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1、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,第五章 激光放大,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,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,
2、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。,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,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
3、衰减所需时间。,理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。,10-310-4s(固体),10-610-9s(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。,10-1110-12 s (固体),10-810-9s(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
4、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t0T1。,(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T2t0T1，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T2t0，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，
5、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 t0T2，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T0,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,(1)当 时:,最大增益,(2)当 时:,讨论：可见，仅当入射光频率
6、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。,52 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,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：,目标：求 及 (
7、显式或隐式),(1) 归一化输出光强,(2) 增益,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。,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。,不考虑激活离子的横向分布，假设 f1=f2，F1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。,稳态速率方程为,n为光纤中掺杂(
8、Er 3+)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,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.,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,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。,归一化小信号增益和归一化掺铒光纤长度关系曲线,归一化小信号增益和归一化泵浦功率关系曲线,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。,三饱和增益和输
9、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。,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。,图 掺铒光纤放大器的增益饱和特性,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P
10、p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。,图 归一化信号输入输出光功率特性,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。,分析脉冲放大器的工作特性时，假设： 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。 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。,一.输运方程,初始反转集居数n0,在t=0时刻光
11、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,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，F1可得到三能级系统脉冲行波放大器的输运方程,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,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,放大器的能量增益,输运方程解J(l
12、)在小信号情况下,随l指数增加,对于强入射信号,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。,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,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。,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，
13、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。,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。,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 弱激发 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。 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。,放大
14、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。,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
15、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。,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。,图 氮激光器337nmASE功率和长度的关系,图 典型ASE激光器内增益饱和及行波光强,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,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，df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散角而将侧壁打毛。,一般单模激光器中由于谐振腔的作用，具有很好的单色性。放大的自发辐射的谱线宽度大于单模激光器线宽。在考虑放大的自发辐射时，与物质发生相互作用的光与工作物质的谱线宽度可相比拟，不能简单地按照准单色光问题来处理。,
