激光原理 第五章 激光放大

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1、一、引言1、实际应用的需要①激光核聚变需要上万焦耳的激光能量②观察非线性光学需要功率强的激光2、一般激光振荡器的缺陷①激光大能量大功率的获得要求工作物质的口径和长度较大，或要求强的泵浦激励，易与相干性好、发散角小等其它指标的高要求相矛盾。②能量和功率过高的激光在腔内来回往返传输时，工作物质易遭到破坏。3、实现高功率高能量的方法——激光放大器第五章激光放大激光放大器分为：连续激光放大器、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器。椭圆柱聚光腔①典型固体激光放大器示意图Laserrod激光振荡器泵浦灯储能器触发器Laserrod泵浦灯储能器触发器延时器②激光放大器的特点a、多数不

2、需要谐振腔镜，为行波放大器。特例：再生放大器。b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。c、振荡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。5.1放大器分类一、按时间特性分类(入射信号脉宽t0及工作物质弛豫时间T)1、分类根据：被放大信号脉宽t0与工作物质弛豫时间T的相对大小关系。2、弛豫时间及分类①弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。②纵向弛豫时间T1：反转粒子数的增长与衰减所需时间。理

3、由：粒子在非基态能级上有有限寿命。10-3~10-4s(固体)10-6~10-9s(气体)~10-9s(半导体)③横向弛豫时间T2：宏观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)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，导致宏观感应电极化消失，此为消相过程。10-11~10-12s(固体)10-8~10-9s(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(1)

4、条件：当激光放大器的输入信号是连续或非调Q激光脉冲时，有t0>T1。(2)特点：由于光信号与工作物质作用时间足够长，因受激辐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、脉冲激光放大器(1)条件：当T2<

5、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、超短脉冲激光放大器当t00工作物质两端面无反射的放大器。要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。增益：8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲周期T<

6、的反射率。要求：入射光需在谐振腔本征频率附近,保证频率匹配。g>0增益：用多光束干涉处理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(1)当时:－最大增益(2)当时:讨论：①可见，仅当入射光频率在谐振腔本征频率附近时，才能得到有效放大。②l、Gs、r越大，得到有效放大所允许的频率范围越窄。③当r1=r2=0时，(行波放大器)，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。5．2均匀激励连续激光放大器的增益特性均匀激励的光放大器，工作物质中的小信号增益系数、小信号反转粒子数密度及饱和光强均

7、为与传输距离无关的常数。1、输入信号强度对放大器增益的影晌小信号增益——前置放大器若入射光信号非常微弱，工作物质短，且：小信号增益:——可用作前置放大器大信号增益(饱和状态)——功率放大器入射光较强，工作物质长，且：目标：求及(显式或隐式)(1)归一化输出光强(2)增益2、最大输出光强3、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄中心频率处增益大，偏离中心频率处增益小，放大器输出光轮廓将比入射光谱线轮廓窄。5.3纵向光激励连续激光放大器增益特性一、连续激光放大器以三能级光纤放大器为例讨论连续激光放大器的增益特性。用纵向泵浦方式，信号光强I(z)(光功率P(z))、泵