激光器放大特性
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r1
I 1
I 1
r2
再生放大器增益 多光束干涉处理
I2 I2 Gs I1 I1
g>0
I 2
I 2
I l
Pl
1 r 1 r G 1 2 s G 2 2 l 2 1 r r G 4 r r G sin 1 2 s 1 2 s c (6.1.3) v
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：能级上的粒子数数目发生变化(T1～t2) 横向弛豫时间T2－位相弛豫时间 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
L为主
T 1 2 L L
t
D为主
* T 1 2 2 D
g 1 I l I I l mg m s ln g l ln m (6.2.3) I g 1 I I m 0 s 0
自行推导
(6.2.4)
I0 已知，放大器的 gm、l、 可以测得，Is 已知 •（无损）光放大器（如气体介质）输出光强和增益表达式（略）
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
光激励方式: 横向（均匀）激励： (固体或半导体光放大器)
n，g0、Is 均为常数
I0(t) 激光工作物质 I1(t)
泵浦灯
聚光器
纵向激励：n，g0，Is 与传输来自百度文库离有关(光纤放大器)
I 2
I l
Pl
对入射光要求： • 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
g
T
j
放大器增益
行波放大器增益
I l P l (6.1.1) G I P 0 0
I0
P0
Gd 1 0 l g G B
光放大的前提条件－ 粒子数反转分布 对入射光要求？
g<0
吸收
g=0
透明
g>0
放大
上述放大器与激光器的差别：无谐振腔－行波光放大器
激光器－激光振荡器－再生（光）放大器
按工作方式分类:
行波放大器
I0
P0
再生放大器(F-P放大器)
I l
r1
r2
I 1
I 1
g>0
I0
P0
Pl
g>0
I 2
假设: 均匀加宽、平均损耗系数、信号光频率0
I l 0 小信号增益 G 前置放大器 exp g l 0 m
I z I s
I 0
二、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 I ~ z I s
I dI z z g 1 (6.2.1) －净增益系数(功率增益)公式 m I z dz s I
四、放大器的增益谱宽及输出谱线轮廓
• 小信号均匀加宽光放大器
ln 2 0 ln G ln 2 0
H
0 G 4 0
(6.2.15)
时 H
G0()
自行推导
三、最大输出光强（饱和输出功率）
当输入信号光很强或增益介质很长，由于增益饱和，放大 器增益系数会下降直到净增益系数为0，光强不再增加。
I dI z z g 1 0 m I z dz s I
1
gm Im Is 1
当
c
1 r 1 r G 1 2 s G
1 r r G
1 2 s
2
－最大增益
偏离c G下降; r1、r2 越高，偏离c允许值越小，增益
再生放大器举例：半导体光放大器 h 3.23.4
2 max 1 Gr r G 1 2 FP G min G 1 Gr r FP 1 2
掺铒光纤 I0(t) 信号光 1550nm I1(t)
泵浦光980nm (1480nm)
§6.2 横向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 增益谱
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
G 2 dB
G 30 dB
4 r r 1 . 7 10 12
Gr r 0 .17 1 2
再生放大器
r 1 、r 2 0
行波放大器 G＝Gs
~1nm
60nm
再生放大器
行波放大器
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）
1
1 I zI dI z s g dz m I z 1 1 I zI g s m
输出光强
l 0
gmdz
可得
g I G 1 I l 0 m g m s 放大器增益 ln ln 0 g 1 I G m 0I s 0
激光器放大特性
第六章 激光放大特性
光放大器概述
发展光放大技术的意义
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
2.光通信系统中的光中继器（EDFA)
3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA）
§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
纵向弛豫时间(s)
横向弛豫时间(s) t 0 > T1
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 10-12
与连续波放大相似
稳态方法
T2 << t0 < T1
t 0 < T2
脉冲放大
超短脉冲放大
非稳态方法
半经典
按功能分类: （通信系统中）
I 1
I 1
r2
再生放大器增益 多光束干涉处理
I2 I2 Gs I1 I1
g>0
I 2
I 2
I l
Pl
1 r 1 r G 1 2 s G 2 2 l 2 1 r r G 4 r r G sin 1 2 s 1 2 s c (6.1.3) v
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：能级上的粒子数数目发生变化(T1～t2) 横向弛豫时间T2－位相弛豫时间 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
L为主
T 1 2 L L
t
D为主
* T 1 2 2 D
g 1 I l I I l mg m s ln g l ln m (6.2.3) I g 1 I I m 0 s 0
自行推导
(6.2.4)
I0 已知，放大器的 gm、l、 可以测得，Is 已知 •（无损）光放大器（如气体介质）输出光强和增益表达式（略）
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
光激励方式: 横向（均匀）激励： (固体或半导体光放大器)
n，g0、Is 均为常数
I0(t) 激光工作物质 I1(t)
泵浦灯
聚光器
纵向激励：n，g0，Is 与传输来自百度文库离有关(光纤放大器)
I 2
I l
Pl
对入射光要求： • 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
g
T
j
放大器增益
行波放大器增益
I l P l (6.1.1) G I P 0 0
I0
P0
Gd 1 0 l g G B
光放大的前提条件－ 粒子数反转分布 对入射光要求？
g<0
吸收
g=0
透明
g>0
放大
上述放大器与激光器的差别：无谐振腔－行波光放大器
激光器－激光振荡器－再生（光）放大器
按工作方式分类:
行波放大器
I0
P0
再生放大器(F-P放大器)
I l
r1
r2
I 1
I 1
g>0
I0
P0
Pl
g>0
I 2
假设: 均匀加宽、平均损耗系数、信号光频率0
I l 0 小信号增益 G 前置放大器 exp g l 0 m
I z I s
I 0
二、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 I ~ z I s
I dI z z g 1 (6.2.1) －净增益系数(功率增益)公式 m I z dz s I
四、放大器的增益谱宽及输出谱线轮廓
• 小信号均匀加宽光放大器
ln 2 0 ln G ln 2 0
H
0 G 4 0
(6.2.15)
时 H
G0()
自行推导
三、最大输出光强（饱和输出功率）
当输入信号光很强或增益介质很长，由于增益饱和，放大 器增益系数会下降直到净增益系数为0，光强不再增加。
I dI z z g 1 0 m I z dz s I
1
gm Im Is 1
当
c
1 r 1 r G 1 2 s G
1 r r G
1 2 s
2
－最大增益
偏离c G下降; r1、r2 越高，偏离c允许值越小，增益
再生放大器举例：半导体光放大器 h 3.23.4
2 max 1 Gr r G 1 2 FP G min G 1 Gr r FP 1 2
掺铒光纤 I0(t) 信号光 1550nm I1(t)
泵浦光980nm (1480nm)
§6.2 横向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 增益谱
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
G 2 dB
G 30 dB
4 r r 1 . 7 10 12
Gr r 0 .17 1 2
再生放大器
r 1 、r 2 0
行波放大器 G＝Gs
~1nm
60nm
再生放大器
行波放大器
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）
1
1 I zI dI z s g dz m I z 1 1 I zI g s m
输出光强
l 0
gmdz
可得
g I G 1 I l 0 m g m s 放大器增益 ln ln 0 g 1 I G m 0I s 0
激光器放大特性
第六章 激光放大特性
光放大器概述
发展光放大技术的意义
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
2.光通信系统中的光中继器（EDFA)
3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA）
§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
纵向弛豫时间(s)
横向弛豫时间(s) t 0 > T1
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 10-12
与连续波放大相似
稳态方法
T2 << t0 < T1
t 0 < T2
脉冲放大
超短脉冲放大
非稳态方法
半经典
按功能分类: （通信系统中）