激光基本原理与分类介绍
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(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。
激光基本原理和分类介绍
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。可用速率方程。
7、超短脉冲激光放大器
当 t0<T2，如锁模激光脉冲(ps量级)作为输入信 号时。要考虑光场相位的影响，速率方程均不可 用，需用半经典理论处理。
激光基本原理和分类介绍
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。
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
放大器
放大器
超短脉冲激 光放大器
4、连续激光放大器
激光基本原理和分类介绍
(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。故反转集居数及腔内光子数 密度均可到达稳态。可用稳态法处理。 5、脉冲激光放大器
激光基本原理和分 类介绍
激光基本原理和分类介绍
椭圆柱聚光腔
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。
激光基本原理和分类介绍
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
LaserΒιβλιοθήκη Baidurod
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。
10-3~10-4s(固体) 10-6~10-9s(气体) ~10-9s(半导体)
激光基本原理和分类介绍
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。 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。
为入射光频率
二反射面组成的谐振腔的谐振频率
激光基本原理和分类介绍
(1)当 c 时: Gmax11r1r1 1r 2G r2sG 2s －最大增益
(2)当
G
1 2
Gm
ax
时:
c
41l r1rr12rG 2G s2S
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。
入射光较强，工作物质长，且： Iz~Is
激光基本原理和分类介绍
目标：求 Il I0 及 GG0 (显式或隐式)
(1) 归一化输出光强 I l I0
l n I I 0 l g H 0 l g H 0 lg n g H 0 H 0 1 1 I I 0 lI I s s
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
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 Il Pl
I0 P0
激光基本原理和分类介绍
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。
激光基本原理和分类介绍
5.1 放大器分类
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。
(2) 增益
GG0
l n G G 0 0 0 g 0 H ln g g 0 H 0 H 1 1 II 0 lII ss
激光基本原理和分类介绍
激光基本原理和分类介绍
2、最大输出光强
Im
Is
(
gm
1)
3、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄
中心频率处增益大，偏离中心频率处增益小， 放大器输出光轮廓将比入射光谱线轮廓窄。
激光基本原理和分类介绍
b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。 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。
1、输入信号强度对放大器增益的影晌
IdzIzdzgH 01IIsz1
激光基本原理和分类介绍
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：
Iz Is
I z I s
0
小信号 增益:
G 0II0 lex g H 0 p l
——可用作前置放大器
大信号增益(饱和状态)——功率放大器
激光基本原理和分类介绍
5.3 纵向光激励连续激光放大器增益特性
一、连续激光放大器 G I (l) P(l)
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 I
1
I
2
I
1
I
2
I l
Pl
增益：用多光束干涉处理
工作物质单程传 输的增益为:
经过复杂的推算后得:
GS
I
2
I1
I1
I
2
G 1r1r2G s 2 1 4 r1 r1 r2 1 G srs 2G i2 sn 2 lvvc
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。
(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。
激光基本原理和分类介绍
5．2 均匀激励连续激光放大器的 增益特性
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。
(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。
激光基本原理和分类介绍
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。可用速率方程。
7、超短脉冲激光放大器
当 t0<T2，如锁模激光脉冲(ps量级)作为输入信 号时。要考虑光场相位的影响，速率方程均不可 用，需用半经典理论处理。
激光基本原理和分类介绍
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。
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
放大器
放大器
超短脉冲激 光放大器
4、连续激光放大器
激光基本原理和分类介绍
(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。故反转集居数及腔内光子数 密度均可到达稳态。可用稳态法处理。 5、脉冲激光放大器
激光基本原理和分 类介绍
激光基本原理和分类介绍
椭圆柱聚光腔
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。
激光基本原理和分类介绍
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
LaserΒιβλιοθήκη Baidurod
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。
10-3~10-4s(固体) 10-6~10-9s(气体) ~10-9s(半导体)
激光基本原理和分类介绍
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。 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。
为入射光频率
二反射面组成的谐振腔的谐振频率
激光基本原理和分类介绍
(1)当 c 时: Gmax11r1r1 1r 2G r2sG 2s －最大增益
(2)当
G
1 2
Gm
ax
时:
c
41l r1rr12rG 2G s2S
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。
入射光较强，工作物质长，且： Iz~Is
激光基本原理和分类介绍
目标：求 Il I0 及 GG0 (显式或隐式)
(1) 归一化输出光强 I l I0
l n I I 0 l g H 0 l g H 0 lg n g H 0 H 0 1 1 I I 0 lI I s s
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
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 Il Pl
I0 P0
激光基本原理和分类介绍
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。
激光基本原理和分类介绍
5.1 放大器分类
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。
(2) 增益
GG0
l n G G 0 0 0 g 0 H ln g g 0 H 0 H 1 1 II 0 lII ss
激光基本原理和分类介绍
激光基本原理和分类介绍
2、最大输出光强
Im
Is
(
gm
1)
3、增益谱宽及输出谱线轮廓变窄
中心频率处增益大，偏离中心频率处增益小， 放大器输出光轮廓将比入射光谱线轮廓窄。
激光基本原理和分类介绍
b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。 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。
1、输入信号强度对放大器增益的影晌
IdzIzdzgH 01IIsz1
激光基本原理和分类介绍
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：
Iz Is
I z I s
0
小信号 增益:
G 0II0 lex g H 0 p l
——可用作前置放大器
大信号增益(饱和状态)——功率放大器
激光基本原理和分类介绍
5.3 纵向光激励连续激光放大器增益特性
一、连续激光放大器 G I (l) P(l)
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 I
1
I
2
I
1
I
2
I l
Pl
增益：用多光束干涉处理
工作物质单程传 输的增益为:
经过复杂的推算后得:
GS
I
2
I1
I1
I
2
G 1r1r2G s 2 1 4 r1 r1 r2 1 G srs 2G i2 sn 2 lvvc
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。
(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。
激光基本原理和分类介绍
5．2 均匀激励连续激光放大器的 增益特性
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。