第六章-1 激光放大特性.ppt

第六章激光放大特性 一 引言 1 实际应用的需要 激光核聚变需要上万焦耳的激光能量 观察非线性光学需要功率强的激光 2 一般激光振荡器的缺陷 激光大能量大功率的获得要求工作物质的口径和长度较大 或要求强的泵浦激励 易与相干性好 发散角小等其它指标的高要求相矛盾 能量和功率过高的激光在腔内来回往返传输时 工作物质易遭到破坏 3 实现高功率高能量的方法 激光放大器 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 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 弛豫时间 某种状态的建立或消亡过程 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 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 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 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 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 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 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 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 Gs r越大 得到有效放大所允许的频率范围越窄 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 g0 Is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 g0 Is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 I0 t I1 t 聚光器 泵浦灯 激光工作物质 泵浦光 信号光 I0 t I1 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4 4 15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 6 2 3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 6 2 7式 为输出光功率和入射光功率的关系式 其中 规律 见图6 2 1 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