第六章-激光放大特性要點(diǎn).ppt

6 1激光放大器的分類(lèi)獲得極高的輸出能量和功率保持振蕩器的光束質(zhì)量降低光學(xué)元件的破壞和損傷一 按照時(shí)間特性分類(lèi)按被放大信號(hào)的脈沖寬度 0 工作物質(zhì)的馳豫時(shí)間相對(duì)大小 激光放大器分類(lèi) 連續(xù)激光放大器 0 T1脈沖激光放大器T2 0 T1超短脈沖放大器T2 0某種狀態(tài)的建立和消亡的過(guò)程稱(chēng)作馳豫過(guò)程由于躍遷使得粒子能級(jí)具有一定壽命 增長(zhǎng)與衰減需要一定馳豫時(shí)間T1 縱向馳豫時(shí)間固體10 3 10 4 氣體10 6 10 9 半導(dǎo)體10 9粒子之間 粒子和晶體 器壁的相互作用是原子的極化 位相發(fā)生無(wú)規(guī)變化 這一過(guò)程稱(chēng)作消相過(guò)程原子極化落后外場(chǎng)的時(shí)間T2 橫向馳豫時(shí)間固體10 11 10 12 氣體10 8 10 9 半導(dǎo)體10 13 第六章激光放大特性 二 按照工作方式分類(lèi)行波激光放大器再生激光放大器 做好模匹配注入鎖定放大器 模匹配 位相鎖定多程放大器對(duì)連續(xù)放大器 增益定義為對(duì)再生放大器單程增益入射光頻率等于增益曲線的中心頻率時(shí) 增益為 當(dāng)入射光頻率偏移增益下降到一半 的增益為單程行波放大器的增益為 IoP0 I l P l l I1 I1 I2 I2 r1 r2 6 2均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性一 輸入信號(hào)強(qiáng)度對(duì)放大器增益的影響對(duì)均勻加寬工作物質(zhì) 工作物質(zhì)的凈增益系數(shù)為被放大信號(hào)的脈沖寬度入射光非常弱 工作物質(zhì)很短 光強(qiáng)遠(yuǎn)小于飽和光強(qiáng) 放大器的小信號(hào)增益為對(duì)功率放大器 運(yùn)行于增益飽和狀態(tài) 單位長(zhǎng)度的增益為對(duì)整個(gè)工作物質(zhì)長(zhǎng)度積分 光強(qiáng)隨長(zhǎng)度的關(guān)系為增益與長(zhǎng)度及入射光頻率的關(guān)系為入射光頻率與工作物質(zhì)增益曲線的中心頻率相等時(shí) 在放大器未過(guò)飽和時(shí) 可以忽略工作物質(zhì)的損耗 對(duì)前一頁(yè)第一個(gè)式子積分取指數(shù) 可得改寫(xiě)成增益和入射功率 出射功率的關(guān)系式飽和功率定義為定義增益下降到小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率為放大器的飽和輸出功率通常小信號(hào)增益遠(yuǎn)大于2 放大器的輸出功率決定于工作物質(zhì)的飽和功率 可在試驗(yàn)上測(cè)定飽和輸出功率 反算求得飽和功率 二 最大輸出強(qiáng)度原則上增加輸入光強(qiáng) 增加工作物質(zhì)的長(zhǎng)度可以無(wú)限制的增加輸出光強(qiáng) 但考慮到工作物質(zhì)的增益系數(shù)隨輸出光強(qiáng)增加而減小 最后凈增益系數(shù)為零的狀況 光強(qiáng)不再增加 可得到放大器的輸出最大光強(qiáng) 歸一化輸出功率P l Ps 歸一化的放大器增益G G0 G0 30dB 15dB 10dB 三 增益譜線及輸出譜線輪廓變窄工作物質(zhì)的增益系數(shù)是頻率的函數(shù) 入射光的頻率與工作物質(zhì)的增益曲線中心頻率相等時(shí) 增益最大 入射光頻率偏移中心頻率 使小信號(hào)增益下降到一半時(shí) 則可得到放大器的增益帶寬忽略工作物質(zhì)的損耗 入射光小信號(hào)增益為若是均勻加寬工作物質(zhì) 可得增益線寬小信號(hào)增益大于4時(shí) 放大器的增益譜寬小于工作物質(zhì)小信號(hào)增益曲線的寬度 增益越高 放大器的增益譜寬越窄大信號(hào)時(shí)入射光偏離中心頻率越大 飽和效應(yīng)越弱 增益譜線寬度隨光強(qiáng)增加而增加 6 3縱向光激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性模型 光纖激光放大器 泵浦光和信號(hào)光在光纖中同向或反向傳輸 工作物質(zhì)按均勻加寬機(jī)制處理 激活粒子為三能級(jí)系統(tǒng)一 輸運(yùn)方程假設(shè)三能級(jí)系統(tǒng)的總量子效率為 忽略光纖損耗 只考慮泵浦光與信號(hào)光同向傳輸列出信號(hào)光和泵浦光強(qiáng)變化的輸運(yùn)方程信號(hào)光泵浦光 為信號(hào)光和泵浦光頻率在穩(wěn)態(tài)條件下 可有 由于 很大在穩(wěn)態(tài)條件下 可有式中歸一化信號(hào)光強(qiáng)及泵浦光強(qiáng)變化的輸運(yùn)方程 分別為光纖中信號(hào)光與泵浦光的小信號(hào)吸收系數(shù)光泵作用下 受激吸收超過(guò)自發(fā)輻射時(shí) 信號(hào)光逐漸增長(zhǎng) 低于自發(fā)輻射時(shí) 信號(hào)光逐漸減弱為衡量信號(hào)光增長(zhǎng)或衰減的閾值泵浦光強(qiáng) 二 小信號(hào)增益特性若光纖放大器中的信號(hào)很弱由歸一化泵浦光強(qiáng)的輸運(yùn)方程可證明放大器輸出端歸一化泵浦光強(qiáng)滿足以下表達(dá)式 為歸一化輸入泵浦光強(qiáng) 為光纖長(zhǎng)度 將前面兩個(gè)歸一化方程相除并積分得 為歸一化輸入信號(hào)光強(qiáng) 將上式中的代入并取指數(shù)得為放大器的小信號(hào)增益再作的代換 可得 以上兩式相乘并取對(duì)數(shù) 小信號(hào)增益的表達(dá)式 可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出小信號(hào)增益等于 所需的輸出泵浦光強(qiáng) 小信號(hào)增益與信號(hào)光強(qiáng)無(wú)關(guān) 但與入射泵浦光強(qiáng) 光纖長(zhǎng)度密切相關(guān) 光纖長(zhǎng)度小于最佳長(zhǎng)度 增益系數(shù)隨長(zhǎng)度增加而增加光纖長(zhǎng)度大于最佳長(zhǎng)度 泵浦功率因吸收下降到閾值泵浦功率以下 長(zhǎng)度增加反而導(dǎo)致增益下降當(dāng) 時(shí) 放大器具有最大增益 歸一化光纖長(zhǎng)度 歸一化小信號(hào)增益 對(duì)上式求導(dǎo) 令 可得 代回小信號(hào)增益表達(dá)式得在一定泵浦光強(qiáng)下 最大增益系數(shù)和最佳光纖長(zhǎng)度為小信號(hào)增益隨輸入泵浦光的增加而增加 但泵浦光過(guò)強(qiáng)時(shí)未被充分吸收的泵浦光從末端逸出 對(duì)提高增益不起作用 三 大信號(hào)增益特性小信號(hào)工作狀態(tài)下可得到較大的增益 適合作前置放大器 對(duì)需要輸出功率的放大器 處于大信號(hào)增益飽和狀態(tài) 曲線平坦部分對(duì)應(yīng)小信號(hào)工作區(qū) 增益下降到 所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱(chēng)為放大器的飽和輸出功率 大信號(hào)時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)式中 飽和光強(qiáng)為 飽和光強(qiáng)與泵浦光強(qiáng)有關(guān) 端泵光纖中每一點(diǎn)的泵浦光強(qiáng)與傳輸距離有關(guān) 導(dǎo)致小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 每點(diǎn)小信號(hào)增益 每點(diǎn)飽和光強(qiáng)隨傳輸距離變化 把歸一化飽和光強(qiáng)兩個(gè)輸運(yùn)方程相除后利用可得可求出最大增益系數(shù) 最大輸出功率和輸入信號(hào)功率及輸入泵浦功率的關(guān)系 歸一化光纖長(zhǎng)度 歸一化最大輸出功率 6 4脈沖激光放大器的增益特性脈沖放大器的工作特性 被放大信號(hào)的脈沖寬度遠(yuǎn)小于放大器的熒光壽命 橫截面內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)均勻分布 工作物質(zhì)為均勻加寬線型 信號(hào)波長(zhǎng)為譜線中心波長(zhǎng) 一 輸運(yùn)方程 工作物質(zhì)截面積為 單位時(shí)間薄層內(nèi)光子數(shù)的增量為單位時(shí)間流過(guò)單位截面的光子數(shù)稱(chēng)為光子流強(qiáng)度為忽略自發(fā)輻射 上能級(jí)系統(tǒng)脈沖行波放大器的輸運(yùn)方程為對(duì)理想四能級(jí)系統(tǒng)脈沖行波放大器反轉(zhuǎn)粒子數(shù)對(duì)時(shí)間變化率輸運(yùn)方程的邊界條件 Io t Jo t zz dz z 二 脈沖放大器的輸出能量及能量增益放大器輸入信號(hào)的能量為壽命遠(yuǎn)大于脈沖寬度 單位面積上輸入總光子數(shù)輸出信號(hào)能量為放大器的能量增益定義為輸出光脈沖能量與輸入光脈沖能量之比對(duì)輸運(yùn)方程兩邊積分得單位面積流過(guò)的光子數(shù)為考慮入射初始狀態(tài) 流過(guò)的光子數(shù)為零 上式可化簡(jiǎn)為對(duì)輸運(yùn)方程中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)方程積分得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨距離的關(guān)系為代入上式得到光子數(shù)輸運(yùn)方程 非線性微分方程 對(duì)小信號(hào)情況 指數(shù)展開(kāi)并忽略二階小量可得單位面積光子數(shù)隨長(zhǎng)度分布及能量增益隨長(zhǎng)度增加而指數(shù)上升對(duì)強(qiáng)信號(hào) 光子流變化單位面積輸出總光子數(shù)當(dāng)傳輸距離超過(guò)一定值時(shí) 增益等于損耗 輸出能量趨于飽和最大輸出光子數(shù)密度與輸入能量無(wú)關(guān) 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)越大 放大器損耗越小 輸出能量越大提高放大器輸出能量最有效的途徑是增加反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和減小損耗當(dāng)損耗極小時(shí) 方程改寫(xiě)為積分得無(wú)損放大器中輸出能量及增益隨放大器長(zhǎng)度增加而增加 脈沖放大器長(zhǎng)度 脈沖放大器輸出能量 三 功率增益與脈沖寬度變窄為分析脈沖放大器的功率和時(shí)間波形直接給出三能級(jí)無(wú)損放大器的非穩(wěn)態(tài)解放大器的功率增益是時(shí)間的函數(shù)設(shè)輸入光脈沖為矩形脈沖當(dāng) 時(shí)當(dāng) 輸入脈沖強(qiáng)度很弱時(shí)間波形保持不變輸入脈沖較強(qiáng)時(shí) 脈沖前沿抽空反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 脈沖后沿增益降低 矩形脈沖變成尖頂脈沖 6 5放大的自發(fā)輻射 ASE 自發(fā)輻射放大器的工作特性 無(wú)諧振腔 腔鏡制造困難 自發(fā)輻射光源具有廣闊的應(yīng)用3 自發(fā)輻射放大光具有較好的空間相干性 時(shí)間相干性差 一 放大的自發(fā)輻射強(qiáng)度工作物質(zhì)一端輸出的自發(fā)