ch6-激光放大特性分析
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1 r1r2 Gs 2
－最大增益
(2)当
G
1 2 Gmax
时:
c
1
4 l
r1r2 GS r1r2G s 2
v
14
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。
② l、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。
增益：用多光束干涉处理
设工作物质单程 传输的增益为:
GS
I
2
I1
I1
I
2
经过复杂的推算后得:
G
1 r1 1 r2 Gs
1
r1r2 Gs 2 4
r1r2 Gs
sin
2
2
v
l
c
为入射光频率 二反射面组成的谐振腔的谐振频率
2020/10/16
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(1)当 c
时:
Gm a x
1 r1 1 r2 Gs
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。
10-11~10-12 s (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 脉冲激光
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)
2020/10/16
4
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。
Pl
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： G I l Pl
I0
P0
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8
2、再生放大器：增益工作物质二端面与光传输方
向垂直并有一定的反射率。
要求：入射光需在谐振腔本 征频率附近,保证频率匹配。
r1
r2
I0 P0
g>0 I1
I
2
I1
I
2
I l
Pl
第六章 激光放大特性
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。
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8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲
周期T<<T1，则光放大器工作物质的反转集居数 只在稳定值附近作微小波动。可近似采用稳态
速率方程处理。例：掺铒光纤放大器。
二、 按工作方式分类: 行波放大器及再生放 大器(F-P放大器)
1、行波放大器 工作物质两端面无
I0
I l
P0
g>0
I0(t)
激光工作物质
I1(t)
I0(t)
信号光
掺铒光纤 I1(t)
泵浦灯
聚光器
泵浦光
一、输入信号强度对放大器增益的影响
1、假设条件: 均匀加宽、平均损耗系数α、信号光 频率。 2、工作物质的净增益系数
2020/10/16
11
由P153的4.5.15式再 考虑损耗后得到：
dI z I zdz
g
0 H
3、实现高功率高能量的方法——激光放大器
2020/10/16
1
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
Laser rod
泵浦灯
Laser rod
泵浦灯
储能器
触发器
储能器
触发器
延时器
②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。
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2
b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。
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目标：求 I l I0 及 G G0 (显式或隐式) (1) 归一化输出光强 I l I0
5、脉冲激光放大器
(1)条件：当T2<t0<T1，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。
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6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点
均有T2<t0，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
放大器
放大器
超短脉冲激 光放大器
4、连续激光放大器
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5
(1)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wenku.baidu.com光子数 密度均可到达稳态。可用稳态法处理。
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。速率方程均可用。此
两种放大属于非相干放大。
7、超短脉冲激光放大器 (1)条件：当 t0<T2，如锁模激光脉冲(ps量 级)作为输入信号时。
(2)特点：粒子和光子的相互作用为一种相干放 大作用。要考虑光场相位的影响，会出现许多 新现象：π脉冲、2 π脉冲、自感透明等。速率 方程均不可用，需用半经典理论处理。
1
I z 1 Is
3、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：
I z
Is
I z Is
0
小信号 增益:
G0 I l exp I0
g
0 H
l
——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： I z ~ Is
(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。
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第二节 均匀激励连续激光放大器的增益特性
激励方式: 横向激励，Δn，g0，Is 均为与传输距离
z无关的常数 (固体或半导体光放大器) ；纵向激励，
Δn，g0，Is与传输距离有z 关(光纤放大器)。
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。
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3
第一节 激光放大器的分类
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
－最大增益
(2)当
G
1 2 Gmax
时:
c
1
4 l
r1r2 GS r1r2G s 2
v
14
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。
② l、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。
增益：用多光束干涉处理
设工作物质单程 传输的增益为:
GS
I
2
I1
I1
I
2
经过复杂的推算后得:
G
1 r1 1 r2 Gs
1
r1r2 Gs 2 4
r1r2 Gs
sin
2
2
v
l
c
为入射光频率 二反射面组成的谐振腔的谐振频率
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(1)当 c
时:
Gm a x
1 r1 1 r2 Gs
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。
10-11~10-12 s (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 脉冲激光
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)
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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。
Pl
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： G I l Pl
I0
P0
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2、再生放大器：增益工作物质二端面与光传输方
向垂直并有一定的反射率。
要求：入射光需在谐振腔本 征频率附近,保证频率匹配。
r1
r2
I0 P0
g>0 I1
I
2
I1
I
2
I l
Pl
第六章 激光放大特性
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。
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8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲
周期T<<T1，则光放大器工作物质的反转集居数 只在稳定值附近作微小波动。可近似采用稳态
速率方程处理。例：掺铒光纤放大器。
二、 按工作方式分类: 行波放大器及再生放 大器(F-P放大器)
1、行波放大器 工作物质两端面无
I0
I l
P0
g>0
I0(t)
激光工作物质
I1(t)
I0(t)
信号光
掺铒光纤 I1(t)
泵浦灯
聚光器
泵浦光
一、输入信号强度对放大器增益的影响
1、假设条件: 均匀加宽、平均损耗系数α、信号光 频率。 2、工作物质的净增益系数
2020/10/16
11
由P153的4.5.15式再 考虑损耗后得到：
dI z I zdz
g
0 H
3、实现高功率高能量的方法——激光放大器
2020/10/16
1
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
Laser rod
泵浦灯
Laser rod
泵浦灯
储能器
触发器
储能器
触发器
延时器
②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。
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2
b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。
2020/10/16
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目标：求 I l I0 及 G G0 (显式或隐式) (1) 归一化输出光强 I l I0
5、脉冲激光放大器
(1)条件：当T2<t0<T1，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。
2020/10/16
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6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点
均有T2<t0，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
放大器
放大器
超短脉冲激 光放大器
4、连续激光放大器
2020/10/16
5
(1)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wenku.baidu.com光子数 密度均可到达稳态。可用稳态法处理。
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。速率方程均可用。此
两种放大属于非相干放大。
7、超短脉冲激光放大器 (1)条件：当 t0<T2，如锁模激光脉冲(ps量 级)作为输入信号时。
(2)特点：粒子和光子的相互作用为一种相干放 大作用。要考虑光场相位的影响，会出现许多 新现象：π脉冲、2 π脉冲、自感透明等。速率 方程均不可用，需用半经典理论处理。
1
I z 1 Is
3、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：
I z
Is
I z Is
0
小信号 增益:
G0 I l exp I0
g
0 H
l
——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： I z ~ Is
(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。
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第二节 均匀激励连续激光放大器的增益特性
激励方式: 横向激励，Δn，g0，Is 均为与传输距离
z无关的常数 (固体或半导体光放大器) ；纵向激励，
Δn，g0，Is与传输距离有z 关(光纤放大器)。
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。
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第一节 激光放大器的分类
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