第六章-1-激光放大特性课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,典型固体激光放大器示意图,Laser rod,激光振荡器,泵浦灯,储能器,触发器,Laser rod,泵浦灯,储能器,触发器,延时器,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。,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。,第一节 激光放大器的分类,一、按时间特性分类,(,入射信号脉宽,t,0,及工作物质弛豫时间,T),1,、分类根据：被放大,信号脉宽,t,0,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,弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。,纵向弛豫时间,T,1,：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,-4,s(,固体,),10,-6,10,-9,s(,气体,),10,-9,s(,半导体,),横向弛豫时间,T,2,：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,T,2,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,-12,s(,固体,),10,-8,10,-9,s(,气体,),10,-13,s(,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,(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t,0,T,1,。,(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T,2,t,0,T,1,，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。,6,、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点,均有T,2,t,0,，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T,2,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 t,0,0,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,T0,增益：用多光束干涉处理,设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,(1),当 时,:,最大增益,(2),当 时,:,讨论：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。,l,、,G,s,、,r,越大，得到有效放大所允许的频率范 围越窄。,当,r,1,=,r,2,=0,时，,(,行波放大器,),，则,G,=,G,s,。,(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。,第二节,均匀激励连续激光放大器的增益特性,激励方式:,横向激励，,n，g,0,，I,s,均为与传输距离z无关的常数(固体或半导体光放大器)；纵向激励，,n，g,0,，I,s,与传输距离有z 关(光纤放大器)。,一、输入信号强度对放大器增益的影响,I,0,(t),I,1,(t),聚光器,泵浦灯,激光工作物质,泵浦光,信号光,I,0,(t),I,1,(t),掺铒光纤,1、假设条件:均匀加宽、平均损耗系数,、信号光频率,。,2,、工作物质的净增益系数,由式再考虑损耗后得到：,3,、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,4,、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：,目标：求 及,(,显式或隐式,),(1),归一化输出光强,式,),(2),增益,(6.2.4),可见，已知 、值，则可由式,(6,2,3),或,(6,2,4),求出输出光强及放大器增益。,(3),两种特例,a,、当 时,b,、当 时，如在在气体工作物质中,，,或在其它未达重度饱和的工作物质中，由于 ，可忽略损耗影响。则：,(6.2.7),改写式,),为 输出光功率和入射光功率的关系式：,其中：,规律：，见图。,二、最大输出光强和最大输出功率,由于增益饱和，当输入信号光很强或放大器很长，放大器增益系数会下降，净增益系数为,0,，光强不再增加。此时对应的输出光强为最大。,三、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄,1,、,(,无损,),小信号,均匀加宽光放大器,时，,d,D,H,，,且,G,0,(,),d,，,单色性变好。,2,、无损,大信号,均匀加宽光放大器,中心频率处饱和效应强，偏离中心频率饱和减弱。有：,I(l),H,。,说明：对于非均匀加宽工作物质构成的放大器，可采用类似的理论处理方法。,