01 什么是突發模式激光

突發模式激光器的核心特性是：以較低重復頻率產生一連串緊密間隔的短脈沖，從而同時實現高重復率與高峰值功率 。其高能量、高峰值功率的優勢使其廣泛應用于材料加工、精密外科手術、高分辨率檢測、高功率微波產生、航空航天與國防等領域。

近年來，該類激光器出現一個重要新應用 —— 產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，處于突發模式的激光器特別適合產生高頻（超 GHz 級）、高功率且頻率捷變的微波突發信號，但這對激光輸出特性有明確要求：一方面，突發包絡的均勻分布會影響微波突發的有效持續時間；另一方面，需靈活調節突發內脈沖的重復率，才能生成頻率可調的微波信號。

因此，用于該場景的突發模式激光器，需具備近似均勻的包絡與可調節的頻率 。為適配更多元應用需求，突發模式激光器除了需提升突發能量與峰值功率，還需強化時域調諧性能，具體包括突發內脈沖的重復率與持續時間調節能力。

**目前，實現相關調諧的方法之一是采用電光調制器（EOM）進行極快速調制，**理論上，該方式可實現皮秒至納秒級脈沖寬度的寬調諧范圍，且重復率能超過吉赫茲。但此方法存在明顯局限 —— 插入損耗高，且需單模光纖輸入，導致在放大EOM輸出的微弱信號時，難以同時保持包絡均勻性。

針對這一問題，近年研究與應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模式激光系統，其突發內脈沖的重復率與持續時間均可調；同時，通過在光纖放大器的七個階段采用不同優化方案 ，可使激光獲得近似均勻的突發包絡，滿足多場景應用需求。

02 AWG應用于雙預補償結構全光纖突發模式激光系統的設計

在本示例中，我們將分析一種雙預補償結構，該結構由一個任意波形激光二極管（LD）驅動器、一個聲光調制器（AOM）、一個電光調制器（EOM）、三個單模放大器以及四級多模放大器組成。激光系統設置的示意圖如下圖所示。

系統整體構成與核心配置

該激光系統以 “雙預補償” 為核心設計思路，整體劃分為五大功能模塊，并明確關鍵器件參數，具體如下：

• **功能模塊劃分：**包含脈沖源、三級單模預放大器、高重復率調制部分、二次預補償調制部分、四級多模放大器；
• **脈沖源配置：**由任意波形激光二極管（LD）驅動器直接調制源頭LD，生成重復率100Hz的預補償波形；
• **單模預放大器參數：**三級放大器的增益介質均為高摻雜單模Yb3?摻雜光纖（YDFs），在976nm處吸收系數達 250dB/m，泵浦源采用單模976nm激光二極管；
• **關鍵輔助器件：**AOM后串聯3dB帶寬2nm的隔離器/帶通濾波器（IBP），用于優化光束質量；四級多模放大器由四個全光纖雙包層放大級（第四至第七級）組成，負責脈沖能量提升。

任意波形發生器的核心功能與器件適配

任意波形發生器（AWG）是實現系統同步控制、精準調制的關鍵 ，根據不同模塊需求承擔三大功能，且適配不同系列型號以匹配性能要求：

• **脈沖同步觸發：**接收激光驅動器的觸發信號，使EOM驅動波形與激光脈沖精準同步，德思特TS-AWG7000/TS-AWG5000系列抖動僅為數皮秒級，保障同步精度；
• **EOM高速驅動：**針對高重復率調制部分的5–10GHz帶寬EOM，德思特TS-AWG7000/TS-AWG5000系列可直接驅動（無需額外放大器），輸出最高5Vpp電壓脈沖（上升/下降時間50ps），支持10GHz高頻信號；
• **AOM 預補償控制：**為二次預補償調制部分的200MHz 及以下帶寬AOM提供信號，德思特TS-AWG5000/TS-AWG4000系列系列適配其低帶寬需求，同時AOM兼具脈沖形狀預補償與時域上抑制預放大器（自發輻射）ASE基座雙重作用。

調制與放大環節的設計邏輯

系統通過器件布局與放大器功能分配，實現損耗補償 - 預補償 - 能量提升的遞進效果，核心設計邏輯如下：

• **放大器的損耗補償作用：**第三級單模預放大器置于EOM之后、AOM之前，專門補償EOM的插入損耗與調制損耗，為AOM的二次預補償提供足夠初始能量；
• **調制環節的順序設計：**先通過EOM完成高重復率調制，再經AOM進行二次預補償，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IBP濾波優化后，脈沖進入四級多模放大器，最終將能量提升至毫焦耳（mJ）量級，并實現近似均勻的突發波形分布。

系統輸出性能與波形特征

通過實驗測試，系統在脈沖波形、能量功率及增益控制上表現出顯著優勢，同時存在部分技術局限：

• **波形匹配性：**上圖中顯示，AOM調制后的突發模式脈沖（紅線）包絡與AWG預補償波形（藍線）基本一致，成功獲得突發持續時間約60ns的預補償種子源；
• **能量與功率指標：**經四級多模放大后（用于提高脈沖能量），最大脈沖能量達13.3mJ（為已知全光纖吉赫茲突發模式脈沖最高值），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，二次預補償有效緩解增益飽和效應，實現近似均勻包絡（一般情況下由于增益飽和效應，隨著泵浦功率的增加，突發包絡的前部會抬升）；但因AOM調制上升/下降時間較慢（約 10ns），無法形成包絡兩側的快速邊緣。

德思特任意波形發生器

• **超高性能規格：**最高17 GS/s采樣率與14位分辨率，50ps的邊沿時間和100ps的最小脈寬，滿足量子、光電、半導體等前沿應用對精度的極致要求。
• **多模式信號輸出：**支持AWG、AFG、DPG、SPG等多種輸出模式，一機多用，靈活應對復雜測試需求。
• **強大的多通道同步能力：**支持多臺設備級聯，輕松實現16通道模擬輸出+128通道數字輸出。
• **統一軟件平臺與開放開發接口：**免費提供功能強大且易于操作的波形編輯器軟件，讓您能夠輕松為雷達脈沖、物理研究脈沖、真實世界信號和復雜環境信號創建極為復雜的波形。
• **專業技術支持：**專業技術工程師提供培訓、校準與應用指導，保障落地效果。

審核編輯 黃宇