激光原理 第五章 激光放大.ppt

5．2 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。 5.3 纵向光激励连续激光放大器增益特性 5.4脉冲激光放大器的增益特性 5.5 放大的自发辐射(ASE) 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： ①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。 ②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，?F＝1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)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，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。 按照激励强弱程度的不同，工作物质可处于三种状态 ①弱激发 ②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。 ③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。 激光原理与技术 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 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 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。 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 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：