《激光放大特性》ppt課件

1、第六章第六章 激光放大特性激光放大特性一、引言一、引言1、實踐運(yùn)用的需求、實踐運(yùn)用的需求激光核聚變需求上萬焦耳的激光能量激光核聚變需求上萬焦耳的激光能量察看非線性光學(xué)需求功率強(qiáng)的激光察看非線性光學(xué)需求功率強(qiáng)的激光2、普通激光振蕩器的缺陷、普通激光振蕩器的缺陷激光大能量大功率的獲得要求任務(wù)物質(zhì)的口徑激光大能量大功率的獲得要求任務(wù)物質(zhì)的口徑和長度較大，或要求強(qiáng)的泵浦鼓勵，易與相關(guān)性和長度較大，或要求強(qiáng)的泵浦鼓勵，易與相關(guān)性好、發(fā)散角小等其它目的的高要求相矛盾。好、發(fā)散角小等其它目的的高要求相矛盾。能量和功率過高的激光在腔內(nèi)來回往返傳輸能量和功率過高的激光在腔內(nèi)來回往返傳輸時，任務(wù)物質(zhì)易遭到破壞。時

2、，任務(wù)物質(zhì)易遭到破壞。3、實現(xiàn)高功率高能量的方法、實現(xiàn)高功率高能量的方法激光放大器激光放大器典型固體激光放大器表示圖典型固體激光放大器表示圖Laser rod激光振蕩器激光振蕩器泵浦燈泵浦燈儲能器儲能器觸發(fā)器觸發(fā)器Laser rod泵浦燈泵浦燈儲能器儲能器觸發(fā)器觸發(fā)器延時器延時器激光放大器的特點(diǎn)激光放大器的特點(diǎn)a、多數(shù)不需求諧振腔鏡，為行波放大器。、多數(shù)不需求諧振腔鏡，為行波放大器。特例：再生放大器。特例：再生放大器。b、因一次性經(jīng)過任務(wù)物質(zhì)，故不易破壞任務(wù)物質(zhì)。、因一次性經(jīng)過任務(wù)物質(zhì)，故不易破壞任務(wù)物質(zhì)。c、振蕩級和放大級有機(jī)結(jié)合可使高的光束質(zhì)量和、振蕩級和放大級有機(jī)結(jié)合可使高的光束質(zhì)量和高

3、的能量功率兼得。高的能量功率兼得。d、振蕩級和放大級的匹配需求時間延遲電路。、振蕩級和放大級的匹配需求時間延遲電路。e、激光放大器中存在放大的自發(fā)輻射、激光放大器中存在放大的自發(fā)輻射(ASE) ，其，其功率大，線寬窄于自發(fā)輻射，具有一定的方向性，功率大，線寬窄于自發(fā)輻射，具有一定的方向性，也可利用，但在激光放大器中為噪聲。也可利用，但在激光放大器中為噪聲。第一節(jié)第一節(jié) 激光放大器的分類激光放大器的分類一、按時間特性分類一、按時間特性分類 (入射信號脈寬入射信號脈寬t0 及任務(wù)物質(zhì)及任務(wù)物質(zhì)弛豫時間弛豫時間T )1、分類根據(jù)：、分類根據(jù)： 被放大信號脈寬被放大信號脈寬t0 與任務(wù)物質(zhì)弛與任務(wù)物質(zhì)

4、弛豫時間豫時間T的相對大小關(guān)系。的相對大小關(guān)系。2 2、弛豫時間及分類、弛豫時間及分類弛豫時間：某種形狀的建立或消亡過程。弛豫時間：某種形狀的建立或消亡過程。 縱向弛豫時間縱向弛豫時間T1：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰減所需時間。減所需時間。理由：粒子在非基態(tài)能級上有有限壽命。理由：粒子在非基態(tài)能級上有有限壽命。10-310-4s(固體固體)10-610-9s(氣體氣體) 10-9s(半導(dǎo)體半導(dǎo)體)橫向弛豫時間橫向弛豫時間T2：宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生：宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡不是瞬時的。極化強(qiáng)度和消亡不是瞬時的。極化強(qiáng)度P(z, t)較較E(z, t)落后的時間落后的時間T2即是

5、橫向弛豫時間。即是橫向弛豫時間。理由：一方面理由：一方面, ,在電磁場作用下在電磁場作用下, ,任務(wù)物質(zhì)原子產(chǎn)任務(wù)物質(zhì)原子產(chǎn)生的感應(yīng)電矩和電磁場同相。另一方面，由于碰生的感應(yīng)電矩和電磁場同相。另一方面，由于碰撞以及晶格振動會使感應(yīng)電矩的相位無規(guī)變化，撞以及晶格振動會使感應(yīng)電矩的相位無規(guī)變化，導(dǎo)致宏觀感應(yīng)電極化消逝，此為消相過程。導(dǎo)致宏觀感應(yīng)電極化消逝，此為消相過程。10-1110-12 s (固體固體)10-810-9s(氣體氣體)10-13s (半導(dǎo)體半導(dǎo)體)3、激光放大器的分類、激光放大器的分類延續(xù)激光延續(xù)激光放大器放大器脈沖激光脈沖激光放大器放大器超短脈沖激超短脈沖激光放大器光放大器4、

6、延續(xù)激光放大器、延續(xù)激光放大器(1)條件：當(dāng)激光放大器的輸入信號是延條件：當(dāng)激光放大器的輸入信號是延續(xù)或非調(diào)續(xù)或非調(diào)Q激光脈沖時，有激光脈沖時，有t0T1。(2)特點(diǎn)：由于光信號與任務(wù)物質(zhì)作用時間足夠特點(diǎn)：由于光信號與任務(wù)物質(zhì)作用時間足夠長，因受激輻射而耗費(fèi)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來得及由長，因受激輻射而耗費(fèi)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來得及由泵浦抽運(yùn)所補(bǔ)充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)泵浦抽運(yùn)所補(bǔ)充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度均可到達(dá)穩(wěn)態(tài)。可用穩(wěn)態(tài)法處置。密度均可到達(dá)穩(wěn)態(tài)?？捎梅€(wěn)態(tài)法處置。5、脈沖激光放大器、脈沖激光放大器(1)條件：當(dāng)條件：當(dāng)T2t0T1，如調(diào)，如調(diào)Q激光脈沖作為激光脈沖作為輸入信號時。輸入信號時。(2

7、)特點(diǎn)：因受激輻射而耗費(fèi)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來不特點(diǎn)：因受激輻射而耗費(fèi)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來不及由泵浦抽運(yùn)所補(bǔ)充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光及由泵浦抽運(yùn)所補(bǔ)充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。需用非穩(wěn)態(tài)法處置。子數(shù)密度達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。需用非穩(wěn)態(tài)法處置。6、延續(xù)激光放大器與脈沖激光放大器的共同點(diǎn)、延續(xù)激光放大器與脈沖激光放大器的共同點(diǎn)均有均有T2t0，可不計粒子和光子相互作用，可不計粒子和光子相互作用的弛豫過程，粒子在光場作用下產(chǎn)生的的弛豫過程，粒子在光場作用下產(chǎn)生的P所需時間所需時間T2可忽略，無滯后效應(yīng)，可忽略可忽略，無滯后效應(yīng)，可忽略粒子和光場相互作用的相位關(guān)系?？捎盟倭Ｗ雍凸鈭鱿嗷プ饔玫南辔魂P(guān)系?？捎盟俾?/p>

8、方程。率方程。7、超短脈沖激光放大器、超短脈沖激光放大器當(dāng)當(dāng) t000I lI0P lP任務(wù)物質(zhì)兩端面無任務(wù)物質(zhì)兩端面無反射的放大器。反射的放大器。要求：只需求入射光頻率在增益介質(zhì)譜線范圍內(nèi)。要求：只需求入射光頻率在增益介質(zhì)譜線范圍內(nèi)。增益：增益： 00PlPIlIG8、假設(shè)輸入光信號為高反復(fù)率脈沖序列，且脈、假設(shè)輸入光信號為高反復(fù)率脈沖序列，且脈沖周期沖周期T00I0P lI lP1r2r1I2I2I1I增益：用多光束干涉處置增益：用多光束干涉處置設(shè)任務(wù)物質(zhì)單程設(shè)任務(wù)物質(zhì)單程傳輸?shù)脑鲆鏋閭鬏數(shù)脑鲆鏋?2112IIIIGS經(jīng)過復(fù)雜的推算后得經(jīng)過復(fù)雜的推算后得:csssvvlGrrGrrGrrG

9、2sin411122122121為入射光頻率為入射光頻率二反射面組成的諧振腔的諧振頻率二反射面組成的諧振腔的諧振頻率c(1)當(dāng) 時:最大增益最大增益22121max111ssGrrGrrGmax21GG (2)當(dāng) 時:412212141sScGrrlvGrr討論：可見，僅當(dāng)入射光頻率在諧振腔本征討論：可見，僅當(dāng)入射光頻率在諧振腔本征 頻率附近時，才干得到有效放大。頻率附近時，才干得到有效放大。 l、Gs、r 越大，越大，得到有效放大所允許得到有效放大所允許的頻率范的頻率范 圍越窄。圍越窄。 當(dāng)當(dāng) r1=r2=0時，時，(行波行波放大器放大器)，那么，那么 G=Gs。(3) 再生放大器的優(yōu)缺陷再

10、生放大器的優(yōu)缺陷優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 可獲得較高的增益?？色@得較高的增益。缺陷缺陷: 頻率匹配技術(shù)復(fù)雜。頻率匹配技術(shù)復(fù)雜。第二節(jié)第二節(jié) 均勻鼓勵延續(xù)激光放大器的增益特性均勻鼓勵延續(xù)激光放大器的增益特性鼓勵方式鼓勵方式: : 橫向鼓勵，橫向鼓勵，nn，g0g0，Is Is 均為與傳輸均為與傳輸間隔間隔z z無關(guān)的常數(shù)無關(guān)的常數(shù) ( (固體或半導(dǎo)體光放大器固體或半導(dǎo)體光放大器) ) ；縱；縱向鼓勵，向鼓勵， n n，g0g0，IsIs與傳輸間隔有與傳輸間隔有z z 關(guān)關(guān)( (光纖放光纖放大器大器) )。 一、輸入信號強(qiáng)度對放大器增益的影響一、輸入信號強(qiáng)度對放大器增益的影響I0(t)I1(t)聚光器聚光器泵浦

11、燈泵浦燈激光任務(wù)物質(zhì)激光任務(wù)物質(zhì)泵浦光泵浦光信號光信號光I0(t)I1(t)摻鉺光纖摻鉺光纖1、假設(shè)條件、假設(shè)條件: 均勻加寬、平均損耗系數(shù)均勻加寬、平均損耗系數(shù)、信號光、信號光頻率頻率。 2、任務(wù)物質(zhì)的凈增益系數(shù)、任務(wù)物質(zhì)的凈增益系數(shù) 101sHIzIgdzzIzdI由由4.4.15式再思索式再思索損耗后得到：損耗后得到： 3、小信號增益、小信號增益前置放大器前置放大器假設(shè)入射光信號非常微假設(shè)入射光信號非常微弱，任務(wù)物質(zhì)短，且：弱，任務(wù)物質(zhì)短，且： sIzI 0sIzI小信號小信號增益增益: lgIlIGH000exp可用作前置放大器可用作前置放大器 4、大信號增益、大信號增益(飽和形狀飽和

12、形狀)功率放大器功率放大器入射光較強(qiáng)，任務(wù)物質(zhì)長，且：入射光較強(qiáng)，任務(wù)物質(zhì)長，且： sIzI目的：求目的：求 及及 (顯式或隱式顯式或隱式) 0IlI 0GG(1) 歸一化輸出光強(qiáng)歸一化輸出光強(qiáng) 0IlI sHsHHHIIgIlIgglgIlI00000011lnln(6.2.3式式) 0GG(2) 增益增益 ssIIgIlIggGGHHH000000011lnln(6.2.4) 可見，知可見，知 、 、 、 、 值，那么可由式值，那么可由式(623)或或 (624)求出輸出光強(qiáng)及放大器增益。求出輸出光強(qiáng)及放大器增益。 0Hgl sI0I(3) 兩種特例兩種特例 a、 當(dāng)當(dāng) 時時 0 sHsH

13、HIIgIlIggGG000000000011lnlnb、 當(dāng)當(dāng) 時時 ，如在在氣體任務(wù)物質(zhì)中，如在在氣體任務(wù)物質(zhì)中， 或或在其它未達(dá)重度飽和的任務(wù)物質(zhì)中，由于在其它未達(dá)重度飽和的任務(wù)物質(zhì)中，由于 ，可忽略損耗影響。那么：可忽略損耗影響。那么： 00g ssIGlIGGIIGGG1exp1exp000(6.2.7) 改寫改寫(6.2.7式式)為為 輸出光功率和入射光功率的關(guān)系式輸出光功率和入射光功率的關(guān)系式 ： ssPGlPGGPPGGG1exp1exp000其中：其中： 00AIP lAIlP ssAIP規(guī)律：規(guī)律： ，見圖，見圖6.2.1。 lP G二、最大輸出光強(qiáng)和最大輸出功率二、最大輸

14、出光強(qiáng)和最大輸出功率 由于增益飽和，當(dāng)輸入信號光很強(qiáng)或放大器很長，由于增益飽和，當(dāng)輸入信號光很強(qiáng)或放大器很長，放大器增益系數(shù)會下降，凈增益系數(shù)為放大器增益系數(shù)會下降，凈增益系數(shù)為0，光強(qiáng)，光強(qiáng)不再添加。此時對應(yīng)的輸出光強(qiáng)為最大。不再添加。此時對應(yīng)的輸出光強(qiáng)為最大。 010sHIzIgdzzIzdI 10HsmgIlI 10HsmmgPlIAlP 主要靠泵浦增加0,HsgP lPm三、增益譜寬及輸出譜線輪廓變窄三、增益譜寬及輸出譜線輪廓變窄1 1、( (無損無損) )小信號均勻加寬光放大器小信號均勻加寬光放大器2lnln2ln2ln2ln0000GlgHHlgGGH00000maxexp lgGH0