激光原理第五章

激光原理第五章第1页，课件共58页，创作于2023年2月激光放大器分为：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器。椭圆柱聚光腔第2页，课件共58页，创作于2023年2月①典型固体激光放大器示意图Laserrod激光振荡器泵浦灯储能器触发器Laserrod泵浦灯储能器触发器延时器②激光放大器的特点a、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。特例：再生放大器。第3页，课件共58页，创作于2023年2月b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。c、振荡级和放大级有机结合可使高的光束质量和高的能量功率兼得。d、振荡级和放大级的匹配需要时间延迟电路。e、激光放大器中存在放大的自发辐射(ASE)，其功率大，线宽窄于自发辐射，具有一定的方向性，也可利用，但在激光放大器中为噪声。第4页，课件共58页，创作于2023年2月5.1放大器分类一、按时间特性分类(入射信号脉宽t0

及工作物质弛豫时间T)1、分类根据：被放大信号脉宽t0

与工作物质弛豫时间T的相对大小关系。2、弛豫时间及分类①弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。

②纵向弛豫时间T1：反转粒子数的增长与衰减所需时间。理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。10-3~10-4s(固体)10-6~10-9s(气体)~10-9s(半导体)第5页，课件共58页，创作于2023年2月③横向弛豫时间T2：宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。极化强度P(z,t)较E(z,t)落后的时间T2即是横向弛豫时间。理由：一方面,在电磁场作用下,工作物质原子产生的感应电矩和电磁场同相。另一方面，由于碰撞以及晶格振动会使感应电矩的相位无规变化，导致宏观感应电极化消失，此为消相过程。10-11~10-12s(固体)10-8~10-9s(气体)10-13s(半导体)3、激光放大器的分类连续激光放大器脉冲激光放大器超短脉冲激光放大器4、连续激光放大器第6页，课件共58页，创作于2023年2月(1)条件：当激光放大器的输入信号是连续或非调Q激光脉冲时，有t0>T1。(2)特点：由于光信号与工作物质作用时间足够长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数密度均可到达稳态。可用稳态法处理。5、脉冲激光放大器(1)条件：当T2<<t0<T1，如调Q激光脉冲作为输入信号时。(2)特点：因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数密度达不到稳态。需用非稳态法处理。第7页，课件共58页，创作于2023年2月6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点均有T2<<t0，可不计粒子和光子相互作用的弛豫过程，粒子在光场作用下产生的P所需时间T2可忽略，无滞后效应，可忽略粒子和光场相互作用的相位关系。可用速率方程。7、超短脉冲激光放大器当t0<T2，如锁模激光脉冲(ps量级)作为输入信号时。要考虑光场相位的影响，速率方程均不可用，需用半经典理论处理。第8页，课件共58页，创作于2023年2月二、按工作方式分类:行波放大器及再生放大器(F-P放大器)1、行波放大器g>0工作物质两端面无反射的放大器。要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。增益：8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲周期T<<T1，则光放大器工作物质的反转集居数只在稳定值附近作微小波动。可近似采用稳态速率方程处理。例：掺铒光纤放大器。第9页，课件共58页，创作于2023年2月2、再生放大器：增益工作物质二端面与光传输方向垂直并有一定的反射率。要求：入射光需在谐振腔本征频率附近,保证频率匹配。g>0增益：用多光束干涉处理工作物质单程传输的增益为:经过复杂的推算后得:为入射光频率二反射面组成的谐振腔的谐振频率第10页，课件共58页，创作于2023年2月(1)当时:－最大增益(2)当时:讨论：①可见，仅当入射光频率在谐振腔本征频率附近时，才能得到有效放大。②l、Gs、r

越大，得到有效放大所允许的频率范围越窄。③当r1=r2=0时，(行波放大器)，则G=Gs。(3)再生放大器的优缺点优点:可获得较高的增益。缺点:频率匹配技术复杂。第11页，课件共58页，创作于2023年2月5．2均匀激励连续激光放大器的增益特性均匀激励的光放大器，工作物质中的小信号增益系数、小信号反转粒子数密度及饱和光强均为与传输距离无关的常数。1、输入信号强度对放大器增益的影晌第12页，课件共58页，创作于2023年2月小信号增益——前置放大器若入射光信号非常微弱，工作物质短，且：小信号增益:——可用作前置放大器大信号增益(饱和状态)——功率放大器入射光较强，工作物质长，且：第13页，课件共58页，创作于2023年2月目标：求及(显式或隐式)(1)归一化输出光强

(2)增益

第14页，课件共58页，创作于2023年2月第15页，课件共58页，创作于2023年2月2、最大输出光强3、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄中心频率处增益大，偏离中心频率处增益小，放大器输出光轮廓将比入射光谱线轮廓窄。第16页，课件共58页，创作于2023年2月5.3纵向光激励连续激光放大器增益特性一、连续激光放大器

以三能级光纤放大器为例讨论连续激光放大器的增益特性。用纵向泵浦方式，信号光强I(z)(光功率P(z))、泵浦光强Ip(z)(光功率PP(z))及小信号反转集居数密度均随光传播距离z变化。第17页，课件共58页，创作于2023年2月不考虑激活离子的横向分布，假设f1=f2，F＝1．忽略光纤的损耗，只考虑泵浦光与信号光同向传输的工作方式。描述信号和泵浦光强变化的输运方程。第18页，课件共58页，创作于2023年2月稳态速率方程为第19页，课件共58页，创作于2023年2月n为光纤中掺杂(Er3+)离子数密度。S32很大描述归一化信号光强及泵浦光强变化的输运方程第20页，课件共58页，创作于2023年2月

掺杂光纤中信号光和泵浦光的小信号吸收系数，泵浦光沿着光的传输方向因被吸收而逐渐衰减.第21页，课件共58页，创作于2023年2月信号光逐渐增长信号光逐渐减弱信号光增长或衰减的阀值泵浦光强第22页，课件共58页，创作于2023年2月二.小信号增益

若光纤放大器中信号光很弱,则放大器小信号增益G0与信号光强无关，但和入射泵浦光光强及掺杂光纤长度有密切关系。第23页，课件共58页，创作于2023年2月

归一化小信号增益和归一化掺铒光纤长度关系曲线第24页，课件共58页，创作于2023年2月

归一化小信号增益和归一化泵浦功率关系曲线第25页，课件共58页，创作于2023年2月

小信号增益G0随泵浦光功率的增加而增大，当光纤长度一定时，泵浦光过强，未被充分吸收的过剩泵浦光能量从输出端逸出，对提高放大器的增益不起作用。第26页，课件共58页，创作于2023年2月

三．饱和增益和输出功率

小信号工作状态下虽能得到较大的增益，但光放大器的输出光功率很小，只适于用作前置放大器。对于需要输出相当光功率的光纤放大器，通常工作于大信号增益饱和状态。

第27页，课件共58页，创作于2023年2月输出信号光功率Pl和输入信号光功率P0的关系曲线呈饱和状，光放大器的增益将随输出光功率P(l)增加而下降。曲线的平坦部分对应于小信号工作区，增益较小信号增益下降3dB所对应的输出功率称作光放大器的饱和输出功率，它表征光放大器的高功率输出能力。第28页，课件共58页，创作于2023年2月图掺铒光纤放大器的增益饱和特性第29页，课件共58页，创作于2023年2月

当泵浦光功率一定时，若光纤长度等于最佳长度，则光放大器具有最大增益G0，相应的最大输出光功率为Pm,由此可求出Gm及相应的Pm和输入信号光功率P0及泵浦光功率Pp的关系。

以上分析是针对纵向泵浦的光纤放大器，增益饱和特性对其他连续激光放大器也有普遍意义。第30页，课件共58页，创作于2023年2月

图归一化信号输入／输出光功率特性第31页，课件共58页，创作于2023年2月5.4脉冲激光放大器的增益特性

脉冲激光放大器的工作特性主要为：1.放大器的增益与长度l、初始反转集居数n0与输入信号能量的关系。2.输出脉冲的波形。

第32页，课件共58页，创作于2023年2月分析脉冲放大器的工作特性时，假设：①入射信号脉宽远小于放大器的荧光寿命，忽略在短时间内光泵抽运和自发辐射对反转集居数的影响。在连续波放大器中，它们的影响是不能忽略的。②在工作物质横截面内的反转集居数均匀分布。工作物质谱线是均匀加宽线型，入射信号波长为谱线中心波长。第33页，课件共58页，创作于2023年2月

一.输运方程初始反转集居数n0,在t=0时刻光脉冲信号I0(t)沿着z轴方向入射。光信号不断被放大，反转集居数不断被消耗，单位体积中的反转聚居数及光子数分别为n(z,t)及N(z，t)光子流强度第34页，课件共58页，创作于2023年2月描述J（z，t)及n(z,t)变化的方程称作脉冲行波放大器的输运方程。光泵及自发辐射的影响在短脉冲作用时可忽略不计，f1=f2，F＝1可得到三能级系统脉冲行波放大器的输运方程第35页，课件共58页，创作于2023年2月

对于四能级系统脉冲行波放大器,由于在很短的入射信号作用期间，四能级系统激光下能级往往来不及抽空，所以可看作准三能级系统。

激光放大器示意图输运方程的边界条件为第36页，课件共58页，创作于2023年2月

二、脉冲放大器的输出能量及能量增益放大器输入信号的能量为输出信号能量为第37页，课件共58页，创作于2023年2月放大器的能量增益输运方程解J(l)在小信号情况下,随l指数增加对于强入射信号第38页，课件共58页，创作于2023年2月

当放大器长度增大到一定程度后，输出能量趋于饱和。放大器可能输出的最大总光子数密度为与输入能量无关。初始反转集居数越大，放大器的损耗越小，则放大器可能输出的能量越大。第39页，课件共58页，创作于2023年2月脉冲放大器输出能量和长度的关系

当损耗系数极小时，可将放大器看作一无损耗放大器，在无损放大器中，输出能量及能量增益随放大器长度的增加而增加第40页，课件共58页，创作于2023年2月三、功率增益与脉冲宽度变窄输入光脉冲强度很弱

脉冲的任一部分功率增益是相等的，输出脉冲波形没有畸变。

功率增益随n0和l的增加而指数地增加。输入光脉冲较强，这时t越大，GP(t)越小。第41页，课件共58页，创作于2023年2月

由于当脉冲前沿通过工作物质时反转集居数尚未因受激辐射而抽空，而当脉冲后沿通过时，前沿引起的受激辐射已使反转集居数降低，所以后沿只能得到较小的增益。结果输出脉冲形状发生畸变，矩形脉冲变成尖顶脉冲，脉冲宽度变窄。第42页，课件共58页，创作于2023年2月输入矩形脉冲

输入矩形光脉冲时输出光脉冲形状的变化

入射光脉冲越强，初始反转集居数密度越大，放大器越长，则其饱和效应越严重，因而脉宽变窄越显著。第43页，课件共58页，创作于2023年2月5.5放大的自发辐射(ASE)

按照激励强弱程度的不同，工作物质可处于三种状态①弱激发②反转激发，激励较强，则工作物质对自发辐射有放大作用，但不满足阈值条件，不能形成自激振荡，输出光是放大的自发辐射。③超阈值激发状态；激励很强，可形成自激振荡而产生激光。输出光中所包含的放大的自发辐射可以忽略。第44页，课件共58页，创作于2023年2月

放大自发辐射的不利影响：在激光放大器中，除了输入信号被放大外，不可避免地存在放大的自发辐射，放大的自发辐射的存在增加了放大器的噪声。自发辐射引起的受激辐射使激光上能级寿命减少。

无谐振腔的激光器：氮分子和氢分子激光器都属于此类。无谐振腔激光器的输出光实质上是放大的自发辐射。无谐振腔激光器应用在真空紫外及x射线波段。第45页，课件共58页，创作于2023年2月当放大的自发辐射引起的上能级粒子衰减与其他弛豫过程(自发辐射及无辐射跃迁)造成的衰减率可以比拟时，反转粒子数将显著下降，因而增益系数也随之下降放大的自发辐射造成的增益饱和效应，使放大器的净增益下降。放大器的增益系数越大，工作物质长度越长，放大的自发辐射就越严重。在放大器中，放大的自发辐射是有害的，在设计与应用放大器时应设法减少其影响。第46页，课件共58页，创作于2023年2月一、放大的自发辐射的强度

激光工作物质的增益系数越高，长度越长，放大的自发辐射强度j也就越大。当工作物质较短或小信号增益系数较小时，j按指数规律随z增大而增加。但当工作物质较长或小信号增益系数较大时，放大的自发辐射强度达到一定程度后将引起增益饱和。无腔激光器中有两束背向传输的光J+和J-分别自二端口出射，共同影响增益饱和行为，在端口处，由于放大的自发辐射光增强，饱和效应显著。第47页，课件共58页，创作于2023年2月图氮激光器337nmASE功率和长度的关系第48页，课件共58页，创作于2023年2月图典型ASE激光器内增益饱和及行波光强第49页，课件共58页，创作于2023年2月二、放大的自发辐射的方向性

自发辐射均匀分布于4立体角内，而带有谐振腔的激光器的输出激光具有很好的方向性。放大的自发辐射的方向性则介于二者之间。

图分析放大的自发辐射方向性第50页，课件共58页，创作于2023年2月

由于从不同点出发的自发辐射行进到输出端所经历的路程不同，所以对放大的自发辐射的贡献不同。

发散角和激光工作物质的尺寸有关，d／f越大，则发散角越大；发散角还和激励程度有关，激励越大，发散角越大。工作物质侧壁的多次反射也会使发散角增加，因此有时为了减小发