激光放大器.x详解.ppt

3.增益饱和 因为饱和效应使放大器的增益分布发生变化，所以当光束通过放大器时会产生畸变。 当输入信号与饱和光通量大约相等时，畸变最大。对于 或 的特殊情况，脉冲形状的畸变都是最小的。 4.衍射效应 对入射光束来说，放大器棒相当于有限孔径。放大器棒边缘的衍射效应产生菲涅耳环，它严重干扰了光束的均匀性。 克服衍射效应的方法： （1）使孔径和光束尺寸正确匹配，可以使边缘的能量密度很小，它在光束中产生的空间调制可忽略不计。 （2）空间滤波法 “ ” “ ” 激光放大器 姓名：王春阳 导师：冯国英 学号：2014222050008 主要内容 增益极限和放大器的稳定性 脉冲放大 稳定态放大 信号畸变 前言 本章将讨论激光束通过光学激活材料时产生的能量增益。在设计高能量、高亮度的光源时，以激光器作为脉冲放大器是非常重要的。 设计激光放大器时，必须考虑下述因素： 1）增益和提取的能量； 2）放大器引起的波前畸变和脉冲形状畸变； 3）放大器系统中光学元件的能量和功率密度； 4）在放大器内引起超辐射或前激反馈. 4.1脉冲放大 设放大器的运行时间比泵浦速率 和自发的发射时间 快，因此，放大过程是以输入信号到达之前储存于上激光的能量为基础的。 现在来考察单色光入射到长度为L的放大器棒的前表面的一维情况。 如果输入到放大器中的是矩形脉冲，其持续时间为，则光子密度的解为 设t=0时，n是均匀的。当光束通过长度为x=l的放大器时，能量增益为 单位面积的输入能量可表示为 将饱和能量密度定义为 能量提取效率 表示从放大器提取的能量与脉冲到达时上激光能级存储的能量之商，即 将式（4.7）、（4.8）代入式（4.6），得 上式适用于矩形输入脉冲，从小信号增益到放大器完全饱和，它都是有效的。现在考虑两种极端的情况。 1)输入能量较低，即 则式（4.11）可近似表示为 2)输入能量较高，即 则式（4.11）变为 再将式（4.11）换一种形式，就可以很清楚的表示单程或双程的单级或多级放大的输出能量与提取效率的关系。 图4.2 单程和双程的单级或多级放大的输出能量密度和提取效率的计算矩阵形式 如图，它们的关系式为 根据式（4.10），提取效率为 在双程放大器内的输出能量密度 由下式求出 式中 双程放大器的提取效率为 应该注意的是，上述式子的前提是存在均匀的增益系数和光束强度分布。在绝大多数系统中，这两个数值都表示径向分布特点，此时，增益系数表示为 在激光放大技术中，小信号增益系数 通常表示为 为增益与储能关系的参变量 整理式（4.11）得 如果已知放大器中的小信号增益或者储能量，则根据(4.11)、(4.22)就可以求出放大器的增益与输入能量密度的函数关系。 但是在谈论实际例子之前，应该注意推导(4.11)时的两种假设：1）入射脉冲的形状为矩形。 2）设放大器没有损耗。 4.1.1红宝石放大器 两个能级之间是否确实发生能量转移，取决于这两个能级之间的弛豫时间是比放大脉冲的长度短还是长。在红宝石中，两个受激能级之间的弛豫时间在1ns量级，或者更短。 1 Q开关脉冲放大 2 锁模脉冲放大 当脉冲长于1ns时，两个上能级（即 和2 能级）处于热平衡，可以从这两个能级提取能量。上能级中的总储存能量为 从红宝石中可以提取的最大能量为 因此，从红宝石中提取能量的效率为 对于红宝石 ， 可提取的能量与小信号增益系数之比定义为饱和能量密度，即 1.Q开关脉冲放大 在总结了红宝石的有关激光参量后，再来考察（4.22）。将材料参量 和 代入该式，并设 和 为一定值，就能绘出红宝石放大器输出能量密度与其长度的函数关系。 设Ein=0.1J/cm2，所有粒子数反转时的不同储能分别为Est=3.0J/cm3、4.0J/cm3和4.5J/cm3，就可以得到图4.5所示的曲线。 。 图4.5 红宝石放大器的增益同放大器的长度、储能密度的函数关系。 这些曲线的实际意义在于，它们适用于所有的输入能量和放大器的长度。 只有一个参量难于确定，它就是棒中单位体积的存储能量 。该参量取决于闪光灯的输入能量与脉宽、泵浦结构的几何设计与效率以及激光棒的几何形状。由于在信号到达前，有： ，则 泵浦速率 可用每立方厘米的输入能量 、脉冲持续时间