第七章 激光放大特性

① 入射脉冲为高斯型的函数 高斯型的函数exp（-t2/τ2）前沿比指数增加快（波形陡），则经过放大以后脉冲得到 压缩。因为放大得到增益最大是指数关系，增长速度比脉冲前后沿变化快。
②入射脉冲为指数型 脉冲前沿成指数变化，前沿一般放大的多，因此输出波形峰值位置随L 发生变化（L↑峰值前移）脉冲波形不变。 — 前沿放大几乎是指数变化。
2.菲涅尔菱体双程放大器。（实际上是 隔离器） 菲涅尔菱体可使线偏光通过后变成圆 偏光。利用它的这个性质，把它放到 振荡器和放大器之间组成双程放大器
工作过程：其工作过程与利用法拉弟旋转器的类似。 从以上双程放大器看出共同特点： ① P既是起偏器又是输出镜。 ② 光在放大介质中两次放大。 ③ 法拉第旋转器或菱体的作用改变光的偏振方向。④ 隔离作用。 3.双程片状放大器。 把介质做成片状。由于片状介质可以做的尺寸大。最大几百毫米。一般采用多 级放大器时，把片状放大器放在末级。
与微波相比，光波频率高3-5个数量级，频率资源丰富得多。 激光光束的发散角比微波波束的发散角小3-5个数量级。 保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。
光纤放大器的特点和分类
光纤激光器和放大器的特点:紧凑;好的热稳定性;输出衍射极限的光束 光纤放大器的种类: 功率放大器:直接用于光发射器之后,以进一步将光发射机输出的光信号加以放大 特点:工作在深饱和区 要求保持适中的增益和噪声系数下能提供尽可能高的光功率 前置放大器:直接用于接收机前以改善接收机的灵敏度. 特点:为低功率器件,工作在小信号的区域 在线放大器:用于2个无源光纤段之间,以增加传输距离
特点:具有较高的增益和输出功率
还应能实现对监控信号的接入和取出 具有分路的功能,用于多路传输系统中,还要具有足够的增益带宽
光放大器的分类
半导体光放大器 掺杂光纤放大器; 如EDFA, YDFA,TDFA, SOA
非线性光放大器;如光纤拉曼放大器，光纤布里渊放大器，光纤参量放大器
表一：光放大器的性能比较
放大器按照工作方式的分类：
a. 行波放大器： 光信号只经过工作物质一次，一般放 大器不加谐振腔，只有工作物质。 b. 多程放大器：光信号在工作物质中多次往返通过。 C.再生式放大器：用一光束质量好的微弱信号注入到 激光器中，它作为一个“种籽”控制激光振荡产生，并 得到放大。
不同形状光脉冲经过放大器后的情形
第七章 激光放大特性
刘雁ห้องสมุดไป่ตู้三峡大学理学院
2012版
内容提要
• 光学放大器的一般知识 • 激光放大器的分类 • 按照激励强弱的不同，工作物质的三种状 态 • 光纤放大器的一些知识
7.1 概述 一、放大技术的目的：
不改变激光的状态，增加激光输出的能量或功率。
为什么不直接用振荡器来获得高功率的激光输出呢？ 原因：1、 2、 3 实际上获得高功率光束质量优良的激光光束的方法是什么？
噪声系数低
不同掺杂光纤放大器放大波段
Operation range (nm)
880 ∽886
902∽916 900∽950
Dopant ion
Pr3+
Pr3+ Nd3+
970∽1200 1000∽1150
1260∽1350 1320∽1400 1460∽1510 1500∽1600 1700∽2015 2040∽2080
二、激光放大技术： 1、 定义：利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器 件。 2、放大器的结构：
MOPA system: master oscillator power amplifier system
放大器时间的分类
根据振荡级输出激光的脉冲宽度不同可分为三种放大器。 a. 长脉冲激光放大器： 一般振荡级激光器输出的是连续的或一般脉冲激光器。 脉宽：τ> T1 其中T1是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的纵 向弛豫时间。纵向弛豫时间：激发态的粒子所在的能级 有一定的寿命，因此产生辐射跃迁有一定的滞后时间。 固体：T1 ～ 10-3 s 主要由上能级的总寿命来决定。 因此上能级的粒子数消耗掉以后来得及由泵浦得以 补充。这时腔内的光子数密度和工作物质的反转粒子数 可以认为不随时间变化——稳态过程。
光隔离器
光环行器 波分复用器件；波分复用器又可分为棱镜型、干涉模型和衍射光栅型三种 光纤光栅
掺杂光纤放大器的发展方向
光纤放大器存在的问题：
• 放大器带宽内增益谱不平坦影响多信道放大性能 • 光放大器级联应用时，ASE噪声、光纤色散及非线性效应的影响会累积这些都影 响了光纤放大器的工作特性。
发展方向：
c. 超短脉冲放大器：
脉冲窄，是锁模激光器，输出的脉冲10-11 ～ 10-15 s。光信 号和放大介质的相干作用是一种相干的放大作用。情况比较复 杂，需要采用半经典理论进行讨论。
放大级的作用是使从振荡级输出的光信号的能量（或功率）得 到放大。条件：
a. 振荡级和放大级的介质能级匹配。 b. 放大介质处于粒子的反转状态。
b 600 a 0
Yb3+ energy level structure
不同内包层光纤的吸收效率
光纤功率放大器所遇到的问题和解决方法
限制了功率的进一步增加的因素：非线性效应（如：SBS,SRS）
解决方法： 增加纤芯直径D 并且降低其数值孔径NA. （当D*NA小于某个极限时，光纤就可以实现单模运转，否则就会使输出光束的
b. 脉冲放大器：
一般振荡级为调Q激光器 ～ 10-8 s T2 <τ< T1 T1 ：纵向弛豫时间。 T2 ：横向弛豫时间：放大介质中粒子相互交换能量过程引起的 非辐射跃迁使激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。 由于脉宽较小，在脉冲信号放大期间，工作物质的反转粒 子数和光子密度是随时间变化的。——非稳态过程
质量下降。有时候为了得到好的光束质量，解决的方法是缠绕光纤，引入弯曲损 耗）
增加光纤的掺杂浓度，减小光纤的长度
光纤放大器的一些非线性效应的阈值
光纤放大器的噪声
掺杂光纤放大器的噪声主要有以下四种:
信号光的散粒噪声；
ASE ASE光谱与信号光之间的差拍噪声。 ASE光谱间的差拍噪声.
以上四种噪声中放大的自发辐射ASE的影响是最大的 。 噪声抑制问题解决的方法： 内置滤波器或者吸收介质
光纤放大器的应用
光纤放大器是光通信发展史上的一个重要里程碑，因为它解决了衰减对光网络距离与传 输速率的限制，完全摈弃了基于光—电—光转换的昂贵的中继器，从而可以实现比特率 及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易。
高增益、低噪声系数、高输出光功率和较低的非线性失真是光纤放大器的基本要求。
激光通讯与微波通讯相比，具有不少独特的优点：
1. 对矩形脉冲的放大 强信号的情况下，脉冲前沿的增益与x是指数关 系，脉冲后沿的增益减少。即脉冲不同处的增益 不同。放大的光强不同，脉冲波形畸变，脉宽变 化
2.对其他脉冲波形的放大 一般情况下激光器输出的激 光波形不是矩形。根据激光器的不 同，输出的可能是洛仑兹型或高斯 型，指数型脉冲。求解的办法和矩 形情况相同但要复杂的多。但理论 和试验结果证明激光脉冲通过放大 器以后，主要是输入波形的脉冲前 沿影响输出的波形。
工作过程：光经过偏振器后的偏振光，进入法拉弟旋转器，其偏振方向顺时针方向 转动45度，第一次通过放大介质，由全反镜反射后，第二次通过放大介质和法拉 弟旋转器，偏振方向又顺时针旋转45度，不能通过偏振器，从P处输出。
利用法拉第旋转器的双程放大器的另一种结构如下： P － 偏振器，同时也是输出镜。 法拉第旋转器使光束的偏振面旋转 900 。 工作过程: 经过偏振器的光信号，在放大介质中第一次放大后，经法拉弟 旋转器，其偏振方向顺时针方向转动90度，由全反镜反射后，第二次通 过放大介质和法拉弟旋旋转器，偏振方向又顺时针旋转90度，从P处输 出。
工作过程：光信号由全反镜M1、M6、M3，第一次通过放大介质的不同位置， 再由全反镜M4、M5、M2，第二次通过放大介质的不同位置，最后输出。
4.5 再生式放大技术
上面讲的是脉冲行波放大器，局限性：放大倍数低 （一次通过），可采用多级放大。80年代新发展的 一种再生式放大技术。 再生式放大技术：将一光束质量好的微弱信号注入 一个激光振荡器中，注入的光信号作为一个“种籽” 控制激光振荡的产生，即使激光振荡是在这个“种 籽”的基础上而不是从噪声中发展起来，并得到放 大之后输出腔外，从而得到光束性能优良、功率高 的激光。 一
③ 入射脉冲为洛仑兹型 脉冲前沿上升速度比指数慢， 脉冲前沿放大的速率成指数比入射 信号的前沿陡。输出的波形脉宽加宽。
从上面的讨论可以看出：要获得高功率窄脉宽的激光脉冲， 在信号进入放大介质之前，先进行整形。— 采用削波技 术，切去脉冲上升慢的部分。
双程和多程放大技术
上述行波放大器的主要缺点是：由于光信号一次通过放大介质，则光信号过 后，还可能有剩余的△n。因此能量利用率不高。因此在此基础上，发展 了双程、多程放大技术。 双程、多程放大器的结构：在行波放大器的末端加一反射镜。使光束多次通 过放大介质。 一、双程放大器。 1.法拉第双程放大器。（实际上隔离器） 在振荡器和放大器之间加一个法拉第旋转器， P － 偏振器 一般采 用格兰棱镜。 P的作用：① 起偏器。 ② 输出镜,输出的光是线偏光。 光信号两次通过放大介质故称为双程放大器。
V型槽侧面耦合泵浦
内嵌反射镜侧面泵浦
不同侧面耦合方法的比较
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泵浦光的耦合方式
端面耦合: 直接 耦合;自聚焦透镜耦合；圆柱性微透镜耦合；透镜 组耦合;光纤端面直接熔接; 侧面耦合: V型槽泵浦; 微棱镜耦合;内嵌反射镜侧面耦合；熔锥侧 面泵浦耦合；角度磨抛侧面耦合 其他耦合： 光纤全息耦合
泵浦光的端面耦合
直接耦合
自聚焦透镜耦合
圆柱形微透镜耦合
光纤端面加工球透镜的耦合
特殊波段的光纤放大器 寻找性能更好的芯层材料，如塑料光纤方面
光子晶体光纤放大器
功率光纤放大器（包括连续和脉冲信号放大） 全光纤的光纤放大系统
EDFA
宽带光纤放大器
宽带掺杂光纤放大器的发展
增益移位掺杂光纤宽带光纤放大器和多波段级连宽带放大 器。如C+L波段、C+S波段、S+C+L波段等 通过改变基质或者掺杂成份来实现宽带放大。Er3+/Yb3+共掺光纤
放大器，氟基、碲基、铋基铒纤和高掺铝、掺磷铒纤等。
采用传统掺杂光纤放大器与光纤拉曼放大器级联构成的混 合光纤放大器。如EDFA/Raman、TDFA/Raman混合放大器等
Yb光纤的吸收和发射谱、能级结构
cm-1
g 11630
2F 5/2
f 11000 e 10260
d 1490 c 1060
2F 7/2
Yb3+ Nd3+
Pr3+ Nd3+ Tm3+ Er3+ Tm3+ Ho3+
不同光纤放大器的放大波段
光纤放大器的基本概念和光学元件
光纤放大器的基本概念： 光纤的损耗 增益和噪声 饱和输出功率：饱和输出功率是指最大增益下降3dB时对应的输出功率。表示 YDFA从线性增益区变化到非线性增益区的转折点。当输出功率 高于饱和输出功率时，增益随着输出光功率的增大而减小 其他光学元件：
拉曼光纤放大器的特点
增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦光源的波 长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大
使拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，对于开发光纤的整个低损耗区 1270nm-1670nm具有不可替代的作用
增益介质为传输光纤本身
使拉曼放大器可以对光信号进行在线放大，光纤中各处的信号光功率都比较小， 降低了非线性效应