激光放大特性

激光放大特性內(nèi)容提要光學放大器的一般知識激光放大器的分類按照激勵強弱的不同，工作物質(zhì)的三種狀態(tài)光纖放大器的一些知識7.1概述一、放大技術(shù)的目的：

不改變激光的狀態(tài)，增加激光輸出的能量或功率。二、激光放大技術(shù)：

1、定義：利用光的受激輻射進行光的能量(功率)放大的器件。

2、放大器的結(jié)構(gòu)：

①振蕩級：根據(jù)實際應(yīng)用的要求，選擇不同的激光器。因此使激光器（振蕩級）輸出的激光特性滿足應(yīng)用的要求。由振蕩級輸出的光作為放大器的光信號。根據(jù)振蕩級輸出激光的脈沖寬度不同可分為三種放大器。a.長脈沖激光放大器：一般振蕩級激光器輸出的是連續(xù)的或一般脈沖激光器。脈寬：τ>T1

其中T1是放大介質(zhì)激發(fā)態(tài)的粒子由于輻射躍遷的縱向弛豫時間。弛豫時間：激發(fā)態(tài)的粒子所在的能級有一定的壽命，因此產(chǎn)生輻射躍遷有一定的滯后時間。固體：T1～10-3s主要由上能級的總壽命來決定。因此上能級的粒子數(shù)消耗掉以后來得及由泵浦得以補充。這時腔內(nèi)的光子數(shù)密度和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)可以認為不隨時間變化——穩(wěn)態(tài)過程。b.脈沖放大器：一般振蕩級為調(diào)Q激光器～10-8sT2<τ<T1T1：縱向弛豫時間。

T2：橫向弛豫時間：放大介質(zhì)中粒子相互交換能量過程引起的非輻射躍遷使激發(fā)態(tài)的粒子的感應(yīng)偶極矩有一定的弛豫時間。由于脈寬較小，在脈沖信號放大期間，工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和光子密度是隨時間變化的?！欠€(wěn)態(tài)過程c.超短脈沖放大器：脈沖窄，是鎖模激光器，輸出的脈沖10-11

～10-15s。光信號和放大介質(zhì)的相干作用是一種相干的放大作用。情況比較復雜，需要采用半經(jīng)典理論進行討論。②放大級：放大級的作用是使從振蕩級輸出的光信號的能量（或功率）得到放大。條件：a.振蕩級和放大級的介質(zhì)能級匹配。

b.放大介質(zhì)處于粒子的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3、放大器的類型：

a.行波放大器：光信號只經(jīng)過工作物質(zhì)一次，一般放大器不加諧振腔，只有工作物質(zhì)。

b.多程放大器：光信號在工作物質(zhì)中多次往返通過。

C.再生式放大器：用一光束質(zhì)量好的微弱信號注入到激光器中，它作為一個“種籽”控制激光振蕩產(chǎn)生，并得到放大。1.對矩形脈沖的放大強信號的情況下，脈沖前沿的增益與x是指數(shù)關(guān)系，脈沖后沿的增益減少。即脈沖不同處的增益不同。放大的光強不同，脈沖波形畸變，脈寬變化2.對其他脈沖波形的放大一般情況下激光器輸出的激光波形不是矩形。根據(jù)激光器的不同，輸出的可能是洛侖茲型或高斯型，指數(shù)型脈沖。求解的辦法和矩形情況相同但要復雜的多。但理論和試驗結(jié)果證明激光脈沖通過放大器以后，主要是輸入波形的脈沖前沿影響輸出的波形。①入射脈沖為高斯型的函數(shù)

高斯型的函數(shù)exp（-t2/τ2）前沿比指數(shù)增加快（波形陡），則經(jīng)過放大以后脈沖得到壓縮。因為放大得到增益最大是指數(shù)關(guān)系，增長速度比脈沖前后沿變化快。②入射脈沖為指數(shù)型脈沖前沿成指數(shù)變化，前沿一般放大的多，因此輸出波形峰值位置隨L發(fā)生變化（L↑峰值前移）脈沖波形不變?！把胤糯髱缀跏侵笖?shù)變化。③入射脈沖為洛侖茲型脈沖前沿上升速度比指數(shù)慢，脈沖前沿放大的速率成指數(shù)比入射信號的前沿陡。輸出的波形脈寬加寬。從上面的討論可以看出：要獲得高功率窄脈寬的激光脈沖，在信號進入放大介質(zhì)之前，先進行整形?！捎孟鞑夹g(shù)，切去脈沖上升慢的部分。③入射脈沖為洛侖茲型脈沖前沿上升速度比指數(shù)慢，脈沖前沿放大的速率成指數(shù)比入射信號的前沿陡。輸出的波形脈寬加寬。4.3放大器的設(shè)計考慮一、消除放大介質(zhì)端面反饋。放大介質(zhì)的作用是通過受激輻射作用，使入射信號的能量，功率得到放大，同時保證入射信號的特性不變。1.對放大器的要求：穩(wěn)定性好，包括兩方面：①激光放大器只有當外界信號入射時，才能產(chǎn)生受激輻射作用，從而使入射信號得到放大。對于行波放大器有兩個互相平行且和軸線垂直的兩個平面。當被泵浦的放大介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時，有自發(fā)輻射存在,在傳播過程中由于受激輻射而放大。在L較長時，形成輸出光—超輻射。同時自發(fā)輻射的光有可能在工作物質(zhì)的兩個端面形成振蕩。（端面反饋系數(shù)為4%）—自激振蕩。超輻射和自激振蕩的結(jié)果消耗上能級的粒子數(shù)△n，使增益下降，造成輸出功率下降。②入射的光信號經(jīng)過放大器放大以后，由于放大器端面的反射，一部分重新返回放大介質(zhì)，產(chǎn)生自激振蕩。其結(jié)果可能損壞放大介質(zhì)（振蕩級被損壞）。同時使放大后的脈沖波形畸變—加寬輸出的波形，降低輸出能量.因此影響放大器穩(wěn)定的主要因素是放大介質(zhì)的兩個端面反饋。判定放大器穩(wěn)定：當沒有外界的入射信號時，泵浦放大器的工作物質(zhì)看是否有光輸出。無光輸出—是穩(wěn)定的。2.采取的措施：為了消除端反饋：①端面鍍增透膜，可使端面反射率降到1%以下，在小器件中用。但增透膜易潮解，當功率太高時，膜層吸收激光易損壞.②端面磨成布儒斯特角（與入射光成570）—偏振光tgθ＝n2/n1

缺點：光束的象散現(xiàn)象嚴重影響光束的方向性。光束折射以后偏離棒軸大，占據(jù)空間大，調(diào)整困難。端面磨成2－30（既可以消除反饋，又不影響光束的方向性）。一般采取平行四邊形－沒有色散。采用梯形—色散。二、級間隔離:

一般放大器采用多級放大器—獲得更大的能量輸出。由于入射信號進入放大器之前，放大器處于粒子反轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此容易產(chǎn)生超輻射－后級超輻射進入前級中。超輻射進入放大器中消耗△n，結(jié)果降低放大器的增益，影響振蕩器的穩(wěn)定工作。

圖4.3-1圖4.3-2

在各級間加隔離器。隔離器的作用：只允許光信號從振蕩級或前級放大器進入后級放大器，將放大器級間的耦合隔離－隔離器的種類：磁光隔離器；電光隔離器；可飽和吸收隔離器；菲涅爾菱形隔離器1.磁光隔離器。

它是利用光的法拉第效應(yīng)制成的。法拉第效應(yīng)：即是有些晶體材料在外加磁場的作用下，可以使通過它的線偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)的方向與磁場方向和材料性質(zhì)有關(guān)，而與光線的傳播方向無關(guān)。

θ＝KHL其中：K－磁光系數(shù)；H－磁場強度；L－晶體的長度P1，P2是偏振器，中間晶體加一磁場。一般選擇H，L使θ＝450。P1和P2的偏振方向成450。工作過程：從振蕩器來的光通過P1變成線偏光。這束光通過旋轉(zhuǎn)器時按順時針旋轉(zhuǎn)450能通過P2進入放大器。而從放大器來的光通過旋轉(zhuǎn)器時，偏振方向沿順時針旋轉(zhuǎn)450到達P1時，偏振方向和P1垂直無法通過P1?！綦x。特點：優(yōu)點：可以做成大口徑的隔離器，隔離比高。缺點：旋光物質(zhì)的吸收系數(shù)大－光損耗大三、級間匹配。

級間匹配包括：能級匹配；孔徑匹配；泵浦時間匹配等。1.能級匹配。（在第一節(jié)中已經(jīng)講過。）產(chǎn)生入射信號的工作物質(zhì)的能級和放大器的工作物質(zhì)的能級要匹配。激發(fā)態(tài)、低能態(tài)相同。－產(chǎn)生光的受激輻射。2.孔徑匹配。振蕩級的工作物質(zhì)的截面（即孔徑）和放大器中工作物質(zhì)的截面要匹配。一般放大級的介質(zhì)截面比振蕩級大。能量W＝EAE－單位截面的能量（能量密度）

A－棒的截面積A↑W↑

對于一定的棒來說，E受破壞閾值的限制是定量，提高W增大A。一般盡量采用大口徑的放大介質(zhì)，但過大會造成泵浦不均勻。為了充分利用放大介質(zhì)，應(yīng)使入射信號的光斑盡量的充滿后一級的工作物質(zhì)。采用的方法：由于激光有發(fā)散角可以達到匹配，如果達不到的話可以在級間加擴束望遠鏡。3.泵浦時間的匹配。振蕩級和放大級之間泵浦時間的匹配。為了使輸出的能量最大，兩者相匹配的條件是：振蕩級輸出的光信號到達放大級時，正好放大級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大。由于放大級的介質(zhì)尺寸大，因此泵浦需要的能量高。

W＝cv2/2c↑v↑－放電時間長一般放大級先泵浦。

A－振蕩級調(diào)Q激光器氙燈放電線在t1處出激光。

B－放大器氙燈放電線在t2處達到最大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。泵浦時間匹配的辦法：在各級之間加有觸發(fā)同步電路。由于激光器的工作狀態(tài)受各種條件的影響，因而沒有一固定的經(jīng)驗公式，同步的時間由試驗確定。四、消除不均勻性的影響。放大介質(zhì)尺寸較大。優(yōu)點：增加輸出的能量。缺點：造成光泵不均勻。1.光泵不均勻的后果：①反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不均勻。主要是沿截面分布的不均勻；中心比邊緣的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)小，造成增益不均勻；對光的放大不均勻，輸出的波形畸變。

②放大介質(zhì)的溫度不均勻，因而折射不均勻。中心溫度低n小，引起熱畸變，造成光發(fā)散角的增大。主要是光泵過程中，由于棒的幾何形狀與物質(zhì)的熱傳輸特性造成的光學畸變與應(yīng)力波懷。2.采取的辦法：改變棒的形狀，提高棒的冷卻效果和泵浦均勻。①將放大介質(zhì)做成由幾根棒組成，消除光泵不均勻。（冷卻好，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布好。）②將放大介質(zhì)做成片狀。－片狀激光放大器。把片狀結(jié)構(gòu)的放大介質(zhì)組合起來，采用面泵浦，多燈照明，均勻泵浦，消除熱畸變效應(yīng)和增益不均勻。

4.4雙程和多程放大技術(shù)

上述行波放大器的主要缺點是：由于光信號一次通過放大介質(zhì)，則光信號過后，還可能有剩余的△n。因此能量利用率不高。因此在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了雙程、多程放大技術(shù)。雙程、多程放大器的結(jié)構(gòu)：在行波放大器的末端加一反射鏡。使光束多次通過放大介質(zhì)。一、雙程放大器。1.法拉第雙程放大器。（實際上隔離器）在振蕩器和放大器之間加一個法拉第旋轉(zhuǎn)器，P－偏振器一般采用格蘭棱鏡。P的作用：①起偏器。②輸出鏡,輸出的光是線偏光。光信號兩次通過放大介質(zhì)故稱為雙程放大器。

工作過程：光經(jīng)過偏振器后的偏振光，進入法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振方向順時針方向轉(zhuǎn)動45度，第一次通過放大介質(zhì)，由全反鏡反射后，第二次通過放大介質(zhì)和法拉弟旋轉(zhuǎn)器，偏振方向又順時針旋轉(zhuǎn)45度，不能通過偏振器，從P處輸出。利用法拉第旋轉(zhuǎn)器的雙程放大器的另一種結(jié)構(gòu)如下：

P－偏振器，同時也是輸出鏡。法拉第旋轉(zhuǎn)器使光束的偏振面旋轉(zhuǎn)900

。工作過程:經(jīng)過偏振器的光信號，在放大介質(zhì)中第一次放大后，經(jīng)法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振方向順時針方向轉(zhuǎn)動90度，由全反鏡反射后，第二次通過放大介質(zhì)和法拉弟旋旋轉(zhuǎn)器，偏振方向又順時針旋轉(zhuǎn)90度，從P處輸出。2.雙程片狀放大器。把介質(zhì)做成片狀。由于片狀介質(zhì)可以做的尺寸大。最大幾百毫米。一般采用多級放大器時，把片狀放大器放在末級。工作過程：光信號由全反鏡M1、M6、M3，第一次通過放大介質(zhì)的不同位置，再由全反鏡M4、M5、M2，第二次通過放大介質(zhì)的不同位置，最后輸出4.5再生式放大技術(shù)

上面講的是脈沖行波放大器，局限性：放大倍數(shù)低（一次通過），，可采用多級放大。80年代新發(fā)展的一種再生式放大技術(shù)。再生式放大技術(shù)：將一光束質(zhì)量好的微弱信號注入一個激光振蕩器中，注入的光信號作為一個“種籽”控制激光振蕩的產(chǎn)生，即使激光振蕩是在這個“種籽”的基礎(chǔ)上而不是從噪聲中發(fā)展起來，并得到放大之后輸出腔外，從而得到光束性能優(yōu)良、功率高的激光。一、外注入再生放大定義：由一個主振蕩器產(chǎn)生性能優(yōu)良的微弱信號并注入到另一個從動振蕩器獲得光放大的。(1)從動激光器增益較低，而注入的光信號較強。外注入的信號在與激光器自由振蕩模式的競爭中占優(yōu)勢，從而外注入的信號在從動振蕩器中得到放大，激光振蕩的頻率為外注入信號的頻率。

(2)從動激光器增益較高，而注入的光信號較弱。則注入信號與腔內(nèi)自發(fā)輻射噪聲同時增長，如果注入信號的線寬足夠窄，比從動腔的縱模間隔小得多，則最靠近注入信號的縱模受到激發(fā)與之發(fā)生共振，即注入信號在放大過程中經(jīng)歷一個快速相移而移到最靠近的縱模，并在競爭中占優(yōu)勢。最終輸出激光的頻率由從動激光器決定?！⑷腈i定技術(shù)。(3)影響注入鎖定效果的因素：

a.對注入信號功率密度、失諧量和Q開關(guān)的開啟時間都有一定的要求。若功率密度過低，就會失鎖，不能抑制其他縱模，產(chǎn)生多模振蕩。

b.對于一定的功率密度，失諧量大到一定程度，就會失鎖。注入場的影響減少。c.對一定的注入信號強度和失諧量，將注入信號脈沖峰值與Q開關(guān)打開時間實現(xiàn)最佳匹配，得到最佳效率。腔模匹配-必要條件，泵浦功率和開關(guān)時間-重要條件。二、自注入放大技術(shù)1.定義：利用一臺激光器本身產(chǎn)生"種籽"信號自注入到腔內(nèi)而實現(xiàn)再生放大的。2. 工作過程：在一個退壓調(diào)Q激光器中，插入一個泡克耳斯盒PC2,并以PC2為界分成兩個腔L1、L2，PC2,用于產(chǎn)生注入放大的"種籽"脈沖。在激光振蕩達到峰之前，在PC2上加半波電壓，原處于L1段的偏振光通過PC2一次，偏振方向改變90度，從P處溢出腔外，其他位置的光溜在腔內(nèi)放大。

選取不同的腔參數(shù)L1、L2、L等，可得到不同的輸出脈寬。在調(diào)Q激光達到峰值之前，將注入脈沖電壓加到PC2上，這是獲得序列脈沖輸出的重要條件。種籽“脈沖寬度最小的條件：輸出脈沖寬度?t

小結(jié)：一、放大器的目的及被放大的光的特點：目的：入射信號能量和功率的放大。保持入射信號的原有特點。特點：①能量和功率得到放大。②能保持入射信號的特點。二、輸出光的能量、功率、脈寬與那些因素有關(guān)。分別分小信號、強信號加以討論。三、設(shè)計考慮：

1.消除端面反饋。

原因：自激振蕩－增益下降辦法：放大器兩個端面磨成一定角度。

2.級間隔離。原因：超輻射－影響振蕩級的穩(wěn)定性－降低放大器的效果。辦法：①級間隔離：只允許單方向的光通過。②磁光隔離。③電光隔離。④菲涅爾菱體隔離。3.級間匹配。①能級匹配。②孔徑匹配。③泵浦匹配。4.消除不均勻的影響。原因：光泵不均勻－粒子反轉(zhuǎn)和折射率不均勻造成光束的方向性差，波形畸變。辦法：做成片狀，多根棒的激光器。光纖放大器的應(yīng)用光纖放大器是光通信發(fā)展史上的一個重要里程碑，因為它解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò)距離與傳輸速率的限制，完全擯棄了基于光—電—光轉(zhuǎn)換的昂貴的中繼器，從而可以實現(xiàn)比特率及調(diào)制格式的透明傳輸，升級換代也變得十分容易。高增益、低噪聲系數(shù)、高輸出光功率和較低的非線性失真是光纖放大器的基本要求。激光通訊與微波通訊相比，具有不少獨特的優(yōu)點：

與微波相比，光波頻率高3-5個數(shù)量級，頻率資源豐富得多。激光光束的發(fā)散角比微波波束的發(fā)散角小3-5個數(shù)量級。保密和抗干擾性能極好，這對軍事應(yīng)用十分有利。

光纖放大器的特點和分類光纖激光器和放大器的特點:緊湊;好的熱穩(wěn)定性;輸出衍射極限的光束光纖放大器的種類:

功率放大器:直接用于光發(fā)射器之后,以進一步將光發(fā)射機輸出的光信號加以放大特點:工作在深飽和區(qū)要求保持適中的增益和噪聲系數(shù)下能提供盡可能高的光功率前置放大器:直接用于接收機前以改善接收機的靈敏度.

特點:為低功率器件,工作在小信號的區(qū)域在線放大器:用于2個無源光纖段之間,以增加傳輸距離特點:具有較高的增益和輸出功率還應(yīng)能實現(xiàn)對監(jiān)控信號的接入和取出具有分路的功能,用于多路傳輸系統(tǒng)中,還要具有足夠的增益帶寬

光放大器的分類半導體光放大器摻雜光纖放大器;如EDFA,YDFA,TDFA,非線性光放大器;如光纖拉曼放大器，光纖布里淵放大器，光纖參量放大器

表一：光放大器的性能比較SOA拉曼光纖放大器的特點增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦光源的波長適當，理論上可以得到任意波長的信號放大使拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，對于開發(fā)光纖的整個低損耗區(qū)1270nm-1670nm具有不可替代的作用

增益介質(zhì)為傳輸光纖本身使拉曼放大器可以對光信號進行在線放大，光纖中各處的信號光功率都比較小，降低了非線性效應(yīng)

噪聲系數(shù)低

不同摻雜光纖放大器放大波段Operationrange(nm)Dopantion880∽886Pr3+902∽916Pr3+900∽950Nd3+970∽1200Yb3+1000∽1150

Nd3+

1260∽1350Pr3+1320∽1400Nd3+1460∽1510Tm3+1500∽1600Er3+1700∽2015Tm3+2040∽2080Ho3+不同光纖放大器的放大波段光纖放大器的基本概念和光學元件光纖放大器的基本概念：光纖的損耗增益和噪聲飽和輸出功率：飽和輸出功率是指最大增益下降3dB時對應(yīng)的輸出功率。表示

YDFA從線性增益區(qū)變化到非線性增益區(qū)的轉(zhuǎn)折點。當輸出功率高于飽和輸出功率時，增益隨著輸出光功率的增大而減小其他光學元件：光隔離器光環(huán)行器波分復用器件；波分復用器又可分為棱鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種

光纖光柵摻雜光纖放大器的發(fā)展方向光纖放大器存在的問題：放大器帶寬內(nèi)增益譜不平坦影響多信道放大性能光放大器級聯(lián)應(yīng)用時，ASE噪聲、光纖色散及非線性效應(yīng)的影響會累積這些都影響了光纖放大器的工作特性。發(fā)展方向：特殊波段的光纖放大器

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光子晶體光纖放大器

功率光纖放大器（包括連續(xù)和脈沖信號放大）