yz第六章-激光放大特性PPT课件

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(1480nm)
§6.2 均匀激励连续激光放大器特性
增益 小信号增益 最大输出光强 饱和增益 （饱和输出功率）
增益谱
Nd:YAG
泵浦灯
聚光器
激光振荡器
I0 光隔离器
I(l) Nd:YAG
光泵
激光放大器
一、(有损)光放大器小信号增益
假设: 均匀加宽、平均损耗系数a、信号光频率
.
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信号光的净增益 IdIzzdz gH 0 1IIsz a (6.2.1)
t L为主 T 2 L 1 L D为主 T 2 * 1 2 D
.
7
纵向弛豫时间(s) 横向弛豫时间(s)
固体 10-3~10-4 10-11~10-12
气体 10-6~10-9 10-8~10-9
半导体 10-9 10-13
t0 > T1
与连续光放大相似 稳态方法
当输入信号为高重复脉冲序列，且脉冲周期T<<T1时。
I0 P0
再生放大器增益 多光束干涉处理
(6.1.1) GdB10lgG
r1
r2
I0 P0
g>0 I
1
I
2
I
1
I
2
I l
Pl
设Gs
I2 I1
I1 I2
当 c
G1r1r2G s 2 14 r1r1r2 1 G srs2inG 2s 2 vlc (6.1.3)
G11 r1r1 1r 2G r2sG 2s
0 时 ln G G 0 0 0 g a m ln g g m m a a 1 1 II0 lIIss gmgH 0 0
IlG
I0 ，Is 已知，放大器 gm、l、a 可测，I l, G
.
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• 无损光放大器输出光强和增益
dI z I z dz
g
0 H
I z 1 Is
按工作方式分类:
行波放大器
I0
I l
P0
g>0
Pl
g
再生放大器(F-P放大器)
r1
r2
I0 P0
I
1
g>0
I
2
I
1
I
2
I l
Pl
T
j
• 行波放大器: 只要求入射光频率在增益介质谱线范围内 • 再生放大器: 入射光需在谐振腔本征频率附近,保证频率匹配
.
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放大器增益
行波放大器增益
GIlPl
积分
lnII0lIIlsI0 g0l
G G 0e x p G 1 IsI0 G 0e x p G G I1 s Il G G 0e x p G 1 P sP 0 G 0e x p G G P 1 s P l
P
其中P
0 s
A I0 AIs
饱和输出功率— G下降3dB（G0/2）时的输出功率 Psat l
§6.1 激光放大器的特点与分类
光放大概念－利用受激辐射实现光放大 光放大的前提条件－粒子数反转分布
入射光信号波长要求？ 光信号波长（频率）需与跃迁能级间隔相对应
g<0
g=0
g>0
吸收
透明
放大
激光行波放大器 — 无谐振腔激光器—处于粒子数 反转状态的工作物质
激光器－激光振荡器－再生（光）放大器
.
3
－最大增益
偏离c
G ;
r1、r2 ，偏离c允许值越小，增益G
.
5
再生放大器举例：半导体光放大器 h 3.23.4
2
GG GFF m mPPainx11G Gss
r1r2
r1r2
G2dB
Gs 30dB
Gs r1r2 0.17
r1r21.7104
再生放大器 r1、r2 0 行波放大器 G＝Gs
.
l 0
g
0 H
dz
可得
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输出光强（输出光功率）:
a a a a ln I I 0 l g H 0 l g H 0 ln g g H 0 H 0 1 1 II 0 lI s I s 自(6行.2推.3导)
归一化放大器增益:
ln G G 0 g H 0 a lng g H 0H 0 a a 1 1 II 0 lIs Is (6.2.4) 自行推导
T2 << t0 < T1 脉冲放大
非稳态方法
调Q脉冲（10-50ns）可忽略粒子和光场相互作用的相位关系，速率
方程才能适用。
t0 < T1
超短脉冲放大
半经典
锁模脉冲
.
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按功能分类: （通信系统中）
前置放大器: 小信号工作状态,噪声系数小 功率放大器: 大信号,增益饱和状态,饱和输出功率大 线路放大器： 补偿系统中各光纤段的损耗
小信号增益 IzIs G0II0lexpgH 0al
小信号光放大器 — 前置放大器
(6.2.2)
二、(有损)光放大器大信号（饱和）增益
入射光信号较强或工作物质足够长 Iz~Is
IdIzzdz gH 0 1IIsz a
改写
gH 0dzIz1 1 1I IzzIs Isd Ia zgH 0
.
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按光激励方式 横向(均匀)激励：泵浦光与光传输方向垂直
特点：n，g0、Is 均为常数 (固体或半导体光放大器)
I0(t)
I1(t)
激光工作物质
泵浦灯
聚光器
纵向激励：泵浦光与光传输同向或反向
特点：n，g0 ，Is与传输距离有关(光纤放大器)
掺铒光纤
I0(t)
I1(t)
信号光
1550nm
泵浦光980n.m
Psat lG G00ln22Ps G0 2 P s a tl ln 2 P s 0 .6 9 P s
~1nm 再生放大器
.
60nm 行波放Biblioteka Baidu器
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按入射光时间特性分类
连续激光放大器 脉冲激光放大器 超短脉冲激光放大器
（入射信号脉宽t0 及工作物质弛豫时间T）
弛豫：某种物理状态的建立或消亡过程
弛豫时间
纵向弛豫时间T1：辐射跃迁（有限寿命），导致反转粒子 数的变化需要一定的时间(T1～t2)
横向弛豫时间T2－宏观感应电极化的产生和消亡的时间 电磁场共振相互作用－同相， 碰撞等其它作用－消相
泵浦光980nm (1480nm)
掺铒光.纤放大器
泵浦灯
聚光器
固体激光放大器
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3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA）
（1）用于光通信中的光放大器
（2）非线性特性
交叉增益调制（XGM） 波长变换
交叉相位调制（XPM） 光子开关
四波混频（FWM）
光逻辑 光计算
（XGM）
（FWM. ）
（XPM）2
第六章 激光放大特性
光放大器概述
1.获得高质量的大能量、高功率激光束（固体激光器）
大能量、高功率与方向性、单色性、脉宽相互制约
腔内光功率过大易损害腔内光学元件，通常采用对
高质量激光放大。
I0(t)
I1(t)
激光工作物质
2.光通信系统中的光中继器（EDFA)
I0(t)
信号光 1550nm
掺铒光纤 I1(t)