激光原理第五章

激光原理与技术
图 掺铒光纤放大器的增益饱和特性
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当泵浦光功率一定时, 当泵浦光功率一定时,若光纤长度等 于最佳长度, 于最佳长度,则光放大器具有最大增 相应的最大输出光功率为P 由 益G0,相应的最大输出光功率为 m,由 此可求出Gm及相应的 和入信号光 及相应的Pm和入信号光 此可求出 及相应的 功率P0及泵浦光功率 的关系. 及泵浦光功率Pp的关系 功率 及泵浦光功率 的关系. 以上分析是针对纵向泵浦的光纤放 大器, 大器,增益饱和特性对其他连续激光 放大器也有普遍意义. 放大器也有普遍意义.
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I (z)>γ
' p
信号光逐 渐增长 信号光逐 渐减弱
I pth = γ
hvp
σ13(vp )τs
I (z) <γ
' p
信号光增长或 衰减的阀值泵 浦光强
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二.小信号增益 小信号增益
若光纤放大器中信号光很弱,则放大器小 若光纤放大器中信号光很弱 则放大器小 信号增益G 与信号光强无关, 信号增益 0与信号光强无关,但和入射泵 浦光光强及掺杂光纤长度有密切关系. 浦光光强及掺杂光纤长度有密切关系.
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在分析脉冲放大器的工作特性时,假设: 在分析脉冲放大器的工作特性时,假设: ①入射信号脉宽远小于放大器的荧光寿命, 入射信号脉宽远小于放大器的荧光寿命, 忽略在这样短的时间内光泵抽运和自发辐 射对反转集居数的影响. 射对反转集居数的影响.在连续波放大器 它们的影响是不能忽略的. 中,它们的影响是不能忽略的. ②在工作物质横截面内的反转集居数均匀 分布. 分布. 3,工作物质谱线是均匀加宽线型,入射信 ,工作物质谱线是均匀加宽线型, 号波长为谱线中心波长. 号波长为谱线中心波长.
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归一化小信号增益和归一化掺铒光纤长度关系曲线
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归一化小信号增益和归一化泵浦功率关系曲线
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小信号增益G 随泵浦光功率的增加而增大, 小信号增益 0随泵浦光功率的增加而增大, 当光纤长度一定时,泵浦光过强, 当光纤长度一定时,泵浦光过强,未被充 分吸收的过剩泵浦光能量从输出端逸出, 分吸收的过剩泵浦光能量从输出端逸出, 对提高放大器的增益不起作用. 对提高放大器的增益不起作用.
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5.2 纵向光激励连续激光放大器增益特性
一,连续激光放大器
I (l ) P (l ) G = = I0 P0
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 的增益特性.用纵向泵浦方式,信号光强 光 功率P(z)),泵浦光强I (z)(光功率 (z))及小信号 光功率P 功率P(z)),泵浦光强Ip(z)(光功率PP(z))及小信号 反转集居数密度均随光传播距离z变化 变化. 反转集居数密度均随光传播距离 变化. 不考虑激活离子的横向分布, 不考虑激活离子的横向分布,假设 f1=f2,ηF= , 1.忽略光纤的损耗,只考虑泵浦光与信号光同 .忽略光纤的损耗, 向传输的工作方式. 向传输的工作方式.列出描述信号和泵浦光强变 化的输运方程.
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5.1 放大器分类
一,放大器按时间分类
连续激光放大器:当激光放大器的输入信号 连续激光放大器 当激光放大器的输入信号 是连续波或非调Q激光脉冲时 激光脉冲时τ 是连续波或非调 激光脉冲时τ0>T1 ,光信 号与工作物质相互作用时间足够长, 号与工作物质相互作用时间足够长,因受 激辐射所消耗的反转集居数来得及由泵浦 抽运补充, 抽运补充,反转集居数及腔内光子数密度 可以到达稳态数值而不随时间变化可以用 稳态方法研究放大过程. 稳态方法研究放大过程.连续放大器用稳 态速率方程分析. 态速率方程分析.
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一.输运方程 输运方程 时刻光脉冲信号I 初始反转集居数n0,在t=0时刻光脉冲信号 0(t) 在 时刻光脉冲信号 沿着z轴方向射入 轴方向射入. 沿着 轴方向射入.光信号在行进过程中不断被 放大,反转集居数不断被消耗, 放大,反转集居数不断被消耗,单位体积中的 反转聚居数及光子数分别为n(z,t)及N(z,t) 及
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第五章 激光放大
输出极高的功率或能量:大大增加激光工作物 输出极高的功率或能量 大大增加激光工作物 质的体积, 质的体积,但制造光学均匀性好的大体积固体激 光材料却十分困难. 光材料却十分困难.而且大功率或大能量激光振 荡器往往难以产生性能优良的激光束. 荡器往往难以产生性能优良的激光束. 谐振腔内高功率(能量 激光束的往返传输还会使 谐振腔内高功率 能量)激光束的往返传输还会使 能量 腔内工作物质和光学元件遭到破坏. 腔内工作物质和光学元件遭到破坏.常用一级或 多级激光放大器将小功率(能量 能量)激光器输出的优 多级激光放大器将小功率 能量 激光器输出的优 质激光束放大. 质激光束放大. 光通信中, 光通信中,激光放大器补偿光纤传输或分路损 提高接收机灵敏度. 耗,提高接收机灵敏度.
' p
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d I P '( z ) I '( z ) + 1 β p I p '( z ) = ' dz I p ( z ) + (1 + γ ) I '( z ) + 1
β = nσ12(v), βp = n3σ13(vp)
掺杂光纤中信号光和泵浦光的小信号吸 收系数, 收系数,泵浦光沿着光的传输方向因被吸 收而逐渐衰减. 收而逐渐衰减
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上式中n为光纤中掺杂 离子数密度. 上式中 为光纤中掺杂(Er 3+)离子数密度.S32很大 为光纤中掺杂 离子数密度
n3 ≈ 0, n( z) =
I ( z) γ
' p
I ( z) + (1 + γ ) I '( z) + 1
' p
n
I '( z ) + 1 n1 ( z ) = ' n I p ( z ) + (1 + γ ) I '( z ) + 1
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三.饱和增益和输出功率
小信号工作状态下虽能得到较大的增益, 小信号工作状态下虽能得到较大的增益, 但光放大器的输出光功率很小, 但光放大器的输出光功率很小,只适于用 作前置放大器. 作前置放大器.对于需要输出相当光功率 的光纤放大器, 的光纤放大器,通常工作于大信号增益饱 和状态. 和状态.
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脉冲激光放大器: 脉冲激光放大器:输入信号脉宽满足 T2<<τ0<<T1,受激辐射而消耗的反转集居 τ 数来不及由泵浦抽运补充, 数来不及由泵浦抽运补充,反转集居数和 光子数在很短的相互作用期间内达不到稳 定状态. 定状态.用非稳态速率方程研究 超短脉冲激光放大器:输入信号为调 脉 超短脉冲激光放大器:输入信号为调Q脉 冲(10一50ns)时.输入信号是锁模激光 一 时 器所产生的脉宽10 器所产生的脉宽 -11一10-14s的超短脉冲 的超短脉冲 必须用半经典理论处理. 时,必须用半经典理论处理.
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归一化信号输入/ 图 归一化信号输入/输出光功率特性
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5.3脉冲激光放大器的增益特性 脉冲激光放大器的增益特性 脉冲激光放大器的工作特性.主要为: 脉冲激光放大器的工作特性.主要为: 1.放大器的增益与长度 ,初始反转集居 放大器的增益与长度l, 放大器的增益与长度 与输入信号能量的关系. 数n0与输入信号能量的关系. 2.输出脉冲的波形. 输出脉冲的波形.Hale Waihona Puke Baidu输出脉冲的波形
N ( z, t ) Sdzdt = [ N ( z, t ) N ( z + dz, t )]Svdt + t σ 21vn( z, t ) N ( z, t )Sdzdt avN ( z, t )Sdzdt
J (z, t) = N(z, t)v
光子流强度
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描述J( , 及 描述 (z,t)及n(z,t)变化的方程称作脉冲行波放 变化的方程称作脉冲行波放 输运方程. 大器的输运方程 大器的输运方程.光泵及自发辐射的影响在短脉冲 作用时可忽略不计, 作用时可忽略不计, f1=f2,ηF=1可得到三能级系 , 可得到三能级系 统脉冲行波放大器的输运方程
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输出信号光功率Pl和输入信号光功率 . 输出信号光功率 和输入信号光功率P. 和输入信号光功率 的关系曲线呈饱和状, 的关系曲线呈饱和状,光放大器的增益将 随输出光功率P(l)增加而下降.曲线的平坦 增加而下降. 随输出光功率 增加而下降 部分对应于小信号工作区, 部分对应于小信号工作区,增益较小信号 增益下降3dB所对应的输出功率称作光放大 增益下降 所对应的输出功率称作光放大 器的饱和输出功率, 器的饱和输出功率,它表征光放大器的高 功率输出能力. 功率输出能力.
I '(z) = I (z)/[hv / σ 21(v)τ s ] I p '(z) = I p (z)/[hv / σ13 (vp )τ s ]
描述归一化信号光强及泵浦光强变化的输运方程
I (z) γ β d I '( z ) = ' I '( z ) dz I p ( z ) + (1 + γ ) I '( z ) + 1 γ
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消相过程:在电磁场的作用下, 消相过程:在电磁场的作用下,原子产生 的感应电矩和电磁场同相. 的感应电矩和电磁场同相.而粒子间或粒 子与管壁间的碰撞以及晶格振动引起的粒 子跃迁频率的变化使原子感应电矩的相位 发生无规变化, 发生无规变化,从而导致宏观感应极化的 消失的过程. 消失的过程. 横向弛豫时间: 横向弛豫时间:宏观感应电极化的产生和 消亡都不是瞬时的,P(z,t)较E(z,t)落后的 消亡都不是瞬时的, 较 落后的 时间T 时间 2.
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dI (z) = n(z)σ21(v)I (z) dz
dIP(z) =n(z)σ13(vp)n3(z)σ31(vp)]Ip(z) [1 dz
稳态速率方程为
dn3 ( z ) = [n1 ( z )σ 13 (v p ) n3 ( z )σ 31 (v p )] n3 S32 = 0 dz dn2 ( z ) I ( z ) n2 ( z ) = n3 ( z ) S32 n( z )σ 21 (v) =0 τs dz hv n1 ( z ) + n2 ( z ) + n3 ( z ) = n
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若输入光信号为高重复串脉冲序列, 若输入光信号为高重复串脉冲序列,并且脉冲 周期T<<T1时,光放大器工作物质的反转集居 周期 数只在稳定值附近作微小波动. 数只在稳定值附近作微小波动.可近似地采用 稳态速率方程进行理论分析. 稳态速率方程进行理论分析.用于光纤通信的 掺铒光纤放大器. 掺铒光纤放大器. 二,放大器按工作方式分类 行波放大器:增益工作物质二端面无反射的 行波放大器:增益工作物质二端面无反射的~ 再生放大器: 再生放大器:增益工作物质二端面与光传输方向 垂直并有一定反射率~(或称法布里——珀罗 ) 珀罗~) 垂直并有一定反射率 (或称法布里 珀罗
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椭圆柱聚光腔
激光放大器分为:连续激光放大器, 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. 激光放大器和超短脉冲激光放大器
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弛豫过程: 弛豫过程:某种状态的建立或消亡的过程
弛豫时间:弛豫过程所需的时间. 弛豫时间:弛豫过程所需的时间.
纵向弛豫时间: 纵向弛豫时间:由于辐射跃迁使得粒子在 能级上具有有限寿命, 能级上具有有限寿命,因此导致反转集居 数的增长与衰减需要一定的弛豫时间T 数的增长与衰减需要一定的弛豫时间 1.
n( z, t ) = 2σ 21n( z, t ) J ( z, t ) t
J (z, t) J (z, t) +v = vσ21n(z, t)J (z, t) avJ (z, t) t z
对于四能级系统脉冲行波放大器式,由于在很短的 对于四能级系统脉冲行波放大器式 由于在很短的 入射信号作用期间, 入射信号作用期间,四能级系统的激光下能级往往 来不及抽空,所以可看作准三能级系统. 来不及抽空,所以可看作准三能级系统.
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激光放大 器示意图
输运方程的 边界条件为