光放大器浅析.ppt

第 13 讲 光放大器概述 *横向均匀激励连续激光放大器 增益系数、最大输出光强、增益谱宽 *纵向激励连续激光放大器－掺铒光纤放大器 小信号增益、大信号增益、饱和输出功率 脉冲行波放大器输运方程 反转粒子数、光子数密度输运方程 第六章 激光放大特性 光放大器概述 ? 发展光放大技术的意义 1.获得高质量的大能量、高功率激光束（固体激光器） 大能量、高功率与方向性、单色性、脉宽相互制约 2.光通信系统中的光中继器（EDFA) 3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA） §6.1 激光放大器的特点与分类 光放大概念－利用受激辐射实现光放大 光放大的前提条件－ g0 g0 g=0 粒子数反转分布 吸收 透明 放大 对入射光要求？ 上述放大器与激光器的差别：无谐振腔－行波光放大器 激光器－激光振荡器－再生（光）放大器 ? 按工作方式分类: 对入射光要求： 行波放大器: 只要求入射光频率在增益介质谱线范围内 再生放大器: 入射光需在谐振腔本征频率附近, 保证频率匹配 g0 g0 行波放大器 再生放大器(F-P放大器) 行波放大器增益 (6.1.1) 再生放大器增益 多光束干涉处理 (6.1.3) 当 －最大增益 n偏离nc G下降; r1、r2 越高，n偏离nc允许值越小，增益 ? g0 放大器增益 再生放大器 行波放大器 G＝Gs 再生放大器举例：半导体光放大器 h =3.2-3.4 r1、r2 ? 0 60nm ~1nm 再生放大器 行波放大器 按入射光时间特性分类 ?连续激光放大器 ?脉冲激光放大器 ?超短脉冲激光放大器 （入射信号脉宽t0 及工作物质弛豫时间T） 弛豫：某种物理状态的建立或消亡过程 弛豫时间 纵向弛豫时间T1：能级上的粒子数数目发生变化(T1～t2) 横向弛豫时间T2－位相弛豫时间 宏观感应电极化的产生和消亡的时间 电磁场共振相互作用－同相， 碰撞等其它作用－消相 DnL为主 DnD为主 固体 气体 半导体 纵向弛豫时间(s) 10-3~10-4 10-6~10-9 10-9 横向弛豫时间(s) 10-11~10-12 10-8~10-9 10-12 ? 按功能分类: （通信系统中） 前置放大器: 小信号工作状态, 噪声系数小 功率放大器: 大信号, 增益饱和状态, 饱和输出功率大 线路放大器：补偿系统中各光纤段的损耗 t0 T1 与连续波放大相似 稳态方法 T2 t0 T1 脉冲放大 非稳态方法 t0 T2 超短脉冲放大 半经典 ? 光激励方式: 横向（均匀）激励： (固体或半导体光放大器) Dn，g0、Is 均为常数 纵向激励：Dn，g0，Is 与传输距离有关(光纤放大器) I0(t) I1(t) 聚光器 泵浦灯 激光工作物质 泵浦光980nm (1480nm) 信号光 1550nm I0(t) I1(t) 掺铒光纤 §6.2 横向均匀激励连续激光放大器特性 前置放大器 一、(有损)光放大器小信号增益 假设: 均匀加宽、平均损耗系数a、信号光频率n0 I0(t) I1(t) 聚光器 泵浦灯 Nd:YAG 光隔离器 Nd:YAG 光泵 ?增益 小信号增益 ?最大输出光强 ?增益谱 饱和增益 （饱和输出功率） 小信号增益 激光振荡器 激光放大器 二、(有损)光放大器大信号（饱和）增益 入射光信号较强或工作物质足够长 可得 (6.2.1) －净增益系数(功率增益)公式 输出光强 放大器增益 I0 已知，放大器的 gm、l、a 可以测得，Is 已知 （无损）光放大器（如气体介质）输出光强和增益表达式（略） (6.2.3) (6.2.4) 自行推导 自行推导 三、最大输出光强（饱和输