激光放大技术

一、放大技术的目的
目的：提高激光的能量或功率，同时保持其他参数尽量不变 （如偏振态、发散角、单色性等）。
在很多实际应用中要求激光的能量大。比如激光核聚变至少要求高达 上万焦耳的能量。这样高的能量用一般的激光器是不容易达到的。增加工 作物质的尺寸可以提高激光输出的能量，但是又使激光的发散角增大，激 光的模式变坏。有的工作物质不能做成大尺寸的。
(2) 放大级：提高振荡级输出激光的功率或能量-放大
要实现有效的放大，放大级必须满足下面两个条件：
a. 振荡级和放大级的介质能级要匹配 因为放大级的光信号来自于振荡级，因此两者的能级要匹配（工作
物质的能级）才能得到光的放大。如果振荡级的介质是红宝石，产生 6943Å的光，放大介质也必须是红宝石，而不能是YAG等。
2. 结构：
振荡级
同步
放大级
(1) 振荡级：激光器，提供种子光
根据实际应用的要求，如激光的发散角、模式、偏振态、脉宽等选 择合适的激光器。使激光器（振荡级）输出的激光特性满足应用的要求。 由振荡级输出的光作为放大器的信号光。根据振荡级输出激光的脉冲宽 度（或被放大信号的脉宽）不同可分为三种放大器。
为放大级的初始信号，而且振荡级和放大级的工作物质相同。这样的初 始信号经过放大级以后会产生与入射信号同频率，同偏振态的光。因此 光经过放大以后，光的发散角、偏振态、频率等并不变化。
4. 放大器的类型：
a. 行波放大器：信号只经过增益介质一次—一般激光器去掉谐振腔
b. 多程放大器：光信号在工作物质中多次往返通过。因此多程放大器 有谐振腔。这样放大器的反转粒子数比行波放大器利 用充分。因此多程放大器输出的光有可能比行波放大 器能量大。
第四章 激光放大技术
Laser-Amplification Techniques
主讲： 韩 群 副教授
天津大学精密仪器与光电子工程学院
主要内容
4.1 概述 4.2 脉冲激光放大器理论 4.3 放大器的设计考虑 4.4 双程和多程放大技术 4.5 再生放大技术
第四章小结
4.1 概述
一、放大技术的目的 二、激光放大器及其分类
0
t'
dt' 从前沿通过x直到ˊt t x 时刻,通过x处单位截面积的入射光子数 c
从上式看出：在放大器中(x, t)处的光强与放大介质的反转粒子数和入 射的光强强弱有关。关系比较复杂。（与入射信号波形I0(t)、入射信号到 达x处通过的总△n即入射信号通过的总粒子数有关。)
解方程的目的：讨论脉冲光信号经过放大器，能量、功率和波形等 的变化。根据实际脉冲波形（边界条件），利用(4.2-9)可进行相关讨论。
对很多应用不但要求激光能量要高，而且激光的偏振态，发散角，模 式都有一定的要求。比如全息照相需要一个高相干光源，因此要求激光具 有单色性，要求一个纵模。增大激光介质的尺寸，不利于选纵模。有些应 用靠增加工作物质的尺寸是满足不了要求的。
激光放大技术：既可以提高激光输出的能量或功率，又不改变激光的偏振 态，发散角，单色性等。
x,t
dx dt t
光子数变化的原因：
① 在dt 时间内流入和流出dx体积的光子数不等
在dt 时间内在x 处流入dx体积元的光子数为： x, t cdt 在dt 时间内在x+dx 处流出dx体积元的光子数为： x dx, t cdt 因此在dt 时间净流入dx体积元的光子数为： x, t x dx, t cdt
I 光子流强度：单位时间流过单位横截面积的光子数。 粒子数速率方程可表为：
三能级: 四能级:
n( x, t ) 2n( x, t )I ( x, t )（ 4.2-3）
t
n( x, t ) n( x, t )I ( x, t )（ 4.2-4）
在dt 时间dx体积元中光子数的增加为以上三项之和：

x,
t
t

dxdt



x,
t




x

dx,
t


cdt


cn
x,
t



x,
t

dxdt



x,
t

cdxdt
上式两边乘以c，再除以dxdt，并利用光子流强度定义I x, t = x, t c，则：
① 长脉冲放大器：一般振荡级是连续或普通脉冲激光器， ~10-3s
脉宽 T1
T1：放大介质中激发态粒子辐射跃迁的驰豫时间，称为纵向驰豫时间。 纵向弛豫时间：激发态的粒子所在的能级有一定的寿命，因此产生辐射跃 迁有一定的滞后时间。T1的值随放大介质而异。对固体激光器由亚稳态寿 命决定~10-3s；气体/半导体激光器由允许的跃迁能级寿命决定~10-6-10-8s.
(1) 反转粒子数密度变化的速率方程
设 t 时刻，x 处的反转粒子数和光子数密度分别为 n(x,t)和 (x,t)。
利用《激光原理》中建立的速率方程（忽略光泵和自发辐射的影响）
三能级:
n( x, t ) t

2c
21n(
x, t ) ( x, t )（ 4.2-1）
I x,t I x,t c cn x,t I x,t I x,t c
t
x
上式对三能级、四能级系统均适用。
4.2-6
综上，脉冲放大器中粒子数密度和光子流强度满足的速率方程为：
三能级
n x, t 2n x, t I x, t
② 由于受激辐射使dx体积元内光子数的增加
在dt 时间dx体积元中由于受激辐射增加的光子数为： cn x, t x, t dxdt
③ 放大介质的吸收和散射引起的光子数减少
设工作物质的损耗系数是 （单位长度损耗光子的百分数），则
在dt 时间dx体积元中损耗的光子数为： x, t dx cdt

I x,t c cn x,t I x,t
I x,tc
t
x
② 初始边界条件：设入射的信号在t =0时进入放大器（t 表示前沿时间）
I 0,t ＝I0 t
x 0 时间t的函数
n x, t 0＝n0 x 0<x L 信号进入前n是x的函数
四能级:
n( x, t ) t


32cn( x, t ) (
x, t )（ 4.2-2）
式中： σ32、 σ21 –介质的发射截面， c –光在放大介质中的速度
I x, t = x, t c I x, t ch 光强
二、激光放大器及其分类
1. 激光放大器：利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。
根据定义可以看出：激光放大器也是基于受激辐射光放大，与激光器基 于同一物理过程，都有增益介质、泵源。与激光器不同的是：一般激光器的 初始光信号是自发辐射的光，而放大器的初始信号是激光器输出的激光；放 大器一般没有谐振腔。行波放大器实际上就是激光器去掉谐振腔后的装置。
c. 再生放大器：用一光束质量好的微弱信号注入到激光器中，它作为 一个“种籽”控制激光振荡产生，并得到放大。
4.2 脉冲激光放大器理论
一、脉冲放大器的速率方程及其解（行波） 二、放大后激光参数的变化
一、脉冲放大器的速率方程及其解（行波）
在建立速率方程时为了使问题简化，做如下假设： ① 由于入射信号的脉宽（10-8 s）远小于放大器的荧光寿命（红宝石上能
钕玻璃激光放大器：由于四能级系统粒子反转快，所以放大级和振 荡级的泵浦时间可以相同。
延迟时间主要通过试验来确定：以激光放大器输出的能量最高的延 迟时间为最佳延迟时间。
3. 放大器的特点：
a. 能量和功率得到放大 –相对振荡级—目的
b. 放大后的激光保持入射光的特点—要求 振荡级输出的激光除功率/能量外其他参数满足实际应用要求，它做
t
(2) 光子数密度变化的速率方程
出发点：放大介质内光子密度是时间t , x的函数。取dx体积元，讨论dx内 光子密度的变化。
光子密度在横截面内均匀分布，横截面积取为1，长度dx ，体积dx， 光子密度变化的速率为：
x, t — 单位时间单位体积光子变化数
t 则在dx体积dt时间内光子的变化（增加）
I0 I0
t t

I0 0

n0

x


n0
0 t t 0或t
方程的解（分离变量法，求解过程从略，教材第三版p162-163）
x
I x,t
I0(t c )
1
1 exp
x
0 n0
x'
dx'


exp 2

t x
Ic
0
t'
dt
'


4.2-9
级寿命200s）因此在脉冲信号通过放大器时， 可忽略光泵和自发辐射对反转粒子数的影响，只考虑受激辐射过程。 ② 放大器的工作物质在横截面内的反转粒子数均匀分布。 ③ 忽略介质的谱线宽度和线型的影响。
1. 速率方程（反转粒子数和光子数变化的方程）的建立
假设工作物质在脉冲信号入射前的初始反转粒子数△n0(x)， 光信号 沿x方向传播。 由于光在工作物质中行进的过程中不断地激发处于激发态 的粒子，使放大介质产生受激辐射过程，因而光得到放大，反转粒子数 不断消耗。即介质中不同的位置、不同的时间，反转粒子数和光子密度 不同—即它们是 t 和 x 的函数。
b. 放大介质处于粒子反转状态 即振荡级输出的光信号进入放大级时，放大介质处于粒子反转状