yz第六章-激光放大特性PPT课件
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激光放大器PPT课件
n
ntot
{1
1 2[
(
fEp
f
tp 1
) exp( fEp f
fEp tp
tp
f )]}(4.32)
参量 f只与泵浦结构的效率和灯的光谱输出有关。
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图4.7以泵浦系数f为参
变量，绘出了tp 1ms
时，存储能量与每立方 厘米棒体积上灯的输入 能量的函数关系。
图4.5与图4.7完整的描述了Q开关红宝石放大器的 性能。根据灯的总输入功率和棒体积，可求出参
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E0
E1
E2
E1
图4.2 单程和双程的单级或多级放大的输出能量密度和提 取效率的计算矩阵形式
如图，它们的关系式为
E1
Es
ln
1
exp
E0 Es
1
exp
g0l
(4.14)
根据式（4.10），提取效率为
1 E1 E0 g0 lE（s 4.15）
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钕玻璃放大器
在要求以较高的功率和能量来驱动惯性约束聚 变这一目标下，很多实验室开始设计大型钕玻 璃系统。最初这些系统以硅酸玻璃作为钕的基 质材料，后来改用磷酸玻璃。
第16页/共40页
图4.9示出了激光MOPA 系统的原件布局图。在高 峰值功率的激光系统中， 空间滤波片是重要的原件， 它有三种用途：在光束功 率按指数规律增大到高功 率之前，除去光束中的少 量不规则成分；降低光束 空间包络中自聚焦相前畸 变；扩展光束，使光束形 状与不同通光孔的放大器 匹配。
可提取的能量与小信号增益系数之比定义为饱和 能量密度，即
Es hv 21 (4.29)
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大学物理激光ppt课件-2024鲜版
高斯光束定义
传输特性
在垂直于传播方向的平面上，光强分布呈高 斯函数形式的光束。
高斯光束在自由空间中传输时，其光斑大小、 光强分布以及波前曲率半径等参数会发生变 化。
瑞利长度
聚焦特性
高斯光束在传输过程中，光斑大小变化缓慢 的区域称为瑞利长度，它是高斯光束的一个 重要参数。
高斯光束经过透镜聚焦后，焦点附近的光强 分布和光斑大小与透镜焦距、光束腰斑大小 及波长等因素有关。
研究基于量子力学原理的激光技术，如量子点激光器、量子级联激光 器等。
2024/3/28
29
未来发展趋势预测
2024/3/28
激光技术的微型化和集成化
随着微纳加工技术的发展，未来激光器将更加微型化、集成化，实现 更高的性能和更广泛的应用。
智能化和自动化
借助人工智能、机，提高激光应用的便捷性和效率。
新型固体材料和新技术的发展为固体激 光器的发展提供了新的机遇和挑战。未 来，需要探索更多具有优异性能的新型 固体材料和新技术，以推动固体激光器 的创新和发展。同时，也需要解决新材 料和新技术的可靠性、稳定性和成本等 问题。
2024/3/28
22
06
光纤通信系统中激光技术应用
2024/3/28
23
光纤传输原理及特点
绿色环保
发展低能耗、低污染、高效率的激光技术，推动绿色环保的能源利用 和产业发展。
跨学科融合
加强激光技术与生物学、医学、材料科学等学科的交叉融合，开拓新 的研究领域和应用前景。
30
THANK YOU
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3
激光产生机制
01
02
03
粒子数反转
通过外界激励使高能级粒 子数多于低能级，实现粒 子数反转分布。
《光放大器》ppt课件
第6章 光放大器
当具有1550 nm波长的光信号经过这段掺铒光纤时， 亚 稳态的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态， 并产生出 和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大添 加了信号光中的光子数量， 即实现了信号光在掺铒光 纤的传输过程中不断被放大的功能， 掺铒光纤放大器 也由此得名。
第6章 光放大器
亚稳 态 受激 辐射
4 I15 /2
基态
1550 nm
图6.4 铒的能级图
第6章 光放大器
铒的能级图如图6.4所示。 其发光原理可用三能级 系统来解释， 基态为4I15/2， 激发态为4I13/2， 4I11/2。 在泵浦光的鼓励下， 4I11/2能级上的粒子数不断添加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态4I13/2 能级， 从而实现了粒子数反转。
第6章 光放大器
那些与信号同方向的自发辐射光子被激活介质放大, 这 些由自发辐射产生并经放大了的光子组成放大的自发 辐射(ASE), 由于它们在相位上是随机的， 它们对于信 号光没有奉献而产生了信号带宽内的噪声。
没有外部激发所产生的自发辐射依赖于较高和较 低能级上相对的粒子数， 这很容易了解。 自发辐射因 子即粒子数反转因子(nsp)可以定义为
第6章 光放大器
铒
输入光
光 纤
泵 浦 LD WDM
(a)
输出光 输入光
铒
光
纤输 出 光信 号泵 源自 LD WDM(b)铒
输入光
光 纤
输 出 光信 号
泵 浦 LD WDM
泵 浦 LD WDM
(c)
图6.6 EDFA的三种构造
光 隔 离器 偏振器
第6章 光放大器
EDFA有如下优点： 〔1〕 转移效率高， 从泵浦源吸收的光功率转移到 被放大的光信号上的功率效率大于50%。 〔2〕 放大的谱宽与目前WDM系统的光谱范围一致， 适宜于WDM光纤通讯。 〔3〕 具有较高的饱和输出光功率， 为1 mW(10～ 25 dBm)。 〔4〕 动态范围大。
激光的基本原理及其特性课件
激光清洗
利用激光的强光束和冲击波去除物体 表面的污垢、油渍等，具有高效、环 保、无损伤等特点。
医疗美容
激光祛斑
利用激光的高能量将皮肤表面的色素 斑点去除，具有祛斑速度快、效果显
著、不留疤痕等特点。
激光脱毛
利用激光的高能量破坏毛囊的生长能 力，从而达到脱毛的效果，具有脱毛 效果好、速度快、安全可靠等特点。
高功率激光在工业、军事、医疗等领域有广泛应 用，如激光切割、激光雷达、激光武器等。
03 技术挑战
高功率激光器的稳定性和可靠性是技术挑战，需 要解决散热、光束质量等问题。
超快激光
01
02
03
超快激光的定义
超快激光是指脉冲宽度小 于某一阈值的激光器，通 常以皮秒或飞秒为单位。
应用领域
超快激光在科学研究ห้องสมุดไป่ตู้工 业制造、医疗等领域有广 泛应用，如光谱分析、微 纳加工、眼科手术等。
单色性好
总结词
激光具有极佳的单色性，其波长范围狭窄，光谱宽度极小。
详细描述
由于激光的频率高度单一，其光谱宽度非常狭窄，这意味着激光的光波波长范围非常稳定。这 种特性使得激光在光谱分析、精密测量等领域具有独特的优势。
亮度高
总结词
激光具有极高的亮度，其能量高度集中，亮度远高于普通光源。
详细描述
激光的亮度取决于其功率和光束面积的比值。由于激光的功率高且光束面积小 ，因此其亮度极高。这种特性使得激光在切割、焊接、打标等领域具有显著的 优势。
技术挑战
超快激光器的稳定性和重 复频率是技术挑战，需要 解决脉冲能量波动、脉冲 时间不稳定等问题。
光子晶体激光器
光子晶体激光器的定义
技术挑战
光子晶体激光器是一种基于光子晶体 原理的激光器，光子晶体是一种具有 周期性折射率变化的介质。
利用激光的强光束和冲击波去除物体 表面的污垢、油渍等，具有高效、环 保、无损伤等特点。
医疗美容
激光祛斑
利用激光的高能量将皮肤表面的色素 斑点去除，具有祛斑速度快、效果显
著、不留疤痕等特点。
激光脱毛
利用激光的高能量破坏毛囊的生长能 力，从而达到脱毛的效果，具有脱毛 效果好、速度快、安全可靠等特点。
高功率激光在工业、军事、医疗等领域有广泛应 用，如激光切割、激光雷达、激光武器等。
03 技术挑战
高功率激光器的稳定性和可靠性是技术挑战，需 要解决散热、光束质量等问题。
超快激光
01
02
03
超快激光的定义
超快激光是指脉冲宽度小 于某一阈值的激光器，通 常以皮秒或飞秒为单位。
应用领域
超快激光在科学研究ห้องสมุดไป่ตู้工 业制造、医疗等领域有广 泛应用，如光谱分析、微 纳加工、眼科手术等。
单色性好
总结词
激光具有极佳的单色性，其波长范围狭窄，光谱宽度极小。
详细描述
由于激光的频率高度单一，其光谱宽度非常狭窄，这意味着激光的光波波长范围非常稳定。这 种特性使得激光在光谱分析、精密测量等领域具有独特的优势。
亮度高
总结词
激光具有极高的亮度，其能量高度集中，亮度远高于普通光源。
详细描述
激光的亮度取决于其功率和光束面积的比值。由于激光的功率高且光束面积小 ，因此其亮度极高。这种特性使得激光在切割、焊接、打标等领域具有显著的 优势。
技术挑战
超快激光器的稳定性和重 复频率是技术挑战，需要 解决脉冲能量波动、脉冲 时间不稳定等问题。
光子晶体激光器
光子晶体激光器的定义
技术挑战
光子晶体激光器是一种基于光子晶体 原理的激光器，光子晶体是一种具有 周期性折射率变化的介质。
第六章激光放大特性12(精)
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。
光放大器的类型口利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）口利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）口利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）几种光放人器的比较§6.1激光放大器的特点与分类光放大概念一利用受激辐射实现光放大 光放大的前提条件一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激光行波放大器—无谐振腔激光器一处于粒子数反转状态的工作物质按工作方式分类:•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I Q g>0/(/)P QPQ)p 。
行波放大器0) p(/)再生放大器（F-P 放大器）q「2g<0—g=o■4g>0吸收透明放大激光器一激光振荡器一再生（光）放大器V 偏离\怙Gl ;1*1、1*2 T , V 偏离％允许值越小，增益G T口增益G 足描述光放大器对信号放大能力的参数。
定义为:厂(g 、 |ai , Ps,out 一«出信号光功率 (j(dB)=10 log 10 ——PsM 一績入值号光功率□ G 与光放人器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很fi 杂的关系。
放大器増益行波放大器增益再生放大器增益 r ㈡I "2多光束干涉处理*仆0)Ht}G = ---------------------(>-+4(6.1.3)c (1-7^0 J—最大增益G(〃8)=101gG△V L 为主 厂2 =九=1/泌％△*)为主 r>l/2Av^输入光功率较小肘，G 是一常即输出光功率Phoi ；T 与输入光功率Ps 成正比例.G 。
光放大器的小信号増益。
35 r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％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T|：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（「〜5） 横向弛豫时间丁2—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一同相，碰撞等其它作用一消相)025 i 20GoHZ3dB10®60■50 —40 — 30 —20输入信号功率（dBm ）-10 0 10i 饱和区域放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。
激光特性的控制PPT课件
2. 锁模的基本原理
设腔内有 q N , (N 1), , 0, (N 1), N
等（2N＋1）个模式振荡： Eq E0
且满足相位锁定条件： q q1 ，q 0 q
q
q1
c
L
，q
0
q
（2N＋1）个纵模的合成电场强度：E(t ) A(t )ei(0t0 )
A(t )
E0
sin
1 (2N 2
为 21018 cm，13巨脉冲宽度为10ns。求：输出0.6943m激光的最大能量
和脉冲平均功率。
4．(1) 一质地均匀的材料对光的吸收为 0.01m、m光1通过10cm长的该材料
后，出射光强为入射光强的百分之几? (2) —光束通过长度为1m的均匀激 活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。
5. 氦氖激光器放电管长l=0.5m，直径d=1.5mm，两镜反射率分别为
100%，98%，其他单程损耗率为0.015，荧光H 线宽 =1500MHz。
求满足阈值条件的本征模式数。（已知
gm
3 1）0 4
1 d
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谢谢您的观看！
第24页/共24页
啁啾脉冲如果通过负色散介质（频率大，折射 率小，速度快），脉冲前沿传输慢，脉冲前沿 传输快，即脉冲压缩。
啁啾脉冲如果通过正色散介质（频率大，折射 率大，速度慢），脉冲前沿传输快，脉冲前沿 传输慢，即脉冲展宽。
第15页/共24页
增益介质是正色散介质。 （3）脉冲压缩
引入负色散介质，对光脉冲进行腔内压缩，使之成为飞 秒激光。
由于吸收体的吸收频率与增益曲线频率一致，经吸收后只 剩谱线中心频率及其边频，边频又激发新的边频，如此进行， 使所有模式参与振荡。
设腔内有 q N , (N 1), , 0, (N 1), N
等（2N＋1）个模式振荡： Eq E0
且满足相位锁定条件： q q1 ，q 0 q
q
q1
c
L
，q
0
q
（2N＋1）个纵模的合成电场强度：E(t ) A(t )ei(0t0 )
A(t )
E0
sin
1 (2N 2
为 21018 cm，13巨脉冲宽度为10ns。求：输出0.6943m激光的最大能量
和脉冲平均功率。
4．(1) 一质地均匀的材料对光的吸收为 0.01m、m光1通过10cm长的该材料
后，出射光强为入射光强的百分之几? (2) —光束通过长度为1m的均匀激 活的工作物质，如果出射光强是入射光强的两倍，试求该物质的增益系数。
5. 氦氖激光器放电管长l=0.5m，直径d=1.5mm，两镜反射率分别为
100%，98%，其他单程损耗率为0.015，荧光H 线宽 =1500MHz。
求满足阈值条件的本征模式数。（已知
gm
3 1）0 4
1 d
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啁啾脉冲如果通过负色散介质（频率大，折射 率小，速度快），脉冲前沿传输慢，脉冲前沿 传输快，即脉冲压缩。
啁啾脉冲如果通过正色散介质（频率大，折射 率大，速度慢），脉冲前沿传输快，脉冲前沿 传输慢，即脉冲展宽。
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增益介质是正色散介质。 （3）脉冲压缩
引入负色散介质，对光脉冲进行腔内压缩，使之成为飞 秒激光。
由于吸收体的吸收频率与增益曲线频率一致，经吸收后只 剩谱线中心频率及其边频，边频又激发新的边频，如此进行， 使所有模式参与振荡。
精品课件- 激光放大特性
在大信号情况下,人射光频率偏离中心频率越大,饱和效应越弱。因此,δν将随输出 光强I(l)的增加而增加。当I(l)足够大时,δν可能超过ΔνH。
本节以均匀加宽工作物质为例,对放大器的增益特性进行了讨论。对于由非均匀加宽工 作物质构成的放大器,可采用类似的理论处理方法。
6.3 纵向光激励连续激光放大器的增益特性
二、按照工作方式分类 增益工作物质二端面元反射的激光放大器称为行波放大器。增益工作物质二端面与光 传输方向垂直并有一定反射率的放大器称为再生放大器(或法布里-瑞罗放大器),如图6.1.1 所示。在再生放大器中,光可在二反射面间多次往复传输,因而具有较高的增益。一个工作 于阈值之下的半导体激光器就是一个典型的再生放大器,如果在其两端的解理面上镀以高 质量的增透膜使其反射率接近零,便转化为行波放大器
6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性
对于均匀激励的光放大器,工作物质中的小信号增益系数、小信号反转粒子数密度及饱 和光强均为与传输距离无关的常数(由下节的讨论可知,三能级系统的饱和光强与激励强弱 有关)。本节讨论此类放大器的增益特性。
一、输入信号强度对放大器增益的影响 如果放大器工作物质具有均匀加宽谱线,平均损税系数为α,人射信号光频率为ν。，则工 作物质的净增益系数为
（6.2.1） 式中I(z)为信号光在放大器中传输了距离z后的光强。
若入射光信号非常微弱,并且工作物质也较短,致使在放大器中I(z)<<Is,则由上式可求出 放大器的小信号增益
（6.2.2）
式中l为放大器的长度。 上述处于小信号状态的放大器可用作前置放大器。对于功率放大器,通常运行于信号增
益饱和状态。当人射光较强,或工作物质较长,人射光得到充分放大时,往往形成I(z)与Is可比 拟的状况。将式(6.2.1)改写为
本节以均匀加宽工作物质为例,对放大器的增益特性进行了讨论。对于由非均匀加宽工 作物质构成的放大器,可采用类似的理论处理方法。
6.3 纵向光激励连续激光放大器的增益特性
二、按照工作方式分类 增益工作物质二端面元反射的激光放大器称为行波放大器。增益工作物质二端面与光 传输方向垂直并有一定反射率的放大器称为再生放大器(或法布里-瑞罗放大器),如图6.1.1 所示。在再生放大器中,光可在二反射面间多次往复传输,因而具有较高的增益。一个工作 于阈值之下的半导体激光器就是一个典型的再生放大器,如果在其两端的解理面上镀以高 质量的增透膜使其反射率接近零,便转化为行波放大器
6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性
对于均匀激励的光放大器,工作物质中的小信号增益系数、小信号反转粒子数密度及饱 和光强均为与传输距离无关的常数(由下节的讨论可知,三能级系统的饱和光强与激励强弱 有关)。本节讨论此类放大器的增益特性。
一、输入信号强度对放大器增益的影响 如果放大器工作物质具有均匀加宽谱线,平均损税系数为α,人射信号光频率为ν。，则工 作物质的净增益系数为
（6.2.1） 式中I(z)为信号光在放大器中传输了距离z后的光强。
若入射光信号非常微弱,并且工作物质也较短,致使在放大器中I(z)<<Is,则由上式可求出 放大器的小信号增益
（6.2.2）
式中l为放大器的长度。 上述处于小信号状态的放大器可用作前置放大器。对于功率放大器,通常运行于信号增
益饱和状态。当人射光较强,或工作物质较长,人射光得到充分放大时,往往形成I(z)与Is可比 拟的状况。将式(6.2.1)改写为
第六章激光放大特性
• 无损大信号均匀加宽光放大器： 中心频率处饱和效应
强，偏离中心频率饱和减弱
I (l) n n nH
§6.3 纵向光激励连续激光放大器的特性
掺铒光纤放大器 EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier
980nm
1480nm
1550nm
• 为什么EDFA属于连续激光放大器？ 光信号速率：108－1010b/s（T=10-8～10-10 s ）铒离子 T1=10-2 s
饱和增益
Nd:YAG
（饱和输出功率）
I0(t) Nd:YAG I1(t)
光隔离器
光泵
泵浦灯
聚光器
激光振荡器
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、信号光频率n0
小信号增益 G 0 n 0 I l exp g m l 前置放大器
I z I s
I p z I p z I pth
I po I pth
1 1 p 0 p lm ln Gm 1 1 1
I po 1 I po lm 1 ln I p I pth pth
归一化信号光强
归一化泵浦光强
dI z (6.3.1) dz
I z I z hn 21 n t s I n p t s p z I p z hn p 13
dI p z (6.3.2) dz
dI z dz
大能量、高功率与方向性、单色性、脉宽相互制约
2.光通信系统中的光中继器（掺铒光纤放大器 :EDFA) 3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA）
激光放大器.pptx
上式适用于矩形输入脉冲，从小信号增益到 放大器完全饱和，它都是有效的。现在考虑 两种极端的情况。
1)输入能量较低，即 E 近似表示为
in
Es
1
则式（4.11）可
G G0 exp g0l (4.12)
2)输入能量较高，即 E 为
in
Es
1 则式（4.11）变
Es G 1 g0（ l 4.13） Ein
图4.9示出了激光MOPA 系统的原件布局图。在 高峰值功率的激光系统 中，空间滤波片是重要 的原件，它有三种用途 ：在光束功率按指数规 律增大到高功率之前， 除去光束中的少量不规 则成分；降低光束空间 包络中自聚焦相前畸变 ；扩展光束，使光束形 状与不同通光孔的放大 器匹配。
为了使激光系统比单MOPA产生更多的能量，或者 为了获得几种多光束辐射分布，将小MOPA 的输出 光束分成若干所需要的光束，每条光束都用来激励 整个MOPA。
如果脉冲持续时间比荧光寿命 f 长，则反转 粒子数和增益系数就与准静态强度有关。 在放大器情况下，增益与放大器轴向Z坐标上 的测量值有关
g ( z) g0 (I I ( z) I s )(4.42) g ( z ) 是信号强度为I ( z )时 式中 g0 是小信号增益，
I s为饱和强度 在放大器内点z处获得的增益， （定义为小信号增益降低一半时的信号功率）。
4.1.1红宝石放大器 两个能级之间是否确实发生能量转移，取决于 这两个能级之间的弛豫时间是比放大脉冲的长 度短还是长。在红宝石中，两个受激能级之间 的弛豫时间在1ns量级，或者更短。 1 Q开关脉冲放大 2 锁模脉冲放大
1.Q开关脉冲放大
当脉冲长于1ns时，两个上能级（即 E 和2 A 能级 ）处于热平衡，可以从这两个能级提取能量。上 能级中的总储存能量为 Est hvn hv(2n2 ntot )(4.25) 从红宝石中可以提取的最大能量为
第六章-1-激光放大特性
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。
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 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。
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
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
ln
I l
I0
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 反射的放大器。
I0
I l
P0
g>0
Pl
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
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。
g
0 H
l
g
0 H
ln
g
0 H
1
I l
Is
g
0 H
1
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 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。
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
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
ln
I l
I0
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 反射的放大器。
I0
I l
P0
g>0
Pl
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
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。
g
0 H
l
g
0 H
ln
g
0 H
1
I l
Is
g
0 H
1
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.
9
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
Байду номын сангаас
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
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
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。
§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
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)
Psat lG G00ln22Ps G0 2 P s a tl ln 2 P s 0 .6 9 P s
－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
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
1
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
.
l 0
g
0 H
dz
可得
12
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
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
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
.
13
• 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
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
10
(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
.
11
信号光的净增益 IdIzzdz gH 0 1IIsz a (6.2.1)
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
.
8
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
~1nm 再生放大器
.
60nm 行波放大器
6
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
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
.
4
放大器增益
行波放大器增益
GIlPl