激光放大特性實用教案

1、典型(dinxng)(dinxng)固體激光放大器示意圖Laser rod激光(jgung)振蕩器泵浦燈儲能(ch nn)器觸發(fā)器Laser rod泵浦燈儲能器觸發(fā)器延時器激光放大器的特點a、多數(shù)不需要諧振腔鏡，為行波放大器。特例：再生放大器。第1頁/共18頁第一頁，共19頁。b、因一次性通過(tnggu)工作物質(zhì)，故不易破壞工作物質(zhì)。c、振蕩(zhndng)級和放大級有機結(jié)合可使高的光束質(zhì)量和高的能量功率兼得。d、振蕩(zhndng)級和放大級的匹配需要時間延遲電路。e、激光放大器中存在放大的自發(fā)輻射(ASE) ，其功率大，線寬窄于自發(fā)輻射，具有一定的方向性，也可利用，但在激光放大器中為噪聲

2、。第2頁/共18頁第二頁，共19頁。第一節(jié) 激光(jgung)放大器的分類一、按時間特性分類 (入射信號(xnho)脈寬t0 及工作物質(zhì)弛豫時間T )1、分類根據(jù)： 被放大信號脈寬t0 與工作(gngzu)物質(zhì)弛豫時間T的相對大小關(guān)系。2 2、弛豫時間及分類弛豫時間：某種狀態(tài)的建立或消亡過程。 縱向弛豫時間T1：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰減所需時間。理由：粒子在非基態(tài)能級上有有限壽命。10-310-4s(固體)10-610-9s(氣體) 10-9s(半導(dǎo)體)第3頁/共18頁第三頁，共19頁。橫向弛豫時間T2：宏觀(hnggun)感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡不是瞬時的。極化強度P(z, t)較E(z, t)

3、落后的時間T2即是橫向弛豫時間。理由：一方面, ,在電磁場作用下, ,工作物質(zhì)原子產(chǎn)生的感應(yīng)電矩和電磁場同相。另一方面，由于碰撞以及晶格振動會使感應(yīng)電矩的相位無規(guī)變化，導(dǎo)致宏觀(hnggun)(hnggun)感應(yīng)電極化消失，此為消相過程。10-1110-12 s (固體(gt)10-810-9s(氣體)10-13s (半導(dǎo)體)3、激光放大器的分類連續(xù)激光放大器脈沖激光放大器超短脈沖激光放大器4、連續(xù)激光放大器第4頁/共18頁第四頁，共19頁。(1)條件(tiojin)：當(dāng)激光放大器的輸入信號是連續(xù)或非調(diào)Q激光脈沖時，有t0T1。(2)特點：由于(yuy)光信號與工作物質(zhì)作用時間足夠長，因受激輻

4、射而消耗的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來得及由泵浦抽運所補充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度均可到達(dá)穩(wěn)態(tài)?？捎梅€(wěn)態(tài)法處理。5、脈沖(michng)激光放大器(1)條件：當(dāng)T2t0T1，如調(diào)Q激光脈沖作為輸入信號時。(2)特點：因受激輻射而消耗的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來不及由泵浦抽運所補充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。需用非穩(wěn)態(tài)法處理。第5頁/共18頁第五頁，共19頁。6、連續(xù)激光(jgung)放大器與脈沖激光(jgung)放大器的共同點均有T2t0，可不計粒子和光子相互作用的弛豫過程，粒子在光場作用下產(chǎn)生的P所需時間(shjin)T2可忽略，無滯后效應(yīng)，可忽略粒子和光場相互作用的相位關(guān)系?？捎盟俾史匠獭?、超短脈

5、沖(michng)激光放大器當(dāng) t000I lI0P lP工作物質(zhì)(wzh)兩端面無反射的放大器。要求：只要求入射光頻率在增益(zngy)介質(zhì)譜線范圍內(nèi)。增益：8、若輸入光信號為高重復(fù)率脈沖序列，且脈沖周期T0增益：用多光束干涉(gnsh)處理設(shè)工作物質(zhì)單程傳輸?shù)脑鲆鏋?經(jīng)過復(fù)雜的推算后得:為入射光頻率二反射面組成的諧振腔的諧振頻率第8頁/共18頁第八頁，共19頁。(1)當(dāng) 時:最大增益(zngy)(2)當(dāng) 時:討論：可見，僅當(dāng)入射光頻率在諧振腔本征 頻率附近時，才能得到(d do)有效放大。 l、Gs、r 越大，得到(d do)有效放大所允許的頻率范 圍越窄。 當(dāng) r1=r2=0時，(行波放

6、大器)，則 G=Gs。(3) 再生放大器的優(yōu)缺點優(yōu)點: 可獲得較高的增益。缺點: 頻率匹配技術(shù)復(fù)雜。第9頁/共18頁第九頁，共19頁。第二節(jié) 均勻激勵連續(xù)激光放大器的增益(zngy)(zngy)特性激勵方式: : 橫向激勵，nn，g0g0，Is Is 均為與傳輸距離(jl)z(jl)z無關(guān)的常數(shù) ( (固體或半導(dǎo)體光放大器) ) ；縱向激勵， n n，g0g0，IsIs與傳輸距離(jl)(jl)有z z 關(guān)( (光纖放大器) )。 一、輸入(shr)信號強度對放大器增益的影響I0(t)I1(t)聚光器聚光器泵浦燈泵浦燈激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)泵浦光泵浦光信號光信號光I0(t)I1(t)摻鉺光纖

7、摻鉺光纖1、假設(shè)條件: 均勻加寬、平均損耗系數(shù)、信號光頻率 。 2、工作物質(zhì)的凈增益系數(shù)第10頁/共18頁第十頁，共19頁。由4.4.15式再考慮(kol)損耗后得到： 3、小信號增益(zngy)前置放大器若入射光信號非常微弱(wiru)，工作物質(zhì)短，且：小信號增益:可用作前置放大器 4、大信號增益(飽和狀態(tài))功率放大器入射光較強，工作物質(zhì)長，且：第11頁/共18頁第十一頁，共19頁。目標(biāo)(mbio)：求 及 (顯式或隱式)(1) 歸一化輸出(shch)光強 (6.2.3式) (2) 增益(zngy) (6.2.4) 第12頁/共18頁第十二頁，共19頁。可見，已知 、 、 、 、 值，則可由

8、式(623)或 (624)求出輸出(shch)光強及放大器增益。(3) 兩種特例(tl) a、 當(dāng) 時 b、 當(dāng) 時 ，如在在氣體工作物質(zhì)中， 或在其它未達(dá)重度飽和的工作物質(zhì)中，由于 ，可忽略損耗(snho)影響。則： (6.2.7) 第13頁/共18頁第十三頁，共19頁。改寫(6.2.7式)為 輸出(shch)光功率和入射光功率的關(guān)系式 ： 其中(qzhng)： 規(guī)律(gul)： ，見圖6.2.1。第14頁/共18頁第十四頁，共19頁。二、最大輸出(shch)光強和最大輸出(shch)功率 由于增益飽和，當(dāng)輸入(shr)信號光很強或放大器很長，放大器增益系數(shù)會下降，凈增益系數(shù)為0，光強不再增

9、加。此時對應(yīng)的輸出光強為最大。第15頁/共18頁第十五頁，共19頁。三、增益譜寬及輸出(shch)譜線輪廓變窄1 1、( (無損) )小信號(xnho)(xnho)均勻加寬光放大器第16頁/共18頁第十六頁，共19頁。時， d d D D H ，且G0( ) d d ，單色性變好。2、無損(w sn)大信號均勻加寬光放大器中心頻率處飽和效應(yīng)強，偏離(pinl)中心頻率飽和減弱。有： I (l) H。說明：對于非均勻加寬工作(gngzu)物質(zhì)構(gòu)成的放大器，可采用類似的理論處理方法。第17頁/共18頁第十七頁，共19頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第18頁/共18頁第十八頁，共19頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)典型固體激光放大器示意圖?？v向弛豫時間T1：反轉(zhuǎn)(fn zhun)粒子數(shù)的增長與衰減所需時間。理由：一方面,在電磁場作用下