第九章激光放大技术

1、第九章第九章 激光放大技术激光放大技术 激光放大技术，又称为行波放大技术，是获得强激光必不可少的技术手段 。棒状放大器，片状放大器，板条状放大器； 单程放大器，多程（双程、三程、四程），再生放大器，啁啾脉冲放大技术CPA技术等。描述放大器的理论由涉及的激光时间特性不同可分为三方面： 1、 ，连续波运转及长脉冲运转，dn/dt=0,稳态激光放大器理论;2、 ，调Q运转，n= n (x,t),脉冲激光放大器理论；3、 ，锁模运转，半经典理论；现在大多经啁啾脉冲放大技术CPA技术转换成纳秒或亚纳秒脉冲，而采用脉冲激光放大器理论； 为光脉冲持续时间； 为纵向弛豫时间，由放大介质中激活粒子允许的跃迁能级

2、寿命决定；对于固体10 s。 为横向弛豫时间，由放大介质中激活粒子相互交换能量过程引起的无辐射跃迁寿命决定；对于固体10 s。 固体激光放大器 激光振荡器激光工作物质激光工作物质激光振荡器激光放大器泵浦闪光灯泵浦闪光灯贮能电容器贮能电容器触发器触发器延时电路(MOPA)功率放大器主振荡全反射镜输出镜 第一节第一节 脉冲放大器理论简介脉冲放大器理论简介 一、脉冲放大器速率方程及其解 xdxdxx),(tLIx0IL),(txI 单位体积的光子数和反转粒子数都是时间t和空间x的函数； 假设反转粒子数分布均匀，不考虑线型和线宽的影响（单模光场）。 引入光子流强度I (x, t) ,单位时间流过单位横

3、截面的光子流。 光强表示为：I (x, t) h0。光子数密度(x, t), I (x, t) =c (x, t), 为受激辐射截面。),(),(2),(txItxnttxn三能级：),(),(),(c),(txtxncxtxttx光子数密度的变化率：),(),(),(),(1txItxnxtxIttxIc光子流强度的变化率：),(),(),(txItxnttxn四能级： 上述边界条件,联立求解上面的方程,可以求得入射脉冲激光进入放大器中任意位置、在任何时刻的光子流利用强度、反转粒子数变化、输出脉冲能量和放大器的增益。 )0),.()0,()0),.(It)I(0,00处在处在边界条件：Lxx

4、ntxnxtcxtdttIdxxcxtI) (2-exp) (n-exp-11)(t)I(x,0 x0001) (exp) (2exp) 9exp)(t)n(x,000000 xcxtxdxxndttIdxxnxn 二、对矩形脉冲放大的分析假设放大介质均匀泵浦、均匀掺杂。n0可以视为常数。 xndxxnx000) (ttItII, 0, 0,0 ,0I0I0t )(2exp)exp(11t)I(x,000cxtIxnI区间内光子流强度：在.0.cxt)(2exp)exp(111),(G000pcxtIxnItxI率增益）：功率放大系数（单程功 益。无关，类似于小信号增与呈指数增长，脉冲前沿：0

5、p0G,)(,),()(,.cxt00IeLGLxeIcxxIxGLnpxnp000p2exp)exp(111),()(G,IxnIcxxIxcxt脉冲后沿：00p2exp)exp(111)(G,ILnLLx ,)(G.2, 1I200p00LnLneLeI，和条件：要得到指数增长的必要饱和）（其根本原因在于增益脉冲后沿难以放大。或脉宽较宽时反之，当入射信号很强才能获得指数的增益很小）时，号（很小）或脉宽极窄的信只有在小信号（,;I0 xndxxnx000) (ttItII, 0, 0,0 ,0I0I0t123时，出射脉冲、时，出射脉冲、入射脉冲；2312100LnLn 脉冲能量增益： . )

6、,0(),(时间积分增益dttIdttLIGEcLcLcLcLEdttLIdttIdttLIGtLIcLtcLttItt),(I1),0(),(.0),(,0),0(,0:00对于矩形脉冲有 )(2exp)exp(11t)I(L,000cLtILnIdtcLtILnIIcLcL)(2exp)exp(111G0000EdttILn0002exp)exp(1111, 1,.2:,.111000LnteAIdtAe其中 ),.1ln(111:ttAetdtAe利用积分公式0)1ln(11tEAetG)11ln(11AAe)11ln(ln1AAee0000220) 1(1) 1(1ln21ILnILn

7、eeeeI0000220) 1(1) 1(1ln21ILnILneeeeI, 1,.2. 00LneAI利用)1 (1ln(1eAAe 0000022I2-01ln21ILnILneeeILnILneeI000201ln21LnIeeI00) 1(1ln2120)11ln(11AAeGE)11ln(11AAe) 1(1) 1(1ln21100020LnILneeeILnILneIeeI000ln21) 1(1ln21102000202) 1(1ln21100ILneeIILn LnIEeeIG00) 1(1ln212000202) 1(1ln21100ILneeIGILnE或 第二节第二节 激

8、光放大器实例分析激光放大器实例分析 激光振荡器激光工作物质激光工作物质激光振荡器激光放大器泵浦闪光灯泵浦闪光灯贮能电容器贮能电容器触发器触发器延时电路(MOPA)功率放大器主振荡全反射镜输出镜 激光振荡器放大器放大器放大器放大器并接式激光放大器 /4单程、双程放大器单程、双程放大器三程、四程放大器三程、四程放大器波片4DKDP 放大器介质2M反射镜1M反射镜输出激光输入激光放大器激光三程离轴 三程放大器卡塞格林望远镜式激光放大器介质输出激光输出激光输入激光1M反射镜2M反射镜 放大器同轴型无开关双程 输入激光输出激光2M反射镜1M反射镜放大器介质1L3L2L空间滤波器小孔光阑 放大器带开关多程

9、 输入激光输出激光2M反射镜1M反射镜放大器介质1L3L2L空间滤波器小孔光阑3M反射镜PCP片片状状放放大大器器片状放大器 出射激光二极管阵列条泵浦耦合透镜凑折叠多程放大器）基于内反射的泵浦（紧对于激光高透射膜对于泵浦光高反射膜，入射激光 晶体薄片放大器级串联系统，采用多片N输入激光输出激光半导体列阵泵浦半导体列阵泵浦半导体列阵泵浦反射层反射层反射层放大介质放大介质放大介质单脉冲选取后放大单脉冲选取后放大 通常从锁模序列脉冲中选出一个脉冲作为种子脉冲进行放大后获得强脉冲激光腔外脉冲压缩腔外脉冲压缩 由自相位调制(SPM)产生的啁啾脉冲(Chirped pulse)通过具有一定的群速色散(GV

10、D)的光学元件后可实现对光脉冲的展宽或压缩再生放大器技术和啁啾脉冲放大技术再生放大器技术和啁啾脉冲放大技术环形腔再生放大器环形腔再生放大器（文字描述其工作原理）（文字描述其工作原理） 放大介质 输入脉冲DKDP晶体 /2波片 偏振膜片 输出脉冲 V V/2 0 t1 t2 tLmGeIIcmLttT0012,. 直腔式再生放大器直腔式再生放大器（文字描述其工作原理）（文字描述其工作原理） DKDP输入激光脉冲放大介质输出激光脉冲1P2P21PP 1M2M一种实际的多波长锁模脉冲皮秒激光器方案 啁啾脉冲放大技术啁啾脉冲放大技术CPA技术技术 避免光学元件被破坏; 有效提取放大介质中的能量飞秒短脉

11、冲的放大CPA1969年 E.B. TreacyIEEE J. Quan. Electron.QE-5, 454-458引入衍射光栅对造成不同波长分量光程不同 短脉冲展宽或长脉冲压缩 =b(/d)d/cd1-(/d - sin)b - 光栅对距离，d - 光栅常数 - 入射角stretcherAmplifierCompressorCPA : Chirped工作原理图Pulse Amplifiert光栅光栅反射镜压缩脉冲反射镜红光蓝光红光蓝光光栅由放大级来的 啁啾脉冲至放大光栅展宽后的脉冲OPCPA放大新技术更高功率飞秒激光的获得Nd:YAG laser(Q-switched)0.6J SHG5

12、32 nm/5ns0. 6J1mJ15mJBBOSeed source1nJ/840nm10.5fs stretched to 0.5nsBBOpre-ampl840nm15000 1000光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)示意图OPCPA技术 LD1M1PCPPPA0M2PISL1PA1SL2M3LD2LD3M4M5M6MAI-1MAII-1SL4SL3MAI-2MAII-2SL6SL5M7M8LD1LD3：半导体激光器M1：0全反射镜M2：输出镜M3,M4,M6,M7,M8：45全反射镜M5：45半透半反射镜PC：KD*P电光晶体PP：偏振镜PI：隔离器SL1SL6：扩束镜PAm，MAmn

13、：钕玻璃棒8200143501635016350203502035042 脉宽25 ns能量25 J峰值功率1 GW第三节第三节 激光放大器设计中应考虑的方面激光放大器设计中应考虑的方面 1、放大器工作物质光谱匹配； 2、放大器工作物质端面反馈的消除； 3、级间去耦（级间隔离）； 4、级间孔径匹配及空间滤波； 5、各级泵浦时间延迟的选定； 6、泵浦不均匀性的消除或补偿； 7、自聚焦效应的降低（B积分的选择）。 1、放大器工作物质光谱匹配(工作物质选择) 待放大的激光束的频率或波长一定要落在放大器工作物质增益线宽范围内（最好是谱线中心附近）。 振荡器工作物质可以和放大器工作物质不同，只要光谱匹配即可。 放大器工作物质激活粒子