第九章激光放大技術(shù)

1、第九章第九章 激光放大技術(shù)激光放大技術(shù) 激光放大技術(shù)，又稱(chēng)為行波放大技術(shù)，是獲得強(qiáng)激光必不可少的技術(shù)手段 。棒狀放大器，片狀放大器，板條狀放大器； 單程放大器，多程（雙程、三程、四程），再生放大器，啁啾脈沖放大技術(shù)CPA技術(shù)等。描述放大器的理論由涉及的激光時(shí)間特性不同可分為三方面： 1、 ，連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)及長(zhǎng)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，dn/dt=0,穩(wěn)態(tài)激光放大器理論;2、 ，調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)，n= n (x,t),脈沖激光放大器理論；3、 ，鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，半經(jīng)典理論；現(xiàn)在大多經(jīng)啁啾脈沖放大技術(shù)CPA技術(shù)轉(zhuǎn)換成納秒或亞納秒脈沖，而采用脈沖激光放大器理論； 為光脈沖持續(xù)時(shí)間； 為縱向弛豫時(shí)間，由放大介質(zhì)中激活粒子允許的躍遷能級(jí)

2、壽命決定；對(duì)于固體10 s。 為橫向弛豫時(shí)間，由放大介質(zhì)中激活粒子相互交換能量過(guò)程引起的無(wú)輻射躍遷壽命決定；對(duì)于固體10 s。 固體激光放大器 激光振蕩器激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)激光振蕩器激光放大器泵浦閃光燈泵浦閃光燈貯能電容器貯能電容器觸發(fā)器觸發(fā)器延時(shí)電路(MOPA)功率放大器主振蕩全反射鏡輸出鏡 第一節(jié)第一節(jié) 脈沖放大器理論簡(jiǎn)介脈沖放大器理論簡(jiǎn)介 一、脈沖放大器速率方程及其解 xdxdxx),(tLIx0IL),(txI 單位體積的光子數(shù)和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)都是時(shí)間t和空間x的函數(shù)； 假設(shè)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布均勻，不考慮線型和線寬的影響（單模光場(chǎng)）。 引入光子流強(qiáng)度I (x, t) ,單位時(shí)間流過(guò)單位橫

3、截面的光子流。 光強(qiáng)表示為：I (x, t) h0。光子數(shù)密度(x, t), I (x, t) =c (x, t), 為受激輻射截面。),(),(2),(txItxnttxn三能級(jí)：),(),(),(c),(txtxncxtxttx光子數(shù)密度的變化率：),(),(),(),(1txItxnxtxIttxIc光子流強(qiáng)度的變化率：),(),(),(txItxnttxn四能級(jí)： 上述邊界條件,聯(lián)立求解上面的方程,可以求得入射脈沖激光進(jìn)入放大器中任意位置、在任何時(shí)刻的光子流利用強(qiáng)度、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)變化、輸出脈沖能量和放大器的增益。 )0),.()0,()0),.(It)I(0,00處在處在邊界條件：Lxx

4、ntxnxtcxtdttIdxxcxtI) (2-exp) (n-exp-11)(t)I(x,0 x0001) (exp) (2exp) 9exp)(t)n(x,000000 xcxtxdxxndttIdxxnxn 二、對(duì)矩形脈沖放大的分析假設(shè)放大介質(zhì)均勻泵浦、均勻摻雜。n0可以視為常數(shù)。 xndxxnx000) (ttItII, 0, 0,0 ,0I0I0t )(2exp)exp(11t)I(x,000cxtIxnI區(qū)間內(nèi)光子流強(qiáng)度：在.0.cxt)(2exp)exp(111),(G000pcxtIxnItxI率增益）：功率放大系數(shù)（單程功 益。無(wú)關(guān)，類(lèi)似于小信號(hào)增與呈指數(shù)增長(zhǎng)，脈沖前沿：0

5、p0G,)(,),()(,.cxt00IeLGLxeIcxxIxGLnpxnp000p2exp)exp(111),()(G,IxnIcxxIxcxt脈沖后沿：00p2exp)exp(111)(G,ILnLLx ,)(G.2, 1I200p00LnLneLeI，和條件：要得到指數(shù)增長(zhǎng)的必要飽和）（其根本原因在于增益脈沖后沿難以放大?；蛎}寬較寬時(shí)反之，當(dāng)入射信號(hào)很強(qiáng)才能獲得指數(shù)的增益很小）時(shí)，號(hào)（很?。┗蛎}寬極窄的信只有在小信號(hào)（,;I0 xndxxnx000) (ttItII, 0, 0,0 ,0I0I0t123時(shí)，出射脈沖、時(shí)，出射脈沖、入射脈沖；2312100LnLn 脈沖能量增益： . )

6、,0(),(時(shí)間積分增益dttIdttLIGEcLcLcLcLEdttLIdttIdttLIGtLIcLtcLttItt),(I1),0(),(.0),(,0),0(,0:00對(duì)于矩形脈沖有 )(2exp)exp(11t)I(L,000cLtILnIdtcLtILnIIcLcL)(2exp)exp(111G0000EdttILn0002exp)exp(1111, 1,.2:,.111000LnteAIdtAe其中 ),.1ln(111:ttAetdtAe利用積分公式0)1ln(11tEAetG)11ln(11AAe)11ln(ln1AAee0000220) 1(1) 1(1ln21ILnILn

7、eeeeI0000220) 1(1) 1(1ln21ILnILneeeeI, 1,.2. 00LneAI利用)1 (1ln(1eAAe 0000022I2-01ln21ILnILneeeILnILneeI000201ln21LnIeeI00) 1(1ln2120)11ln(11AAeGE)11ln(11AAe) 1(1) 1(1ln21100020LnILneeeILnILneIeeI000ln21) 1(1ln21102000202) 1(1ln21100ILneeIILn LnIEeeIG00) 1(1ln212000202) 1(1ln21100ILneeIGILnE或 第二節(jié)第二節(jié) 激

8、光放大器實(shí)例分析激光放大器實(shí)例分析 激光振蕩器激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)激光振蕩器激光放大器泵浦閃光燈泵浦閃光燈貯能電容器貯能電容器觸發(fā)器觸發(fā)器延時(shí)電路(MOPA)功率放大器主振蕩全反射鏡輸出鏡 激光振蕩器放大器放大器放大器放大器并接式激光放大器 /4單程、雙程放大器單程、雙程放大器三程、四程放大器三程、四程放大器波片4DKDP 放大器介質(zhì)2M反射鏡1M反射鏡輸出激光輸入激光放大器激光三程離軸 三程放大器卡塞格林望遠(yuǎn)鏡式激光放大器介質(zhì)輸出激光輸出激光輸入激光1M反射鏡2M反射鏡 放大器同軸型無(wú)開(kāi)關(guān)雙程 輸入激光輸出激光2M反射鏡1M反射鏡放大器介質(zhì)1L3L2L空間濾波器小孔光闌 放大器帶開(kāi)關(guān)多程

9、 輸入激光輸出激光2M反射鏡1M反射鏡放大器介質(zhì)1L3L2L空間濾波器小孔光闌3M反射鏡PCP片片狀狀放放大大器器片狀放大器 出射激光二極管陣列條泵浦耦合透鏡湊折疊多程放大器）基于內(nèi)反射的泵浦（緊對(duì)于激光高透射膜對(duì)于泵浦光高反射膜，入射激光 晶體薄片放大器級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)，采用多片N輸入激光輸出激光半導(dǎo)體列陣泵浦半導(dǎo)體列陣泵浦半導(dǎo)體列陣泵浦反射層反射層反射層放大介質(zhì)放大介質(zhì)放大介質(zhì)單脈沖選取后放大單脈沖選取后放大 通常從鎖模序列脈沖中選出一個(gè)脈沖作為種子脈沖進(jìn)行放大后獲得強(qiáng)脈沖激光腔外脈沖壓縮腔外脈沖壓縮 由自相位調(diào)制(SPM)產(chǎn)生的啁啾脈沖(Chirped pulse)通過(guò)具有一定的群速色散(GV

10、D)的光學(xué)元件后可實(shí)現(xiàn)對(duì)光脈沖的展寬或壓縮再生放大器技術(shù)和啁啾脈沖放大技術(shù)再生放大器技術(shù)和啁啾脈沖放大技術(shù)環(huán)形腔再生放大器環(huán)形腔再生放大器（文字描述其工作原理）（文字描述其工作原理） 放大介質(zhì) 輸入脈沖DKDP晶體 /2波片 偏振膜片 輸出脈沖 V V/2 0 t1 t2 tLmGeIIcmLttT0012,. 直腔式再生放大器直腔式再生放大器（文字描述其工作原理）（文字描述其工作原理） DKDP輸入激光脈沖放大介質(zhì)輸出激光脈沖1P2P21PP 1M2M一種實(shí)際的多波長(zhǎng)鎖模脈沖皮秒激光器方案 啁啾脈沖放大技術(shù)啁啾脈沖放大技術(shù)CPA技術(shù)技術(shù) 避免光學(xué)元件被破壞; 有效提取放大介質(zhì)中的能量飛秒短脈

11、沖的放大CPA1969年 E.B. TreacyIEEE J. Quan. Electron.QE-5, 454-458引入衍射光柵對(duì)造成不同波長(zhǎng)分量光程不同 短脈沖展寬或長(zhǎng)脈沖壓縮 =b(/d)d/cd1-(/d - sin)b - 光柵對(duì)距離，d - 光柵常數(shù) - 入射角stretcherAmplifierCompressorCPA : Chirped工作原理圖Pulse Amplifiert光柵光柵反射鏡壓縮脈沖反射鏡紅光藍(lán)光紅光藍(lán)光光柵由放大級(jí)來(lái)的 啁啾脈沖至放大光柵展寬后的脈沖OPCPA放大新技術(shù)更高功率飛秒激光的獲得Nd:YAG laser(Q-switched)0.6J SHG5

12、32 nm/5ns0. 6J1mJ15mJBBOSeed source1nJ/840nm10.5fs stretched to 0.5nsBBOpre-ampl840nm15000 1000光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)示意圖OPCPA技術(shù) LD1M1PCPPPA0M2PISL1PA1SL2M3LD2LD3M4M5M6MAI-1MAII-1SL4SL3MAI-2MAII-2SL6SL5M7M8LD1LD3：半導(dǎo)體激光器M1：0全反射鏡M2：輸出鏡M3,M4,M6,M7,M8：45全反射鏡M5：45半透半反射鏡PC：KD*P電光晶體PP：偏振鏡PI：隔離器SL1SL6：擴(kuò)束鏡PAm，MAmn

13、：釹玻璃棒8200143501635016350203502035042 脈寬25 ns能量25 J峰值功率1 GW第三節(jié)第三節(jié) 激光放大器設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的方面激光放大器設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的方面 1、放大器工作物質(zhì)光譜匹配； 2、放大器工作物質(zhì)端面反饋的消除； 3、級(jí)間去耦（級(jí)間隔離）； 4、級(jí)間孔徑匹配及空間濾波； 5、各級(jí)泵浦時(shí)間延遲的選定； 6、泵浦不均勻性的消除或補(bǔ)償； 7、自聚焦效應(yīng)的降低（B積分的選擇）。 1、放大器工作物質(zhì)光譜匹配(工作物質(zhì)選擇) 待放大的激光束的頻率或波長(zhǎng)一定要落在放大器工作物質(zhì)增益線寬范圍內(nèi)（最好是譜線中心附近）。 振蕩器工作物質(zhì)可以和放大器工作物質(zhì)不同，只要光譜匹配即可。 放大器工作物質(zhì)激活粒子