激光放大特性实用教案

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1、典型(dinxng)(dinxng)固体激光放大器示意图Laser rod激光(jgung)振荡器泵浦灯储能(ch nn)器触发器Laser rod泵浦灯储能器触发器延时器激光放大器的特点a、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。特例：再生放大器。第1页/共18页第一页，共19页。b、因一次性通过(tnggu)工作物质，故不易破坏工作物质。c、振荡(zhndng)级和放大级有机结合可使高的光束质量和高的能量功率兼得。d、振荡(zhndng)级和放大级的匹配需要时间延迟电路。e、激光放大器中存在放大的自发辐射(ASE) ，其功率大，线宽窄于自发辐射，具有一定的方向性，也可利用，但在激光放大器中为噪声

2、。第2页/共18页第二页，共19页。第一节 激光(jgung)放大器的分类一、按时间特性分类 (入射信号(xnho)脉宽t0 及工作物质弛豫时间T )1、分类根据： 被放大信号脉宽t0 与工作(gngzu)物质弛豫时间T的相对大小关系。2 2、弛豫时间及分类弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。 纵向弛豫时间T1：反转粒子数的增长与衰减所需时间。理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。10-310-4s(固体)10-610-9s(气体) 10-9s(半导体)第3页/共18页第三页，共19页。横向弛豫时间T2：宏观(hnggun)感应电极化的产生和消亡不是瞬时的。极化强度P(z, t)较E(z, t)

3、落后的时间T2即是横向弛豫时间。理由：一方面, ,在电磁场作用下, ,工作物质原子产生的感应电矩和电磁场同相。另一方面，由于碰撞以及晶格振动会使感应电矩的相位无规变化，导致宏观(hnggun)(hnggun)感应电极化消失，此为消相过程。10-1110-12 s (固体(gt)10-810-9s(气体)10-13s (半导体)3、激光放大器的分类连续激光放大器脉冲激光放大器超短脉冲激光放大器4、连续激光放大器第4页/共18页第四页，共19页。(1)条件(tiojin)：当激光放大器的输入信号是连续或非调Q激光脉冲时，有t0T1。(2)特点：由于(yuy)光信号与工作物质作用时间足够长，因受激辐

4、射而消耗的反转集居数来得及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数密度均可到达稳态。可用稳态法处理。5、脉冲(michng)激光放大器(1)条件：当T2t0T1，如调Q激光脉冲作为输入信号时。(2)特点：因受激辐射而消耗的反转集居数来不及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数密度达不到稳态。需用非稳态法处理。第5页/共18页第五页，共19页。6、连续激光(jgung)放大器与脉冲激光(jgung)放大器的共同点均有T2t0，可不计粒子和光子相互作用的弛豫过程，粒子在光场作用下产生的P所需时间(shjin)T2可忽略，无滞后效应，可忽略粒子和光场相互作用的相位关系。可用速率方程。7、超短脉

5、冲(michng)激光放大器当 t000I lI0P lP工作物质(wzh)两端面无反射的放大器。要求：只要求入射光频率在增益(zngy)介质谱线范围内。增益：8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲周期T0增益：用多光束干涉(gnsh)处理设工作物质单程传输的增益为:经过复杂的推算后得:为入射光频率二反射面组成的谐振腔的谐振频率第8页/共18页第八页，共19页。(1)当 时:最大增益(zngy)(2)当 时:讨论：可见，仅当入射光频率在谐振腔本征 频率附近时，才能得到(d do)有效放大。 l、Gs、r 越大，得到(d do)有效放大所允许的频率范 围越窄。 当 r1=r2=0时，(行波放

6、大器)，则 G=Gs。(3) 再生放大器的优缺点优点: 可获得较高的增益。缺点: 频率匹配技术复杂。第9页/共18页第九页，共19页。第二节 均匀激励连续激光放大器的增益(zngy)(zngy)特性激励方式: : 横向激励，nn，g0g0，Is Is 均为与传输距离(jl)z(jl)z无关的常数 ( (固体或半导体光放大器) ) ；纵向激励， n n，g0g0，IsIs与传输距离(jl)(jl)有z z 关( (光纤放大器) )。 一、输入(shr)信号强度对放大器增益的影响I0(t)I1(t)聚光器聚光器泵浦灯泵浦灯激光工作物质激光工作物质泵浦光泵浦光信号光信号光I0(t)I1(t)掺铒光纤

7、掺铒光纤1、假设条件: 均匀加宽、平均损耗系数、信号光频率 。 2、工作物质的净增益系数第10页/共18页第十页，共19页。由4.4.15式再考虑(kol)损耗后得到： 3、小信号增益(zngy)前置放大器若入射光信号非常微弱(wiru)，工作物质短，且：小信号增益:可用作前置放大器 4、大信号增益(饱和状态)功率放大器入射光较强，工作物质长，且：第11页/共18页第十一页，共19页。目标(mbio)：求 及 (显式或隐式)(1) 归一化输出(shch)光强 (6.2.3式) (2) 增益(zngy) (6.2.4) 第12页/共18页第十二页，共19页。可见，已知 、 、 、 、 值，则可由

8、式(623)或 (624)求出输出(shch)光强及放大器增益。(3) 两种特例(tl) a、 当 时 b、 当 时 ，如在在气体工作物质中， 或在其它未达重度饱和的工作物质中，由于 ，可忽略损耗(snho)影响。则： (6.2.7) 第13页/共18页第十三页，共19页。改写(6.2.7式)为 输出(shch)光功率和入射光功率的关系式 ： 其中(qzhng)： 规律(gul)： ，见图6.2.1。第14页/共18页第十四页，共19页。二、最大输出(shch)光强和最大输出(shch)功率 由于增益饱和，当输入(shr)信号光很强或放大器很长，放大器增益系数会下降，净增益系数为0，光强不再增

9、加。此时对应的输出光强为最大。第15页/共18页第十五页，共19页。三、增益谱宽及输出(shch)谱线轮廓变窄1 1、( (无损) )小信号(xnho)(xnho)均匀加宽光放大器第16页/共18页第十六页，共19页。时， d d D D H ，且G0( ) d d ，单色性变好。2、无损(w sn)大信号均匀加宽光放大器中心频率处饱和效应强，偏离(pinl)中心频率饱和减弱。有： I (l) H。说明：对于非均匀加宽工作(gngzu)物质构成的放大器，可采用类似的理论处理方法。第17页/共18页第十七页，共19页。谢谢您的观看(gunkn)！第18页/共18页第十八页，共19页。NoImage内容(nirng)总结典型固体激光放大器示意图。纵向弛豫时间T1：反转(fn zhun)粒子数的增长与衰减所需时间。理由：一方面,在电磁场作用下,工作物质原子产生的感应电矩和电磁场同相。(1)条件：当T2t0T1，如调Q激光脉冲作为输入信号时。要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。3、小信号增益前置放大器。可用作前置放大器。4、大信号增益(饱和状态)功率放大器。二、最大输出光强和最大输出功率。谢谢您的观看第十九页，共19页。