当人们想要产生 1 ns-10 µs 范围内的短脉冲时，我们就进入了纳秒脉冲光纤激光器的世界。

如上所述，Yb ³⁺离子的特性不足以通过调节泵浦功率来产生这样的脉冲。 因此，有必要保持持续的泵功率，并找到一种不同方式产生脉冲的方法。

在这里我们可以与马桶冲水类比。 光学泵浦是指水进入冲水箱的过程，通过一种技术使其以所需频率冲水（在该比较中，冲水就是光脉冲）。 通过比较，我们可以了解一些重要元素：

• 在考虑连续泵浦（连续水流）时，可以想象需要最低冲洗频率，否则连续流入的水会溢出。 光纤激光器的最低频率通常为 5 kHz。 低于此频率，一些 ASE 功率开始在脉冲之间从光纤中流出。
• 另一个重要参数是有源光纤中的离子数量。 这个数字与每个脉冲可获得的绝对最大能量直接相关（马桶水箱的大小决定了可获得的绝对最大水量，而由于分离机制使水停止注入马桶，所以往往获得的水量较少）。
• 最新一代的光纤激光器电子电路被用来在MOPA（放大）纳秒光纤激光器架构中应用泵浦脉冲（见§IV中对这种电子电路的描述）。 同样，与马桶冲水类比，当考虑水箱填充的两种影响时，水箱填充的开始和停止与冲洗以填充马桶的动作分开。

有两种不同的架构：单光纤激光腔和 MOPA（主振荡器功率放大器）。 除了单腔Q开关结构外，大多数纳秒光纤激光器结构都是基于MOPA结构的。

• Q开关纳秒光纤激光器

当一个专门的快速开关/调制元件被集成到光纤激光器腔中时，就会得到Q开关光纤激光器。 该组件可以是在脉冲模式下驱动的 AOM（声光调制器）、EOM（电光调制器）或 SOA（半导体光调制器）。 有关此类组件的详细说明，请参阅光纤强度调制器相关文章。 将组件切换到低损耗水平通常会释放几纳秒的高能量脉冲。

Q 开关架构的示例如图 1所示。 快速 AOM 用于应用损失。

图 1：Q 开关纳秒光纤激光器架构示例

这种架构的优点是它非常简单，因为它只需要很少的组件。 缺点是模块化和控制光学参数的能力相当低。

MOPA 纳秒光纤激光器

目前销售的大部分雕刻光纤激光器都是基于这种架构。 例如，1064 nm 的种子源半导体激光管由一些专门的快速电流脉冲电子电路产生脉冲，然后被不同级的有源光纤放大。 一个典型的放大级会产生10到20dB的增益。 超过这个增益水平，一些不需要的ASE（放大自发辐射）效应会放大不需要的波长。 因此，希望有一个多级放大器，每级之间有ASE滤波器，而不是将某一级的放大增益最大化。

图 2：用于放大由脉冲半导体激光管驱动器产生的纳秒种子脉冲的多 (3) 级 MOPA 光纤激光器架构。

纳秒光纤激光器的重要影响

在考虑脉冲半导体激光管的光纤激光放大时，需要考虑四个重要影响：

半导体激光管增益切换效应：当向半导体激光管施加电流时，一定量的能量会存储在增益介质中。 该能量随后在脉冲的初始部分（皮秒范围）以短脉冲的形式实现。 该脉冲通常约为 100 ps 脉冲持续时间。 这个短脉冲可以被看作是一个机会，例如当试图产生非常短的脉冲时，或者在考虑将纳秒范围脉冲放大到高能级时被看作一个问题时（图 3 显示了在使用 AeroDIODE 脉冲半导体激光管驱动器时，生成了具有增益开关峰值的典型 3 ns 脉冲）

图 3：3 纳秒短脉冲示例。 在脉冲的早期部分观察到 ~100 ps 增益开关脉冲

该脉冲是使用AeroDIODE CCS 脉冲半导体激光管驱动器获得的

脉冲半导体激光管发射光谱的演变：当直接脉冲通过半导体激光管时，用户应考虑到两种不理想的光谱效应：

1.  
   • 1- 第一个与半导体激光管“锁定”到其布拉格锁定元件所需的时间相关。 这种锁定对于 DFB 来说是即时的，但对于基于布拉格光栅的半导体激光管来说，往往需要超过 100 纳秒的时间。 也就是说，当半导体激光管脉冲布拉格光栅稳定时，第一纳秒产生宽发射光谱，就像没有布拉格光栅一样。 一些供应商提供了一种“布拉格光栅靠近芯片”的折中解决方案，只需几纳秒即可锁定元件。
2.  
   • 2- 另一个不可避免的影响来自频率/相位谱和强度分布的耦合。 更具体地说，发射光谱随脉冲长度而变化，这有时会成为一个问题。 例如，SOA 外部调制提供了一种智能解决方案来避免这种影响。 请参阅：光纤强度调制器基础相关文章，详细比较四种常用的外部调制激光技术。

脉冲形状的变形：当考虑具有高增益多级配置的 MOPA 光纤激光器架构时（如图4所示），有源光纤增益取决于掺杂物数量反转水平。 这些电平在脉冲持续时间内减少。

图4

因此，脉冲会发生变形，这使得输出端无法获得漂亮的方形脉冲形状。 一些脉冲半导体激光管驱动器可以调整给定脉冲的形状，以预补偿这种效应，并在最后放大级的输出处达到所需的脉冲形状。

光纤非线性效应：光纤放大器将光集中在一个小直径的纤芯中，能够将功率密度提高到一个较高水平。 当考虑高脉冲峰值功率时，这可能成为一个主要问题，因为在超过一定的峰值功率和光谱密度时会出现许多光学非线性效应。 这些效应，如 SBS（受激布里渊散射）或 SRS（受激拉曼散射），往往会扩大发射光谱和脉冲持续时间。 SBS 是一种非线性地取决于光谱密度的效应。 在使用纳秒脉冲时，要想达到更高功率，可以选择更宽的发射种子源用来避免窄谱宽 DFB。 另一种解决方案是使用 EOM（电光）相位调制器。 这拓宽了发射光谱，同时保持了 DFB 良好的光谱稳定性。

AeroDIODE的中心板有一个半导体激光管通道，为低噪声的CW驱动而优化，还有一个通道，为CW和纳秒短脉冲而优化。 它还有许多与光纤激光器相关的功能，例如多个光电二极管输入。 中央板充当光纤激光器的“控制中心”。 中央板还能够处理脉冲泵浦功能，可以帮助设计低重复率、高能量系统。 请参阅此产品页面：光纤半导体激光管驱动器相关文章。

图5：该光纤半导体激光管驱动器充当光纤激光器的控制中心。 它包括一个单模连续脉冲驱动器，一个纳秒和连续半导体激光管驱动器。

脉冲整形器板是 AeroDIODE的另一款驱动器，它可以解决上述四个问题中的两个：它可以预补偿脉冲形状并提供特殊的增益开关抑制功能。 由于其内部 AWG（任意波形发生器） 每500ps产生一个动态范围为48dB的电流强度值，因此可以将波形调整到非常短的脉冲宽度。 它还包含 3 个脉冲延迟发生器输出。 

图 6：直接驱动配置的 AeroDIODE 整形器模块是一款高速半导体激光管驱动器，可生成专门的光脉冲形状

例如，在模块内调制后从 DFB半导体激光管获得的脉冲。

CCM 模块是 AeroDIODE 提供的第三款半导体激光管驱动器。 这款高功率驱动器可以控制上述所有光纤激光器架构中的多模单发射极和多发射极半导体激光管。 它适用于驱动一个或多个多模泵浦半导体激光管（单个元件或多个元件），这些激光管中配有风冷装置的高功率 TEC 控制器。 它包含许多功能，可在优化和紧凑的风冷装置中驱动这类激光器。 

图 7：AeroDIODE 高功率半导体激光管驱动器。 适用于 AeroDIODE、Lumentum、IPG 等半导体激光管。