激光放大技术讲解.ppt

第四章激光放大技术 41概述 利用己介绍的调ρ或锁模技术,可以获得极高的峰值功率 (109~1012w)。其峰值功率之所以大得惊人,是由于把能量压缩在极 短暂的时间内释放出来的缘故。但是这种高峰值功率激光器实际上 所输出的能量往往不一定很大。因此,为了获得性能优良的高能量 激光,应用激光放大技术则是一种最佳方法 必要性 对于调Q激光器,泵浦能量不能太高,否则,发散角太大而且 易出现多个碎脉冲。对于锁模激光器,单个脉冲的能量太小 (尽管瞬功率很高)。 从稳定性考虑,泵浦能量不能超过阈值泵浦能量许多。 对于调Q激光器和锁模激光器,工作物质的体积不能太大/长, 否则易自振或自聚焦而破坏。再说激光束往返多次通过激光物 质,导致腔内光强高于外部;从而激光物质易受高功率光强的 破坏。 二、激光放大器的类型 激光振荡器 激光放大器 激光棒 泵捕灯 泵油灯 储能器卜一舵发番 躇能器}触发器 采用行波放大技术有如下优点:其 由于激光束一次通过放大介质,因此介质的 时申路 单程行波放大破坏阈值可以大大提高:其一,当需要大能 量激光时,可根据需要采用多级行波放大: 1.行波放大 其三,振荡器—放大器系统,可由振荡器决 定其脉冲宽度、谱线宽度和光束发散角等 多程行波放大而由放大器决定其脉冲的能量和功率,所以 者结合起来,既可以得到较优良的激光特 性,又能够大大提高其输出激光的亮度 外注入放大(再生放大/注入锁定) 2.注入放大 自注入放大(腔内剪切,予激光锁定,予激光选单纵模 激光放大器与激光(振荡器基于同一物理过程(受激辐射的光 放大),其主要区别是激光放大器(行波没有谐振腔 激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子数,以保证光 脉冲信号通过它时得到的增益大于介质内部各种损耗。 另外,为了得到共振放大,要求放大介质有与输入信号相匹 配的能级结构。 行波放大器 图41-1为激光 激光振荡器 激光放大器 器与放大器串接工 激光 澈光棒}输出 作的示意图。当第 泵浦灯 泵浦灯 一级输出的激光进 入放大器时,放大L储能器触发器 储能器「触发器 器的激活介质应恰 好被激励而处于最 延时电路 大粒子数反转状态, 即产生共振跃迁而 图41激光放大器工作示意图 得到放大 激光放大器按其放大脉冲信号宽度的不同,可以分为长脉冲 激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器三种。 对于激光放大器,放大介质中激发态的粒子(原子、分子或离 子),由于辐射跃迁有一定的弛豫时间T,称为纵向弛豫时间,其 值随放大介质不同而异。如对于晶体和玻璃等固体,T由粒子在 亚稳态时的寿命决定,为103s;对于气体和半导体,T则由允许 的跃迁能级的寿命决定,为106~10%s。 另外,放大介质中粒子相互交换能EB∠2r小 量过程引起的非辐射跃迁,会使激发态 粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间T2 T大 泵浦v 称为横向弛豫时间。对均匀加宽工作物 质,72具有谱线宽度倒数的量级,在固 体工作物质中,T2约为10s量级。 当激光放大器输入信号的脉宽大于纵向弛豫时间(即τT1, 如一般自由运转的脉冲激光器输岀的脉冲宽度可达几个毫秒就能 满足此条件)时,由于光信号脉冲与工作物质相互作用时间足够长, 而且受激辐射所消耗的反转粒子数可以很快地由泵浦激发所补充, 因此反转粒子数密度能维持在一个稳定值附近。这可近似地认为 反转粒子数密度不随时间变化,即 共0工作物质的 坐标有关,即△n=△n(x)。这就可以用稳态方法来研究放大过程 这类激光放大器称为长脉冲放大器。 当输入光信号的脉宽比较窄,满足条件T2rT时,如调Q 激光器输出的短脉冲只有几十个纳秒,远小于激光的荧光寿命, 这时因受激辐射而消耗的反转粒子数来不及由光泵浦补充,反转 粒子数和腔内光子数密度在这极短暂的时间内达不到稳定状态, 因而反转粒子数是随时间和空间变化的,即△n=△n(x,1)。这类 激光放大器须用非稳态方法研究,这种放大器就是脉冲激光放大 器,也是本章所要讨论的重点。 以上两类放大器都满足zT2的条件,原子在光场作用下 生的感应偶极矩所需要的时间可以忽赂,因而无滞后效应,即物 质的宏观电极化可立即跟上光场的快速变化,故可以不考虑原子 和光场相互作用的相位关系,因而可以来用速率方程理论来讨论 上述两类激光放大器 在超短脉冲(即脉冲宽度κT2’如锁模激光器输出的脉冲只 有101l-10-12s量级)的激光放大情况下,当光与物质相互作用时, 由于物质的宏观电极化跟不上光场的快速变化,所以不能忽略物 质的原子和光场相互作用的相位关系。这种相干作用使得超短脉 冲通过放大介质时,会产生一些新的现象,如在介质中产生稳定 的n脉冲或2脉冲,吸收介质中产生“自感透明”效应,并由此 出现光学孤子波现象等等,所以对超短脉冲放大器,必须用半经