激光放大器.pptx

图4.10 几种硅酸玻璃和磷酸玻璃的饱 和能量密度与输出能量密度种硅酸的关 系
很明显，为了获得较高的能 量密度，应增大饱和能量密 度。从图4.10可知，饱和能 量密度取决于玻璃的类型和 所需的输出能量。
图4.12 钕玻璃放大器的输出能量同小信 号增益系数、放大器长度之间的函数关系
根据储能密度和棒长，可得出小信 号增益。图中针对两种不同的Es 值 曲线：一条为磷酸玻璃在大约3 J cm2 输出能量密度时的典型值；另一条 为硅酸玻璃在大约 6.2 J cm2的典型 值。可以看出，当输出能量密度相 同时，硅酸玻璃的增益系数较大。
这三种方式都使用 0.63umx6.6um的Nd：YAG 激光棒。数据表明，在输出 能量达到320mJ之前，这三 种运转方式几乎都相同：当 输出能量超出320mJ时，需 要储能的运转方式的效率就 明显降低。对同一根棒，Q 开关振荡器的工作效率略低 图4.14 从简正模Nd：YAG振荡器、Q开关 于放大器方式的效率。
1 G= 0t p



l , t dt (4.5)
n l = ln 1 exp ot p c 1 e (4.6) c0t p
1


单位面积的输入能量可表示为
Ein c 0t p hv(4.7)
将饱和能量密度定义为
Est Es (4.8) g0 hv
再将式（4.11）换一种形式，就可以很清 楚的表示单程或双程的单级或多级放大的 输出能量与提取效率的关系。
E0
E2
E1
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
E0 E1 Es ln 1 exp 1 exp g0l (4.14) Es
在激光放大技术中，小信号增益系数 g0 n 21 通常表示为 g0 Est (4.20) 为增益与储能关系的参变量 21 hv (4.21) 整理式（4.11）得 Ein Eout Es ln{1 [exp( ) 1]exp( Est l )}(4.22) Es 如果已知放大器中的小信号增益或者储能量，则 根据(4.11)、(4.22)就可以求出放大器的增益与输 入能量密度的函数关系。 但是在谈论实际例子之前，应该注意推导(4.11) 时的两种假设：1）入射脉冲的形状为矩形。 2）设放大器没有损耗。
另有一种设计采用了MOPA系统，它将初始光束一 分为二，然后将它们放大，又将每条光束分开，又 放大，如此反复，直到获得所需要的光束数量和总 能量。 激光玻璃的饱和能量密度 Es 与增益截面 成反比。
Es (hv )k (4.37)
k取决于输出能量密度和放大器的脉冲持续时间 若脉冲时间低于激光低能级寿命（小于1ns），饱 和能量密度由脉冲持续时间决定。
能量提取效率 E表示从放大器提取的能量 与脉冲到达时上激光能级存储的能量之商 ，即 Eout Ein E (4.10) g 0lEs 将式（4.7）、（4.8）代入式（4.6），得
Ein Es G ln 1 exp 1 G0 (4.11) Ein Es
根据式（4.10），提取效率为
1 E1 E0 g0 lE （ s 4.15）
在双程放大器内的输出能量密度 E2 由下式求出
E2 Es ln 1 exp E1 Es 1 exp g l (4.16)
' 0


式中
g 1 1 g0 (4.17)
n1 1 {1 Wp f exp[(Wp )t p ]}(1 Wp f )1 (4.30) ntot f
泵浦速率W 可用每立方厘米的输入能量 E p 、脉冲 持续时间 t p 和可调参量(泵浦效率) f 表示 Wp fEp t p (4.31) 从式（4.30）和（4.31）得到反转粒子数与每立方 厘米棒体积上闪光灯输入能量之间的函数关系式为
' 0
双程放大器的提取效率为
2 = E2 E0 g0 lEs (4.18)
应该注意的是，上述式子的前提是存在均匀的增 益系数和光束强度分布。在绝大多数系统中，这 两个数值都表示径向分布特点，此时，增益系数 表示为
g eff g 0 (r ) I B (r )2 rdr
I
B
(r )Байду номын сангаас rdr (4.19)
Eex Est 2 Est (E)(4.26)
因此，从红宝石中提取能量的效率为 E Eex Est (E)(4.27) 对于红宝石 2(4.28) g0 Est (E ) Est ， 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)
激光放大器
姓名：王春阳 导师：冯国英 学号：2014222050008
主要内容
脉冲放大 稳定态放大
信号畸变
增益极限和 放大器的稳 定性
前言
本章将讨论激光束通过光学激活材料时产生的能 量增益。在设计高能量、高亮度的光源时，以激 光器作为脉冲放大器是非常重要的。 设计激光放大器时，必须考虑下述因素： 1）增益和提取的能量； 2）放大器引起的波前畸变和脉冲形状畸变； 3）放大器系统中光学元件的能量和功率密度；
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。
4.1.3Nd：YAG放大器 由于Nd：YAG放大器的增益高，所以放大的 自发发射和寄生振荡有效的限制了储能密度， 并因此限制了可从特定棒内提取的有效能量。
由于Nd : YAG的增益高，所以只需获得少量 的反转粒子数，一旦增益达到某一级别，自发 发射的放大将有效地消耗激光的上能级。
图4.13绘出了从Nd:YAG 放大器提取的能量与灯 输入能量的关系曲线。 可以看出从不同的棒中 提取的最大能量都达到 了饱和值。数据表明， 若棒的长度超过50cm， 则放大器输出能量密度 的饱和能量极限与棒的 长度几乎毫无关系。升 高Nd:YAG棒的温度会 降低其增益，存储能量 就多。
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
p
1 ( fEp f t p )exp( fEp t p f ) n ntot {1 2[ ]}(4.32) 1 fEp f t p 参量 f 只与泵浦结构的效率和灯的光谱输出有关。
图4.7以泵浦系数f为参 变量，绘出了 t p 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 量 E p 。对于一定的 E p ，可以从图4.7中得出上能 级的存储能量 Est 。若已知该 Est 值，可以从图4.5 中得出放大器在任何输入能量密度时的输出能量。
2.锁模脉冲放大
当输入脉冲很短，t p 1ns 时，放大过程中的 E 和2 A 能级 之间不会发生热能转换，因此从红宝石晶体中提取的能量 仅取决于E 能级的粒子数。如果泵浦脉冲到达之前粒子数 已经完全反转，则亚纳秒脉冲可以从红宝石中提取的最大 能量为
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
4.2.1红宝石放大器 在稳定态放大条件下，用功率强度描述饱和，即
图4.5 红宝石放大器的增益同放大 器的长度、储能密度的函数关系。
。
这些曲线的实际意义在于， 它们适用于所有的输入能量 和放大器的长度。
只有一个参量难于确定，它就是棒中单位体积的存 储能量 Est 。该参量取决于闪光灯的输入能量与脉 宽、泵浦结构的几何设计与效率以及激光棒的几何 形状。由于在信号到达前，有： 0 ，则
在总结了红宝石的有关激光参量后，再来考察 （4.22）。将材料参量 Es 和 '代入该式，并 设Ein和 Est为一定值，就能绘出红宝石放大器输 出能量密度与其长度的函数关系。 设Ein=0.1J/cm2，所有粒子数反转时的不同储 能分别为Est=3.0J/cm3、4.0J/cm3和4.5J/cm3 ，就可以得到图4.5所示的曲线。
振荡器和Q开关脉冲放大器中提取的能量
在多级放大器中，电气系统的效率 sys是激光二极管的 效率 p、光泵浦能量向上激光能级的转换效率、介质 中能量转换效率以及存储能量转变为输出激光的提取 效率之积，即 Eout Ein
p
sys
EEG
pTOUBE (4.40)
4.2稳定态放大
,max Eex
Es
ntot hv (4.35) 3
由于小信号的增益系数与长脉冲的相同，则
由于材料的损伤限制了峰值功率，实际可得的能量密度远 低于理论值。
2hv (4.36) 3 21
4.1.2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。
假定光子在放大器中传播时间内，反转粒子 数n变化不大，则z方向的功率密度按下式建 立：
dI n( z ) I ( z ) g ( z ) I ( z )(4.43) dz
经代数运算后得
Iin ln(G0 / G) (4.44) Is G 1
式中 G0 exp(g0l ) ， G I out Iin 为有效增益。
x, t x 1 1 exp nx exp 0 c t （4.4） 0 c
1
设t=0时，n是均匀的。当光束通过长 度为x=l的放大器时，能量增益为
4）在放大器内引起超辐射或前激反馈.
4.1脉冲放大
设放大器的运行时间比泵浦速率 f 和自发的 发射时间 Wp 快，因此，放大过程是以输入信 号到达之前储存于上激光的能量为基础的。
现在来考察单色光入射到长度为L的放大器棒 的前表面的一维情况。 如果输入到放大器中的是矩形脉冲，其持续 时间为，则光子密度的解为