第六章第六章 激光放大特性激光放大特性一、引言一、引言1、实际应用的需要、实际应用的需要激光核聚变需要上万焦耳的激光能量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、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。好、发散角小等其它指标的高要求相矛盾。能量和功率过高的能量和功率过高的激光在腔内来回往返传输激光在腔内来回往返传输时，工作物质易遭到破坏。时，工作物质易遭到破坏。3、实现高功率高能量的方法、实现高功率高能量的方法激光放大器激光放大器1 1典型固体激光放大器示意图典型固体激光放大器示意图Laser rod激光振激光振荡器器泵浦灯浦灯储能器能器触触发器器Laser rod泵浦灯浦灯储能器能器触触发器器延延时器器激光放大器的特点激光放大器的特点a、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。特例：再生放大器。特例：再生放大器。2 2b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。、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、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。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。、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、激光放大器中存在放大的自发辐射(ASE) ，其，其功率大，线宽窄于自发辐射，具有一定的方向性，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。也可利用，但在激光放大器中为噪声。3 3第一节第一节 激光放大器的分类激光放大器的分类一、按时间特性分类一、按时间特性分类 (入射信号脉宽入射信号脉宽t0 及工作物质及工作物质弛豫时间弛豫时间T )1、分类根据：、分类根据： 被放大被放大信号脉宽信号脉宽t0 与工作物质弛豫与工作物质弛豫时间时间T的相对大小关系。的相对大小关系。2 2、弛豫时间及分类弛豫时间及分类弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。 纵向弛豫时间纵向弛豫时间T1：反转粒子数的增长与衰：反转粒子数的增长与衰减所需时间。减所需时间。理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。10-310-4s(固体固体) 10-610-9s(气体气体) 10-9s(半导体半导体)4 4横向弛豫时间横向弛豫时间T2：宏观感应电极化的产生：宏观感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。极化强度和消亡不是瞬时的。极化强度P(z, t)较较E(z, t)落后的时间落后的时间T2即是横向弛豫时间。即是横向弛豫时间。理由：一方面理由：一方面, ,在电磁场作用下在电磁场作用下, ,工作物质原子产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，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。导致宏观感应电极化消失，此为消相过程。10-1110-12 s (固体固体)10-810-9s(气体气体)10-13s (半导体半导体)3、激光放大器的分类、激光放大器的分类连续激光连续激光放大器放大器脉冲激光脉冲激光放大器放大器超短脉冲激超短脉冲激光放大器光放大器4、连续激光放大器、连续激光放大器5 5(1)条件：当条件：当激光放大器的输入信号是连激光放大器的输入信号是连续或非调续或非调Q激光脉冲时，有激光脉冲时，有t0T1。(2)特点：特点：由于光信号与工作物质作用时间足够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。密度均可到达稳态。可用稳态法处理。可用稳态法处理。5、脉冲激光放大器、脉冲激光放大器(1)条件：当条件：当T2t0T1，如调，如调Q激光脉冲作为输激光脉冲作为输入信号时。入信号时。(2)特点：因特点：因受激辐射而消耗的反转集居数来不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。子数密度达不到稳态。需用非稳态法处理。需用非稳态法处理。6 66、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点均有均有T2t0，可不计粒子和光子相互作用，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的弛豫过程，粒子在光场作用下产生的P所需时间所需时间T2可忽略，无滞后效应，可忽略可忽略，无滞后效应，可忽略粒子和光场相互作用的相位关系。粒子和光场相互作用的相位关系。可用速可用速率方程率方程。7、超短脉冲激光放大器、超短脉冲激光放大器当当 t00工作物质两端面无工作物质两端面无反射的放大器。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。要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。增益：增益：8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲周期周期T0增益：用多光束干涉处理增益：用多光束干涉处理设工作物质单程传设工作物质单程传输的增益为输的增益为:经过复杂的推算后得经过复杂的推算后得:为入射光频率为入射光频率二反射面组成的谐振腔的谐振频率二反射面组成的谐振腔的谐振频率9 9(1)当 时:最大增益最大增益(2)当 时:讨论：讨论：可见，仅当入射光频率在谐振腔本征可见，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。频率附近时，才能得到有效放大。 l、Gs、r 越大，越大，得到有效放大所允许得到有效放大所允许的频率范的频率范 围越窄。围越窄。 当当 r1=r2=0时，时，(行波行波放大器放大器)，则，则 G=Gs。(3) 再生放大器的优缺点再生放大器的优缺点优点优点: 可获得较高的增益。可获得较高的增益。缺点缺点: 频率匹配技术复杂。频率匹配技术复杂。1010第二节第二节 均匀激励连续激光放大器的增益特性均匀激励连续激光放大器的增益特性激励方式激励方式: : 横向激励，横向激励，n，g0，Is 均为与传输距离均为与传输距离z无关的常数无关的常数 (固体或半导体光放大器固体或半导体光放大器) ；纵向激励，；纵向激励， n，g0，Is与传输距离有与传输距离有z 关关(光纤放大器光纤放大器)。 一、输入信号强度对放大器增益的影响一、输入信号强度对放大器增益的影响I0(t)I1(t)聚光器聚光器泵浦灯泵浦灯激光工作物质激光工作物质泵浦光泵浦光信号光信号光I0(t)I1(t)掺铒光纤掺铒光纤1、假设条件、假设条件: 均匀加宽、平均损耗系数均匀加宽、平均损耗系数、信号光、信号光频率频率 。 2、工作物质的净增益系数、工作物质的净增益系数1111由由4.4.15式再考虑式再考虑损耗后得到：损耗后得到： 3、小信号增益、小信号增益前置放大器前置放大器若入射光信号非常微弱，若入射光信号非常微弱，工作物质短，且：工作物质短，且：小信号小信号增益增益:可用作前置放大器可用作前置放大器 4、大信号增益、大信号增益(饱和状态饱和状态)功率放大器功率放大器入射光较强，工作物质长，且：入射光较强，工作物质长，且：1212目标：求目标：求 及及 (显式或隐式显式或隐式)(1) 归一化输出光强归一化输出光强 (6.2.3式式) (2) 增益增益 (6.2.4) 1313可见，已知可见，已知 、 、 、 、 值，则可由式值，则可由式(623)或或 (624)求出输出光强及放大器增益。求出输出光强及放大器增益。(3) 两种特例两种特例 a、 当当 时时 b、 当当 时时 ，如在在气体工作物质中，如在在气体工作物质中， 或在或在其它未达重度饱和的工作物质中，由于其它未达重度饱和的工作物质中，由于 ，可忽略损耗影响。则：可忽略损耗影响。则： (6.2.7) 1414改写改写(6.2.7式式)为为 输出光功率和入射光功率的关系式输出光功率和入射光功率的关系式 ： 其中：其中： 规律：规律： ，见图，见图6.2.1。1515二、最大输出光强和最大输出功率二、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，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，净增益系数为放大器增益系数会下降，净增益系数为0，光强，光强不再增加。此时对应的输出光强为最大。不再增加。此时对应的输出光强为最大。1616三、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄三、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄1 1、( (无损无损) )小信号小信号均匀加宽光放大器均匀加宽光放大器1717时，时， d d D D H ，且且G0( ) d d ，单色性变好。单色性变好。2、无损、无损大信号大信号均匀加宽光放大器均匀加宽光放大器中心频率处饱和效应强，偏离中心频率饱和中心频率处饱和效应强，偏离中心频率饱和减弱。有：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，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。可采用类似的理论处理方法。1818