第六章-激光放大特性要點.ppt

6 1激光放大器的分類獲得極高的輸出能量和功率保持振蕩器的光束質量降低光學元件的破壞和損傷一 按照時間特性分類按被放大信號的脈沖寬度 0 工作物質的馳豫時間相對大小 激光放大器分類 連續(xù)激光放大器 0 T1脈沖激光放大器T2 0 T1超短脈沖放大器T2 0某種狀態(tài)的建立和消亡的過程稱作馳豫過程由于躍遷使得粒子能級具有一定壽命 增長與衰減需要一定馳豫時間T1 縱向馳豫時間固體10 3 10 4 氣體10 6 10 9 半導體10 9粒子之間 粒子和晶體 器壁的相互作用是原子的極化 位相發(fā)生無規(guī)變化 這一過程稱作消相過程原子極化落后外場的時間T2 橫向馳豫時間固體10 11 10 12 氣體10 8 10 9 半導體10 13 第六章激光放大特性 二 按照工作方式分類行波激光放大器再生激光放大器 做好模匹配注入鎖定放大器 模匹配 位相鎖定多程放大器對連續(xù)放大器 增益定義為對再生放大器單程增益入射光頻率等于增益曲線的中心頻率時 增益為 當入射光頻率偏移增益下降到一半 的增益為單程行波放大器的增益為 IoP0 I l P l l I1 I1 I2 I2 r1 r2 6 2均勻激勵連續(xù)激光放大器的增益特性一 輸入信號強度對放大器增益的影響對均勻加寬工作物質 工作物質的凈增益系數(shù)為被放大信號的脈沖寬度入射光非常弱 工作物質很短 光強遠小于飽和光強 放大器的小信號增益為對功率放大器 運行于增益飽和狀態(tài) 單位長度的增益為對整個工作物質長度積分 光強隨長度的關系為增益與長度及入射光頻率的關系為入射光頻率與工作物質增益曲線的中心頻率相等時 在放大器未過飽和時 可以忽略工作物質的損耗 對前一頁第一個式子積分取指數(shù) 可得改寫成增益和入射功率 出射功率的關系式飽和功率定義為定義增益下降到小信號增益一半時的輸出功率為放大器的飽和輸出功率通常小信號增益遠大于2 放大器的輸出功率決定于工作物質的飽和功率 可在試驗上測定飽和輸出功率 反算求得飽和功率 二 最大輸出強度原則上增加輸入光強 增加工作物質的長度可以無限制的增加輸出光強 但考慮到工作物質的增益系數(shù)隨輸出光強增加而減小 最后凈增益系數(shù)為零的狀況 光強不再增加 可得到放大器的輸出最大光強 歸一化輸出功率P l Ps 歸一化的放大器增益G G0 G0 30dB 15dB 10dB 三 增益譜線及輸出譜線輪廓變窄工作物質的增益系數(shù)是頻率的函數(shù) 入射光的頻率與工作物質的增益曲線中心頻率相等時 增益最大 入射光頻率偏移中心頻率 使小信號增益下降到一半時 則可得到放大器的增益帶寬忽略工作物質的損耗 入射光小信號增益為若是均勻加寬工作物質 可得增益線寬小信號增益大于4時 放大器的增益譜寬小于工作物質小信號增益曲線的寬度 增益越高 放大器的增益譜寬越窄大信號時入射光偏離中心頻率越大 飽和效應越弱 增益譜線寬度隨光強增加而增加 6 3縱向光激勵連續(xù)激光放大器的增益特性模型 光纖激光放大器 泵浦光和信號光在光纖中同向或反向傳輸 工作物質按均勻加寬機制處理 激活粒子為三能級系統(tǒng)一 輸運方程假設三能級系統(tǒng)的總量子效率為 忽略光纖損耗 只考慮泵浦光與信號光同向傳輸列出信號光和泵浦光強變化的輸運方程信號光泵浦光 為信號光和泵浦光頻率在穩(wěn)態(tài)條件下 可有 由于 很大在穩(wěn)態(tài)條件下 可有式中歸一化信號光強及泵浦光強變化的輸運方程 分別為光纖中信號光與泵浦光的小信號吸收系數(shù)光泵作用下 受激吸收超過自發(fā)輻射時 信號光逐漸增長 低于自發(fā)輻射時 信號光逐漸減弱為衡量信號光增長或衰減的閾值泵浦光強 二 小信號增益特性若光纖放大器中的信號很弱由歸一化泵浦光強的輸運方程可證明放大器輸出端歸一化泵浦光強滿足以下表達式 為歸一化輸入泵浦光強 為光纖長度 將前面兩個歸一化方程相除并積分得 為歸一化輸入信號光強 將上式中的代入并取指數(shù)得為放大器的小信號增益再作的代換 可得 以上兩式相乘并取對數(shù) 小信號增益的表達式 可通過實驗測出小信號增益等于 所需的輸出泵浦光強 小信號增益與信號光強無關 但與入射泵浦光強 光纖長度密切相關 光纖長度小于最佳長度 增益系數(shù)隨長度增加而增加光纖長度大于最佳長度 泵浦功率因吸收下降到閾值泵浦功率以下 長度增加反而導致增益下降當 時 放大器具有最大增益 歸一化光纖長度 歸一化小信號增益 對上式求導 令 可得 代回小信號增益表達式得在一定泵浦光強下 最大增益系數(shù)和最佳光纖長度為小信號增益隨輸入泵浦光的增加而增加 但泵浦光過強時未被充分吸收的泵浦光從末端逸出 對提高增益不起作用 三 大信號增益特性小信號工作狀態(tài)下可得到較大的增益 適合作前置放大器 對需要輸出功率的放大器 處于大信號增益飽和狀態(tài) 曲線平坦部分對應小信號工作區(qū) 增益下降到 所對應的輸出功率稱為放大器的飽和輸出功率 大信號時的反轉粒子數(shù)式中 飽和光強為 飽和光強與泵浦光強有關 端泵光纖中每一點的泵浦光強與傳輸距離有關 導致小信號反轉粒子數(shù) 每點小信號增益 每點飽和光強隨傳輸距離變化 把歸一化飽和光強兩個輸運方程相除后利用可得可求出最大增益系數(shù) 最大輸出功率和輸入信號功率及輸入泵浦功率的關系 歸一化光纖長度 歸一化最大輸出功率 6 4脈沖激光放大器的增益特性脈沖放大器的工作特性 被放大信號的脈沖寬度遠小于放大器的熒光壽命 橫截面內反轉粒子數(shù)均勻分布 工作物質為均勻加寬線型 信號波長為譜線中心波長 一 輸運方程 工作物質截面積為 單位時間薄層內光子數(shù)的增量為單位時間流過單位截面的光子數(shù)稱為光子流強度為忽略自發(fā)輻射 上能級系統(tǒng)脈沖行波放大器的輸運方程為對理想四能級系統(tǒng)脈沖行波放大器反轉粒子數(shù)對時間變化率輸運方程的邊界條件 Io t Jo t zz dz z 二 脈沖放大器的輸出能量及能量增益放大器輸入信號的能量為壽命遠大于脈沖寬度 單位面積上輸入總光子數(shù)輸出信號能量為放大器的能量增益定義為輸出光脈沖能量與輸入光脈沖能量之比對輸運方程兩邊積分得單位面積流過的光子數(shù)為考慮入射初始狀態(tài) 流過的光子數(shù)為零 上式可化簡為對輸運方程中反轉粒子數(shù)方程積分得反轉粒子數(shù)隨距離的關系為代入上式得到光子數(shù)輸運方程 非線性微分方程 對小信號情況 指數(shù)展開并忽略二階小量可得單位面積光子數(shù)隨長度分布及能量增益隨長度增加而指數(shù)上升對強信號 光子流變化單位面積輸出總光子數(shù)當傳輸距離超過一定值時 增益等于損耗 輸出能量趨于飽和最大輸出光子數(shù)密度與輸入能量無關 反轉粒子數(shù)越大 放大器損耗越小 輸出能量越大提高放大器輸出能量最有效的途徑是增加反轉粒子數(shù)和減小損耗當損耗極小時 方程改寫為積分得無損放大器中輸出能量及增益隨放大器長度增加而增加 脈沖放大器長度 脈沖放大器輸出能量 三 功率增益與脈沖寬度變窄為分析脈沖放大器的功率和時間波形直接給出三能級無損放大器的非穩(wěn)態(tài)解放大器的功率增益是時間的函數(shù)設輸入光脈沖為矩形脈沖當 時當 輸入脈沖強度很弱時間波形保持不變輸入脈沖較強時 脈沖前沿抽空反轉粒子數(shù) 脈沖后沿增益降低 矩形脈沖變成尖頂脈沖 6 5放大的自發(fā)輻射 ASE 自發(fā)輻射放大器的工作特性 無諧振腔 腔鏡制造困難 自發(fā)輻射光源具有廣闊的應用3 自發(fā)輻射放大光具有較好的空間相干性 時間相干性差 一 放大的自發(fā)輻射強度工作物質一端輸出的自發(fā)