第七章激光放大特性

第七章激光放大特性刘雁三峡大学理学院2012版内容提要光学放大器的一般知识激光放大器的分类按照激励强弱的不同，工作物质的三种状态光纤放大器的一些知识7.1概述一、放大技术的目的：

不改变激光的状态，增加激光输出的能量或功率。为什么不直接用振荡器来获得高功率的激光输出呢？原因：1、2、3实际上获得高功率光束质量优良的激光光束的方法是什么？二、激光放大技术：1、定义：利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。2、放大器的结构：MOPAsystem:masteroscillatorpoweramplifiersystem根据振荡级输出激光的脉冲宽度不同可分为三种放大器。a.长脉冲激光放大器：一般振荡级激光器输出的是连续的或一般脉冲激光器。脉宽：τ>T1

其中T1是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的纵向弛豫时间。纵向弛豫时间：激发态的粒子所在的能级有一定的寿命，因此产生辐射跃迁有一定的滞后时间。固体：T1～10-3s主要由上能级的总寿命来决定。因此上能级的粒子数消耗掉以后来得及由泵浦得以补充。这时腔内的光子数密度和工作物质的反转粒子数可以认为不随时间变化——稳态过程。

放大器时间的分类b.脉冲放大器：一般振荡级为调Q激光器～10-8sT2<τ<T1

T1

：纵向弛豫时间。

T2

：横向弛豫时间：放大介质中粒子相互交换能量过程引起的非辐射跃迁使激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。由于脉宽较小，在脉冲信号放大期间，工作物质的反转粒子数和光子密度是随时间变化的。——非稳态过程c.超短脉冲放大器：脉冲窄，是锁模激光器，输出的脉冲10-11

～10-15s。光信号和放大介质的相干作用是一种相干的放大作用。情况比较复杂，需要采用半经典理论进行讨论。a.振荡级和放大级的介质能级匹配。b.放大介质处于粒子的反转状态。

放大器按照工作方式的分类：a.行波放大器：光信号只经过工作物质一次，一般放大器不加谐振腔，只有工作物质。b.多程放大器：光信号在工作物质中多次往返通过。C.再生式放大器：用一光束质量好的微弱信号注入到激光器中，它作为一个“种籽”控制激光振荡产生，并得到放大。放大级的作用是使从振荡级输出的光信号的能量（或功率）得到放大。条件：2.对其他脉冲波形的放大一般情况下激光器输出的激光波形不是矩形。根据激光器的不同，输出的可能是洛仑兹型或高斯型，指数型脉冲。求解的办法和矩形情况相同但要复杂的多。但理论和试验结果证明激光脉冲通过放大器以后，主要是输入波形的脉冲前沿影响输出的波形。不同形状光脉冲经过放大器后的情形1.对矩形脉冲的放大强信号的情况下，脉冲前沿的增益与x是指数关系，脉冲后沿的增益减少。即脉冲不同处的增益不同。放大的光强不同，脉冲波形畸变，脉宽变化高斯型的函数exp（-t2/τ2）前沿比指数增加快（波形陡），则经过放大以后脉冲得到压缩。因为放大得到增益最大是指数关系，增长速度比脉冲前后沿变化快。①入射脉冲为高斯型的函数②入射脉冲为指数型脉冲前沿成指数变化，前沿一般放大的多，因此输出波形峰值位置随L发生变化（L↑峰值前移）脉冲波形不变。—前沿放大几乎是指数变化。从上面的讨论可以看出：要获得高功率窄脉宽的激光脉冲，在信号进入放大介质之前，先进行整形。—采用削波技术，切去脉冲上升慢的部分。③入射脉冲为洛仑兹型脉冲前沿上升速度比指数慢，脉冲前沿放大的速率成指数比入射信号的前沿陡。输出的波形脉宽加宽。上述行波放大器的主要缺点是：由于光信号一次通过放大介质，则光信号过后，还可能有剩余的△n。因此能量利用率不高。因此在此基础上，发展了双程、多程放大技术。双程、多程放大器的结构：在行波放大器的末端加一反射镜。使光束多次通过放大介质。一、双程放大器。1.法拉第双程放大器。（实际上隔离器）在振荡器和放大器之间加一个法拉第旋转器，P－偏振器一般采用格兰棱镜。P的作用：①起偏器。②输出镜,输出的光是线偏光。光信号两次通过放大介质故称为双程放大器。

双程和多程放大技术工作过程：光经过偏振器后的偏振光，进入法拉弟旋转器，其偏振方向顺时针方向转动45度，第一次通过放大介质，由全反镜反射后，第二次通过放大介质和法拉弟旋转器，偏振方向又顺时针旋转45度，不能通过偏振器，从P处输出。利用法拉第旋转器的双程放大器的另一种结构如下：P－偏振器，同时也是输出镜。法拉第旋转器使光束的偏振面旋转900。工作过程:经过偏振器的光信号，在放大介质中第一次放大后，经法拉弟旋转器，其偏振方向顺时针方向转动90度，由全反镜反射后，第二次通过放大介质和法拉弟旋旋转器，偏振方向又顺时针旋转90度，从P处输出。2.菲涅尔菱体双程放大器。（实际上是隔离器）菲涅尔菱体可使线偏光通过后变成圆偏光。利用它的这个性质，把它放到振荡器和放大器之间组成双程放大器

工作过程：其工作过程与利用法拉弟旋转器的类似。从以上双程放大器看出共同特点：①P既是起偏器又是输出镜。②光在放大介质中两次放大。③法拉第旋转器或菱体的作用改变光的偏振方向。④隔离作用。3.双程片状放大器。把介质做成片状。由于片状介质可以做的尺寸大。最大几百毫米。一般采用多级放大器时，把片状放大器放在末级。工作过程：光信号由全反镜M1、M6、M3，第一次通过放大介质的不同位置，再由全反镜M4、M5、M2，第二次通过放大介质的不同位置，最后输出。4.5再生式放大技术

上面讲的是脉冲行波放大器，局限性：放大倍数低（一次通过），可采用多级放大。80年代新发展的一种再生式放大技术。再生式放大技术：将一光束质量好的微弱信号注入一个激光振荡器中，注入的光信号作为一个“种籽”控制激光振荡的产生，即使激光振荡是在这个“种籽”的基础上而不是从噪声中发展起来，并得到放大之后输出腔外，从而得到光束性能优良、功率高的激光。一光纤放大器的应用光纤放大器是光通信发展史上的一个重要里程碑，因为它解决了衰减对光网络距离与传输速率的限制，完全摈弃了基于光—电—光转换的昂贵的中继器，从而可以实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易。高增益、低噪声系数、高输出光功率和较低的非线性失真是光纤放大器的基本要求。激光通讯与微波通讯相比，具有不少独特的优点：

与微波相比，光波频率高3-5个数量级，频率资源丰富得多。激光光束的发散角比微波波束的发散角小3-5个数量级。保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。

光纤放大器的特点和分类光纤激光器和放大器的特点:紧凑;好的热稳定性;输出衍射极限的光束光纤放大器的种类:

功率放大器:直接用于光发射器之后,以进一步将光发射机输出的光信号加以放大特点:工作在深饱和区要求保持适中的增益和噪声系数下能提供尽可能高的光功率前置放大器:直接用于接收机前以改善接收机的灵敏度.

特点:为低功率器件,工作在小信号的区域在线放大器:用于2个无源光纤段之间,以增加传输距离特点:具有较高的增益和输出功率还应能实现对监控信号的接入和取出具有分路的功能,用于多路传输系统中,还要具有足够的增益带宽

光放大器的分类半导体光放大器掺杂光纤放大器;如EDFA,YDFA,TDFA,非线性光放大器;如光纤拉曼放大器，光纤布里渊放大器，光纤参量放大器

表一：光放大器的性能比较SOA拉曼光纤放大器的特点增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦光源的波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大使拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，对于开发光纤的整个低损耗区1270nm-1670nm具有不可替代的作用

增益介质为传输光纤本身使拉曼放大器可以对光信号进行在线放大，光纤中各处的信号光功率都比较小，降低了非线性效应

噪声系数低

不同掺杂光纤放大器放大波段Operationrange(nm)Dopantion880∽886Pr3+902∽916Pr3+900∽950Nd3+970∽1200Yb3+1000∽1150

Nd3+

1260∽1350Pr3+1320∽1400Nd3+1460∽1510Tm3+1500∽1600Er3+1700∽2015Tm3+2040∽2080Ho3+不同光纤放大器的放大波段光纤放大器的基本概念和光学元件光纤放大器的基本概念：光纤的损耗增益和噪声饱和输出功率：饱和输出功率是指最大增益下降3dB时对应的输出功率。表示YDFA从线性增益区变化到非线性增益区的转折点。当输出功率高于饱和输出功率时，增益随着输出光功率的增大而减小其他光学元件：光隔离器光环行器波分复用器件；波分复用器又可分为棱镜型、干涉模型和衍射光栅型三种

光纤光栅掺杂光纤放大器的发展方向光纤放大器存在的问题：放大器带宽内增益谱不平坦影响多信道放大性能光放大器级联应用时，ASE噪声、光纤色散及非线性效应的影响会累积这些都影响了光纤放大器的工作特性。发展方向：特殊波段的光纤放大器

寻找性能更好的芯层材料，如塑料光纤方面

光子晶体光纤放大器

功率光纤放大器（包括连续和脉冲信号放大）

全光纤的光纤放大系统

宽带光纤放大器

EDFA宽带掺杂光纤放大器的发展增益移位掺杂光纤宽带光纤放大器和多波段级连宽带放大器。如C+L波段、C+S波段、S+C+L波段等

通过改变基质或者掺杂成份来实现宽带放大。Er3+/Yb3+共掺光纤放大器，氟基、碲基、铋基铒纤和高掺铝、掺磷铒纤等。

采用传统掺杂光纤放大器与光纤拉曼放大器级联构成的混合光纤放大器。如EDFA/Raman、TDFA/Raman混合放大器等

Yb光纤的吸收和发射谱、能级结构g11630f11000e10260d1490c1060b600a0cm-1Yb3+energylevelstructure2F5/22F7/2不同内包层光纤的吸收效率光纤功率放大器所遇到的问题和解决方法限制了功率的进一步增加的因素：非线性效应（如：SBS,SRS）解决方法：增加纤芯直径D并且降低其数值孔径NA.

（当D*NA小于某个极限时，光纤就可以实现单模运转，否则就会使输出光束的质量下降。有时候为了得到好的光束质量，解决的方法是缠绕光纤，引入弯曲损耗）增加光纤的掺杂浓度，减小光纤的长度光纤放大器的一些非线性效应的阈值

光纤放大器的噪声掺杂光纤放大器的噪声主要有以下四种:信号光的散粒噪声；

ASE

ASE光谱与信号光之间的差拍噪声。ASE光谱间的差拍噪声.以上四种噪声中放大的自发辐射AS