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 ①激光核聚变需要上万焦耳的激光能量 ②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 ①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。 ②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 ①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 ②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 ①弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。 ②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) ③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。 10-11~10-12 s (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，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 g0 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TT1，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。 g0 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：①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。 ② l、Gs、r 越大，得到有效放大所允许的频率范 围越窄。 ③ 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，Δn，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， Δn，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α、信号光频率?。 2、工作物质的