德思特应用 | AWG 精准掌控光爆：解锁高频捷变微波的终极密钥

一、什么是突发模式激光

突发模式激光器的核心特性是：以较低重复频率产生一连串紧密间隔的短脉冲，从而同时实现高重复率与高峰值功率。其高能量、高峰值功率的优势使其广泛应用于材料加工、精密外科手术、高分辨率检测、高功率微波产生、航空航天与国防等领域。

近年来，该类激光器出现一个重要新应用 —— 产生高功率脉冲捷变微波。微波的频谱与峰值功率，直接取决于激光脉冲的频谱与峰值功率。尤其值得注意的是，处于突发模式的激光器特别适合产生高频（超 GHz 级）、高功率且频率捷变的微波突发信号，但这对激光输出特性有明确要求：一方面，突发包络的均匀分布会影响微波突发的有效持续时间；另一方面，需灵活调节突发内脉冲的重复率，才能生成频率可调的微波信号。

因此，用于该场景的突发模式激光器，需具备近似均匀的包络与可调节的频率。为适配更多元应用需求，突发模式激光器除了需提升突发能量与峰值功率，还需强化时域调谐性能，具体包括突发内脉冲的重复率与持续时间调节能力。

目前，实现相关调谐的方法之一是采用电光调制器（EOM）进行极快速调制，理论上，该方式可实现皮秒至纳秒级脉冲宽度的宽调谐范围，且重复率能超过吉赫兹。但此方法存在明显局限 —— 插入损耗高，且需单模光纤输入，导致在放大EOM输出的微弱信号时，难以同时保持包络均匀性。

针对这一问题，近年研究与应用中已提出解决方案：采用高脉冲能量、高峰值功率的全光纤突发模式激光系统，其突发内脉冲的重复率与持续时间均可调；同时，通过在光纤放大器的七个阶段采用不同优化方案，可使激光获得近似均匀的突发包络，满足多场景应用需求。

二、AWG应用于双预补偿结构全光纤突发模式激光系统的设计

在本示例中，我们将分析一种双预补偿结构，该结构由一个任意波形激光二极管（LD）驱动器、一个声光调制器（AOM）、一个电光调制器（EOM）、三个单模放大器以及四级多模放大器组成。激光系统设置的示意图如下图所示。

1.系统整体构成与核心配置

该激光系统以 “双预补偿” 为核心设计思路，整体划分为五大功能模块，并明确关键器件参数，具体如下：

• 功能模块划分：包含脉冲源、三级单模预放大器、高重复率调制部分、二次预补偿调制部分、四级多模放大器；
• 脉冲源配置：由任意波形激光二极管（LD）驱动器直接调制源头LD，生成重复率100Hz的预补偿波形；
• 单模预放大器参数：三级放大器的增益介质均为高掺杂单模Yb³⁺掺杂光纤（YDFs），在976nm处吸收系数达 250dB/m，泵浦源采用单模976nm激光二极管；
• 关键辅助器件：AOM后串联3dB带宽2nm的隔离器/带通滤波器（IBP），用于优化光束质量；四级多模放大器由四个全光纤双包层放大级（第四至第七级）组成，负责脉冲能量提升。

2.任意波形发生器的核心功能与器件适配

任意波形发生器（AWG）是实现系统同步控制、精准调制的关键，根据不同模块需求承担三大功能，且适配不同系列型号以匹配性能要求：

• 脉冲同步触发：接收激光驱动器的触发信号，使EOM驱动波形与激光脉冲精准同步，德思特TS-AWG7000/TS-AWG5000系列抖动仅为数皮秒级，保障同步精度；
• EOM高速驱动：针对高重复率调制部分的5–10GHz带宽EOM，德思特TS-AWG7000/TS-AWG5000系列可直接驱动（无需额外放大器），输出最高5Vpp电压脉冲（上升/下降时间50ps），支持10GHz高频信号；
• AOM 预补偿控制：为二次预补偿调制部分的200MHz 及以下带宽AOM提供信号，德思特TS-AWG5000/TS-AWG4000系列系列适配其低带宽需求，同时AOM兼具脉冲形状预补偿与时域上抑制预放大器（自发辐射）ASE基座双重作用。

3.调制与放大环节的设计逻辑

系统通过器件布局与放大器功能分配，实现损耗补偿 – 预补偿 – 能量提升的递进效果，核心设计逻辑如下：

• 放大器的损耗补偿作用：第三级单模预放大器置于EOM之后、AOM之前，专门补偿EOM的插入损耗与调制损耗，为AOM的二次预补偿提供足够初始能量；
• 调制环节的顺序设计：先通过EOM完成高重复率调制，再经AOM进行二次预补偿，确保脉冲形状与噪声抑制效果；
• 多模放大的能量提升：AOM后经IBP滤波优化后，脉冲进入四级多模放大器，最终将能量提升至毫焦耳（mJ）量级，并实现近似均匀的突发波形分布。

4.系统输出性能与波形特征

通过实验测试，系统在脉冲波形、能量功率及增益控制上表现出显著优势，同时存在部分技术局限：

• 波形匹配性：上图中显示，AOM调制后的突发模式脉冲（红线）包络与AWG预补偿波形（蓝线）基本一致，成功获得突发持续时间约60ns的预补偿种子源；
• 能量与功率指标：经四级多模放大后（用于提高脉冲能量），最大脉冲能量达13.3mJ（为已知全光纤吉赫兹突发模式脉冲最高值），最高峰值功率约0.53MW，最大能量下提取效率 31.4%；
• 增益饱和缓解与局限：最大输出能量下，二次预补偿有效缓解增益饱和效应，实现近似均匀包络（一般情况下由于增益饱和效应，随着泵浦功率的增加，突发包络的前部会抬升）；但因AOM调制上升/下降时间较慢（约 10ns），无法形成包络两侧的快速边缘。