激光原理第五章
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1
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1
2
G
1
r1r2 Gs
2
2 l v vc 4 r1r2 Gs sin
2
1 r1 1 r2 Gs
为入射光频率
二反射面组成的谐振腔的谐振频率
(1)当 c 时: Gmax (2)当 G 1 Gmax 时: 2
I0
I l
1、行波放大器 g>0 Pl P 工作物质两端面无 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。
0
增益：
I l Pl G I0 P0
激光原理与技术
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。 r r I I I l I0 要求：入射光需在谐振腔本 g>0 Pl I I P0 征频率附近,保证频率匹配。 增益：用多光束干涉处理 I I 工作物质单程传 1 GS 2 输的增益为: I1 I 2 经过复杂的推算后得:
1
激光原理与技术
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：
I z I s
I l 0 l exp g H I0
I z 0 I s
小信号 增益:
G 0
——可用作前置放大器 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：
激光原理与技术
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。
激光原理与技术
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
Laser rod
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。
1 r1 1 r2 Gs
激光原理与技术
1
c
1
r1r2 Gs
2
－最大增益
4 l r1r2G s
r1r2 GS v
2 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。 ② l、Gs、r 越大， ③ 当 r1=r2=0时，(行波 得到有效放大所允许 放大器)，则 G=Gs。 的频率范 围越窄。 (3) 再生放大器的优缺点
I z ~ I s
目标：求 I l I 0 及 G G 0 (显式或隐式)
(1) 归一化输出光强
激光原理与技术
I l I 0
0 0 I l g H 1 I l I s gH 0 ln ln 0 g H l g H 1 I 0 I s I0
激光原理与技术
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。
4、连续激光放大器
激光原理与技术
(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
(1)条件：当T2<<t0<T1，如调Q激光脉冲作为输 入信号时。
激光原理与技术
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。 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 放大器 脉冲激光 放大器 超短脉冲激 光放大器
(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。
激光原理与技术
6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点
均有T来自百度文库<<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。
优点: 可获得较高的增益。 缺点: 频率匹配技术复杂。
激光原理与技术
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。
1、输入信号强度对放大器增益的影晌
dI z I z 0 g H 1 I z dz I s
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。
激光原理与技术
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。 二、 按工作方式分类: 大器(F-P放大器) 行波放大器及再生放
激光原理与技术
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。 10-3~10-4s(固体) 10-6~10-9s(气体) ~10-9s(半导体)
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为入射光频率
二反射面组成的谐振腔的谐振频率
(1)当 c 时: Gmax (2)当 G 1 Gmax 时: 2
I0
I l
1、行波放大器 g>0 Pl P 工作物质两端面无 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。
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增益：
I l Pl G I0 P0
激光原理与技术
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。 r r I I I l I0 要求：入射光需在谐振腔本 g>0 Pl I I P0 征频率附近,保证频率匹配。 增益：用多光束干涉处理 I I 工作物质单程传 1 GS 2 输的增益为: I1 I 2 经过复杂的推算后得:
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激光原理与技术
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：
I z I s
I l 0 l exp g H I0
I z 0 I s
小信号 增益:
G 0
——可用作前置放大器 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：
激光原理与技术
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。
激光原理与技术
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
Laser rod
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。
1 r1 1 r2 Gs
激光原理与技术
1
c
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r1r2 Gs
2
－最大增益
4 l r1r2G s
r1r2 GS v
2 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。 ② l、Gs、r 越大， ③ 当 r1=r2=0时，(行波 得到有效放大所允许 放大器)，则 G=Gs。 的频率范 围越窄。 (3) 再生放大器的优缺点
I z ~ I s
目标：求 I l I 0 及 G G 0 (显式或隐式)
(1) 归一化输出光强
激光原理与技术
I l I 0
0 0 I l g H 1 I l I s gH 0 ln ln 0 g H l g H 1 I 0 I s I0
激光原理与技术
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。
4、连续激光放大器
激光原理与技术
(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
(1)条件：当T2<<t0<T1，如调Q激光脉冲作为输 入信号时。
激光原理与技术
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。 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 放大器 脉冲激光 放大器 超短脉冲激 光放大器
(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。
激光原理与技术
6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点
均有T来自百度文库<<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。
优点: 可获得较高的增益。 缺点: 频率匹配技术复杂。
激光原理与技术
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。
1、输入信号强度对放大器增益的影晌
dI z I z 0 g H 1 I z dz I s
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。
激光原理与技术
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。 二、 按工作方式分类: 大器(F-P放大器) 行波放大器及再生放
激光原理与技术
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。 10-3~10-4s(固体) 10-6~10-9s(气体) ~10-9s(半导体)