第六章_激光放大特性要点
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某种状态的建立和消亡的过程称作驰豫过程 由于跃迁使得粒子能级具有一定寿命，增长与衰减需要一定驰豫时间T1——纵向驰豫时间
固体10-3~10-4，气体10-6~10-9，半导体10-9 粒子之间，粒子和晶体，器壁的相互作用是原子的极化、位相发生无规变化，这一过程 称作消相过程原子极化落后外场的时间T2 ——横向驰豫时间 固体10-11~10-12，气体10-8~10-9，半导体10-13
r1 I1+ Io P0 I2+
r2 I（l） P （ l） l I2-
I1-
对再生放大器单程增益
2 l (1 r1r2 Gs ) 2 4 r1r2 Gs sin 2 ( 0 ) 当入射光频率偏移增益下降到一半，的增益为 (1 r1 )(1 r2 )Gs G (1 r1r2 Gs ) 2 (1 r1r2 Gs ) 2 4 l (r1r2Gs2 )
对整个工作物质长度积分，光强随长度的关系为
0 0 I (l ) ( ) [1 I (l ) / I s ( )] gH ( ) g H 0 ln [ g ( ) ] l ln H 0 gH ( ) [1 I 0 / I s ( )] I0
0
改写成增益和入射功率、出射功率的关系式
饱和功率定义为
(G 1) P(l ) P G G 0 exp (G 1) 0 G 0 exp P ( ) GP ( ) s s Ps ( ) AI s ( )
定义增益下降到小信号增益一半时的输出功率为放大器的饱和输出功率
在放大器未过饱和时，可以忽略工作物质的损耗，对前一页第一个式子积分
ln
取指数，可得
I (l ) I (l ) I 0 g 0 ( )l I0 I s ( )
(G 1) I (l ) I0 0 G G exp (G 1) G exp I ( ) GI s ( ) s
二、按照工作方式分类
• 行波激光放大器 • 再生激光放大器 ——做好模匹配 • 注入锁定放大器——模匹配+位相锁定 • 多程放大器 I (l ) P (l ) G 对连续放大器，增益定义为 I0 P0
I2 I1 Gs I1 I 2 入射光频率等于增益曲线的中心频率时，增益为：
若是均匀加宽工作物质，可得增益线宽
H
ln 2 ln 2 H g ml ln 2 ln G 0 ( 0 ) ln 2
小信号增益大于4时，放大器的增益谱宽小于工作物质小信号增益曲线的 宽度，增益越高，放大器的增益谱宽越窄 大信号时入射光偏离中心频率越大，饱和效应越弱，增益谱线宽度随光强 增加而增加。
1 4
G
(1 r1 )(1 r2 )Gs
c
单程行波放大器的增益为
G Gs
6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性
一、输入信号强度对放大器增益的影响
对均匀加宽工作物质，工作物质的净增益系数为 dI ( z ) 被放大信号的脉冲宽度
I (z) 0 g gH ( ) 1 I ( z )dz I s ( )
0 gH ( ) dI ( z ) 0 I ( z )dz I ( z) 1 I ( ) s
可得到放大器的输出最大光强
0 gH ( ) I m I s ( ) 1
归一化的放大器增益G / G0
10dB G0=30dB 15dB
第六章
6.1 激光放大器的分类
获得极高的输出能量和功率 保持振荡器的光束质量 降低光学元件的破坏和损伤
激光放大特性
一、按照时间 特性分类 按被放大信号的脉冲宽度τ0 ,工作物质的驰豫时间相对大小，激光放大器分类： • 连续激光放大器 τ 0 > T1 • 脉冲激光放大器 T2 ≤ τ 0 ＜ T1 • 超短脉冲放大器 T2 ～ τ 0
增益与长度及入射光频率的关系为
0 0 G gH ( ) [1 I (l ) / I s ( )] ( ) g H ln ln 0 g H ( ) [1 I 0 / I s ( )] G0
入射光频率与工作物质增益曲线的中心频率相等时
G ( 0 ) g m g m [1 I (l ) / I s ] ln ln G ( ) g m [1 I 0 / I s ] 0 0
G 0 ln 2 Psat (l ) 0 Ps ( ) G 2
通常小信号增益远大于2，
Psat (l ) (ln 2) Ps ( )
放大器的输出功率决定于工作物质的饱和功率，可在试验上测定饱和输出功率， 反算求得饱和功率
二、最大输出强度
原则上增加输入光强，增加工作物质的长度可以无限制的增加输出光强，，但考虑到 工作物质的增益系数随输出光强增加而wk.baidu.com小，最后净增益系数为零的状况，光强 不再增加，
归一化输出功率P(l)/Ps(ν)
三、增益谱线及输出谱线轮廓 变窄
工作物质的增益系数是频率的函数，入射光的频率与工作物质的增益曲线 中心频率相等时，增益最大，入射光频率偏移中心频率，使小信号增益下降到 一半时，则可得到放大器的增益带宽 忽略工作物质的损耗，入射光小信号增益为
G 0 ( ) exp[ g 0 ( )l ]
1
入射光非常弱，工作物质很短，光强远小于饱和光强，放大器的小信号增益为
I (l ) 0 exp [ g H ( ) ]l I 0 对功率放大器，运行于增益饱和状态，单位长度的增益为 G0
0 gH ( )dz
[1 I ( z ) / I s ( )]dI ( z ) 0 I ( z ) 1 [1 I ( z ) / I s ( )] / g H ( )
固体10-3~10-4，气体10-6~10-9，半导体10-9 粒子之间，粒子和晶体，器壁的相互作用是原子的极化、位相发生无规变化，这一过程 称作消相过程原子极化落后外场的时间T2 ——横向驰豫时间 固体10-11~10-12，气体10-8~10-9，半导体10-13
r1 I1+ Io P0 I2+
r2 I（l） P （ l） l I2-
I1-
对再生放大器单程增益
2 l (1 r1r2 Gs ) 2 4 r1r2 Gs sin 2 ( 0 ) 当入射光频率偏移增益下降到一半，的增益为 (1 r1 )(1 r2 )Gs G (1 r1r2 Gs ) 2 (1 r1r2 Gs ) 2 4 l (r1r2Gs2 )
对整个工作物质长度积分，光强随长度的关系为
0 0 I (l ) ( ) [1 I (l ) / I s ( )] gH ( ) g H 0 ln [ g ( ) ] l ln H 0 gH ( ) [1 I 0 / I s ( )] I0
0
改写成增益和入射功率、出射功率的关系式
饱和功率定义为
(G 1) P(l ) P G G 0 exp (G 1) 0 G 0 exp P ( ) GP ( ) s s Ps ( ) AI s ( )
定义增益下降到小信号增益一半时的输出功率为放大器的饱和输出功率
在放大器未过饱和时，可以忽略工作物质的损耗，对前一页第一个式子积分
ln
取指数，可得
I (l ) I (l ) I 0 g 0 ( )l I0 I s ( )
(G 1) I (l ) I0 0 G G exp (G 1) G exp I ( ) GI s ( ) s
二、按照工作方式分类
• 行波激光放大器 • 再生激光放大器 ——做好模匹配 • 注入锁定放大器——模匹配+位相锁定 • 多程放大器 I (l ) P (l ) G 对连续放大器，增益定义为 I0 P0
I2 I1 Gs I1 I 2 入射光频率等于增益曲线的中心频率时，增益为：
若是均匀加宽工作物质，可得增益线宽
H
ln 2 ln 2 H g ml ln 2 ln G 0 ( 0 ) ln 2
小信号增益大于4时，放大器的增益谱宽小于工作物质小信号增益曲线的 宽度，增益越高，放大器的增益谱宽越窄 大信号时入射光偏离中心频率越大，饱和效应越弱，增益谱线宽度随光强 增加而增加。
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G
(1 r1 )(1 r2 )Gs
c
单程行波放大器的增益为
G Gs
6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性
一、输入信号强度对放大器增益的影响
对均匀加宽工作物质，工作物质的净增益系数为 dI ( z ) 被放大信号的脉冲宽度
I (z) 0 g gH ( ) 1 I ( z )dz I s ( )
0 gH ( ) dI ( z ) 0 I ( z )dz I ( z) 1 I ( ) s
可得到放大器的输出最大光强
0 gH ( ) I m I s ( ) 1
归一化的放大器增益G / G0
10dB G0=30dB 15dB
第六章
6.1 激光放大器的分类
获得极高的输出能量和功率 保持振荡器的光束质量 降低光学元件的破坏和损伤
激光放大特性
一、按照时间 特性分类 按被放大信号的脉冲宽度τ0 ,工作物质的驰豫时间相对大小，激光放大器分类： • 连续激光放大器 τ 0 > T1 • 脉冲激光放大器 T2 ≤ τ 0 ＜ T1 • 超短脉冲放大器 T2 ～ τ 0
增益与长度及入射光频率的关系为
0 0 G gH ( ) [1 I (l ) / I s ( )] ( ) g H ln ln 0 g H ( ) [1 I 0 / I s ( )] G0
入射光频率与工作物质增益曲线的中心频率相等时
G ( 0 ) g m g m [1 I (l ) / I s ] ln ln G ( ) g m [1 I 0 / I s ] 0 0
G 0 ln 2 Psat (l ) 0 Ps ( ) G 2
通常小信号增益远大于2，
Psat (l ) (ln 2) Ps ( )
放大器的输出功率决定于工作物质的饱和功率，可在试验上测定饱和输出功率， 反算求得饱和功率
二、最大输出强度
原则上增加输入光强，增加工作物质的长度可以无限制的增加输出光强，，但考虑到 工作物质的增益系数随输出光强增加而wk.baidu.com小，最后净增益系数为零的状况，光强 不再增加，
归一化输出功率P(l)/Ps(ν)
三、增益谱线及输出谱线轮廓 变窄
工作物质的增益系数是频率的函数，入射光的频率与工作物质的增益曲线 中心频率相等时，增益最大，入射光频率偏移中心频率，使小信号增益下降到 一半时，则可得到放大器的增益带宽 忽略工作物质的损耗，入射光小信号增益为
G 0 ( ) exp[ g 0 ( )l ]
1
入射光非常弱，工作物质很短，光强远小于饱和光强，放大器的小信号增益为
I (l ) 0 exp [ g H ( ) ]l I 0 对功率放大器，运行于增益饱和状态，单位长度的增益为 G0
0 gH ( )dz
[1 I ( z ) / I s ( )]dI ( z ) 0 I ( z ) 1 [1 I ( z ) / I s ( )] / g H ( )