳定性也限制了输出功率的提升，某些激光输出参数（⽐如脉宽）还跟振荡器⼯作功率⽔平直接相关。因此，在激光器设计，特别是⾼功率激光器设计时，⼀般采⽤MOPA构型以将功率提升和参数控制的难度分散在振荡器和放⼤器中。也就是说，振荡
器主要关注除功率外的频域和时域参数的调控，功率放⼤则主要由单级或多级放⼤器来完成。
激光器除功率外的主要性能基本上是由振荡器决定，振荡器的种类很多，按照⼯作模式来看可以简单分为连续振荡器、调Q振荡器和锁模振荡器等。以最简单的连续振荡器为例，振荡器中包括⼀对腔镜（⼀个⾼反镜和⼀个低反镜）、增益介质和泵浦源。特别地，对光纤连续激光振荡器，腔镜就是⾼反和低反光纤光栅，增益介质就是掺镱光纤，泵浦源就是半导体激光器，如图1所⽰。
调Q激光器就是在连续激光器中插⼊了⼀个Q开关，所谓Q值可以简单理解为振荡器内激光传输的损耗。例如光纤激光器中按销量计算排第⼀的调Q激光器，就是在连续振荡器腔内插⼊光纤声光调制器（AOM），通过控制AOM的周期性开关来获得特定重频和脉宽的激光信号输出。AOM关闭时，腔内增益光纤在泵浦激发下储存能量，AOM开启时，信号脉冲产⽣并经腔内多次反射和增强，最终形成较强的激光脉冲输出，类似于⽔坝蓄⽔和泄洪。受限于AOM本⾝的⼯作带宽和重频，调Q光纤激光器典型的⼯作脉宽在数⼗到数百纳秒范围且⽆法主动调整，脉冲重频则在10kHz到100kHz范围。
地沟油提炼生物柴油asdl图3 调Q光纤脉冲激光振荡器
锁模激光器也可以理解为激光振荡器内有⼀个超⾼速的Q开关机制，⽽且开关的重频是由振荡器腔长决定的。产⽣这种⾼速开关的机制很多，⽐如可饱和吸收体（SESAM）、⾮线性偏振旋转（NPR）以及⾮线性相移镜（NLM）等。⽪秒甚⾄飞秒量级锁模脉冲的形成，是振荡腔内激光增益、损耗、⾊散以及⾮线性效应综合作⽤的结果，在特定参数条件下还会产⽣能够保形放⼤的孤⼦脉冲（Soliton）。
图4 基于锁模振荡器种⼦源的⽪秒MOPA激光器
振荡器的功率通常较低，特别是对于脉冲激光器，功率提升主要依靠单级甚⾄多级功率放⼤器。设计放⼤器时主要考虑的因素包括，输出平均功率、单级增益、信噪⽐以及⾮线性效应等。按照输出功率从⼩到⼤，放⼤器有时也分为预放⼤器、助推放⼤器和主功率放⼤器；单级脉冲放⼤器的净增益⼀般在10dB到30dB之间，⼀般功率越低的放⼤器，净增益越⾼；脉冲激光器的信噪⽐决定了有⽤的激光能量的占⽐，往往跟放⼤器的构型和功率有关，有时还需要采⽤时域（AOM）和光谱（BPF）滤波⼿段来提⾼信噪⽐；当脉冲峰值功率⾼到⼀定程度时，⾮线性效应会带来额外的损伤风险，也会降低有⽤信号激光的⽐例，需要通过多种⼿段加以抑制。马德保半球实验
放⼤器有多种构型和分类，按照泵浦激光和信号激光传输⽅向区分，可以分为正向泵浦放⼤器（泵浦从放⼤器前端注⼊，与信号同向传输）、反向泵浦放⼤器（泵浦从放⼤器后端注⼊，与信号反向传输）和双向泵浦放⼤器（泵浦从放⼤器两侧注⼊）；按照信号激光通过放⼤器增益介质的程数区分，可以分为单程放⼤器、双程放⼤器和多程放⼤器，在固体放⼤器中，多程放⼤器应⽤较多，双程和多程放⼤，主要是为了充分提取增益介质中的储能，提⾼输出激光的信噪⽐。图4给出了⼀个基于双向泵浦放⼤器的MOPA连续激光器原理⽰意。
羟基氧化钴图5 基于双向泵浦放⼤器的MOPA连续激光器
多级放⼤器之间要适当分配增益，例如将1pJ的脉冲放⼤到1mJ，增益1E6倍，也就是60dB，⼀般需要三级放⼤器，净增益⼤体为30dB/20dB/10dB，实际的系统设计根据具体参数不同千差万别。适当的增益配⽐，有助于提⾼激光器的整体可靠性，提⾼信噪⽐和降低⾮线性效应。
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对光纤激光器，从前向后，放⼤器所采⽤的光纤尺⼨通常会逐级增⼤，以满⾜功率逐级提升的要求。在级间连接时，⼀⽅⾯需要进⾏隔离以防⽌后级放⼤器的反向光回到前级放⼤器，⼲扰前级放⼤器的⼯作，甚⾄造成破坏，另⼀⽅⾯需要进⾏适当的模场匹配，例如从10um到30um的模场过渡，以避免或者减少光束质量的劣化。
振荡器与多级放⼤器的在开关机时还需要满⾜⼀定的时序关系，⼀般地，开机时，从振荡器往后逐级开启，关机时，从末级放⼤器向前，逐级关闭。时序关系错乱，可能导致激光器严重损坏，激光器内部通过光探测器（PD）监控和电控联锁以保证时序关系正常。
