最新天津大学《激光技术》课件-04-激光放大技术课件pptPPT文档格式.ppt

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它是通过延时部分来保证的。

延迟时间是放大级和振荡级泵浦时间的时间差。

对于不同的工作物质，振荡级和放大级之间延迟时间不同。

红宝石激光放大器：

因为放大级的工作物质尺寸比振荡级大，而且三能级系统的粒子数反转需要一定的时间，所以放大器泵浦的时间比振荡级提前几百s.钕玻璃激光放大器：

由于四能级系统粒子反转快，所以放大级和振荡级的泵浦时间可以相同。

延迟时间主要通过试验来确定：

以激光放大器输出的能量最高的延迟时间为最佳延迟时间。

3.放大器的特点：

能量和功率得到放大相对振荡级目的,放大后的激光保持入射光的特点要求,振荡级输出的激光除功率/能量外其他参数满足实际应用要求，它做为放大级的初始信号，而且振荡级和放大级的工作物质相同。

这样的初始信号经过放大级以后会产生与入射信号同频率，同偏振态的光。

因此光经过放大以后，光的发散角、偏振态、频率等并不变化。

例如：

4.放大器的类型：

行波放大器：

信号只经过增益介质一次一般激光器去掉谐振腔,多程放大器：

光信号在工作物质中多次往返通过。

因此多程放大器有谐振腔。

这样放大器的反转粒子数比行波放大器利用充分。

因此多程放大器输出的光有可能比行波放大器能量大。

再生放大器：

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。

4.2脉冲激光放大器理论,一、脉冲放大器的速率方程及其解（行波）二、放大后激光参数的变化,一、脉冲放大器的速率方程及其解（行波）,在建立速率方程时为了使问题简化，做如下假设：

由于入射信号的脉宽（10-8s）远小于放大器的荧光寿命（红宝石上能级寿命ms，YAG上能级寿命200s）因此在脉冲信号通过放大器时，可忽略光泵和自发辐射对反转粒子数的影响，只考虑受激辐射过程。

放大器的工作物质在横截面内的反转粒子数均匀分布。

忽略介质的谱线宽度和线型的影响。

1.速率方程（反转粒子数和光子数变化的方程）的建立,假设工作物质在脉冲信号入射前的初始反转粒子数n0（x），光信号沿x方向传播。

由于光在工作物质中行进的过程中不断地激发处于激发态的粒子，使放大介质产生受激辐射过程，因而光得到放大，反转粒子数不断消耗。

即介质中不同的位置、不同的时间，反转粒子数和光子密度不同即它们是t和x的函数。

（1）反转粒子数密度变化的速率方程,设t时刻，x处的反转粒子数和光子数密度分别为n（x,t）和（x,t）。

利用激光原理中建立的速率方程（忽略光泵和自发辐射的影响）,式中：

32、21介质的发射截面，c光在放大介质中的速度,

（2）光子数密度变化的速率方程,出发点：

放大介质内光子密度是时间t,x的函数。

取dx体积元，讨论dx内光子密度的变化。

光子密度在横截面内均匀分布，横截面积取为1，长度dx，体积dx，光子密度变化的速率为：

单位时间单位体积光子变化数,则在dx体积dt时间内光子的变化（增加）,光子数变化的原因：

在dt时间dx体积元中光子数的增加为以上三项之和：

上式对三能级、四能级系统均适用。

综上，脉冲放大器中粒子数密度和光子流强度满足的速率方程为：

上式两边乘以c，再除以dxdt，并利用则：

三能级,四能级,2.速率方程的解,为了分析放大器输出脉冲的参数和波形变化的情况，必须根据边界条件求解速率方程，解得I（x,t）,当考虑放大器的损耗时速率方程的求解比较困难，忽略（先考虑放大介质无损耗情况）,初始边界条件：

设入射的信号在t=0时进入放大器（t表示前沿时间）,方程的解（分离变量法，求解过程从略，教材第三版p162-163）,从上式看出：

在放大器中（x,t）处的光强与放大介质的反转粒子数和入射的光强强弱有关。

关系比较复杂。

（与入射信号波形I0（t）、入射信号到达x处通过的总n即入射信号通过的总粒子数有关。

）,解方程的目的：

讨论脉冲光信号经过放大器，能量、功率和波形等的变化。

根据实际脉冲波形（边界条件），利用（4.2-9）可进行相关讨论。

二、放大后激光参数的变化,任意脉冲形状和任意初始反转粒子数密度的行波放大问题，不但要考虑放大器的增益随入射信号强度的变化关系，而且还要考虑入射信号强度和波形在放大过程中的所经历的变化，所以比较复杂（数值求解）。

为使讨论简便，首先考虑最简情况：

理想矩形脉冲的放大情况。

1.矩形脉冲的放大,t时刻x处的光强：

（1）放大器的功率增益,功率增益：

输出信号功率与输入信号功率之比。

单程功率增益：

光信号通过放大介质一次，输出功率与输入功率之比Gp,Gp与入射光强I0、时间t以及放大介质的粒子反转数n0及L有关,放大介质中某点x处的功率增益：

G（x）与入射光强I0、时间t以及放大介质的粒子反转数n0及x有关，因此对入射信号的脉冲前沿和后沿功率增益不同。

脉冲前沿的增益,在t=0时，入射信号的前沿到达放大介质x=0处，t表示脉冲前沿的时间。

t=x/c是前沿到达x处的时间，将t=x/c代入（4.2-12）式，得,所以前沿的功率增益是随着x指数增加。

因为放大介质处于初始n0状态，入射信号所到之处都会得到受激放大。

与、n0、x有关，与I0无关。

脉冲后沿的增益,脉冲后沿到达x处的时间：

若n0一定，某位置x处，后沿增益主要与入射功率I0和脉宽有关。

即，与信号强弱和脉冲宽窄有关。

下面分别讨论。

如果入射信号比较弱（I0较小and/or很窄）,条件：

结论：

小信号时，脉冲各处在放大介质中的增益相同。

脉冲前沿通过放大介质时，信号弱消耗的n0小，增益近似不变。

输出的脉冲波形无畸变，仍是矩形，脉宽不变。

增加介质的长度L，输出增大。

如果入射信号比较强（I0较大and/or较宽）,结论：

强信号时，脉冲前沿的增益与x是指数关系，脉冲前沿通过时消耗了大量的n0获得最大增益，n0的下降使增益减少增益饱和。

因此脉冲后沿的增益减少。

即脉冲不同处的增益不同，脉冲波形畸变，脉宽变化。

（图）,

（2）脉宽的变化,小信号情况：

Gpexp（n0L），波形不变脉宽不变，仍是。

大信号情况：

波形畸变，脉宽改变，前沿放大的多。

因此输出的光强峰值在前沿。

（前沿：

Gpexp（n0L）；

后沿：

Gp减小）,脉冲宽度：

脉冲半极大之间的宽度半高全宽FWHM,前沿通过放大介质x=L需要的时间是t=L/c光强Imax，设现脉宽为，则Imax/2从放大介质输出时t=+L/c，根据前面解得的光强公式,

（2）脉宽的变化,结论：

从上式可以看出主要由n0、L、I0来决定，n0、L及I0增加，减小，放大后脉冲波形变形严重。

（当I0强时，前沿放大后的光强大，n0减少的多，增益饱和严重，后沿放大的少，前后沿光强差别大，脉宽窄。

）,（3）能量增益,能量增益：

放大器输出能量与输入能量之比,对矩形脉冲,可见：

GE主要由n0、L、I0、来决定，因此不同强度的信号GE不同,小信号时（I0较小and/or很窄）,结论：

小信号时，GE与n0、L有关，与I0无关，增大n0、L可提高放大器的输出能量与小信号功率增益相同。

强信号时（I0较大and/or较宽）,结论：

强信号时，能量增益与n0，L，I0，都有关。

2.其他脉冲形状的放大,一般情况下激光器输出的激光波形不是矩形。

比如调Q激光器输出的波形。

根据激光器的不同，输出的可能是洛仑兹型、高斯型或指数型脉冲。

求解的办法和矩形情况相同，但要复杂的多。

但理论和实验结果证明：

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。

（1）高斯脉冲,高斯型脉冲exp（-t2/2）前沿比指数增加快（波形陡），则经过放大以后脉冲得到压缩。

因为放大得到的增益最大是指数关系，增长速度比脉冲前后沿变化慢。

（2）指数脉冲,脉冲前沿成指数变化。

放大后波形和脉宽变化不大，仅由于其前沿较后沿有较大的增益，其峰值随L的增加而前移，前移量=0（g0-）L。

（3）洛仑兹型脉冲,脉冲前沿上升速度比指数慢，脉冲前沿放大的速率呈指数，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。

3.脉冲信号在有损耗介质中的放大,根据上面的分析（忽略损耗），放大器输出的能量随着L的增加而增加。

这和实际情况不符合。

L不能无限制地增加，因为放大器具有一定地损耗，损耗是使光强减小的，而且光强的减少与L成正比。

L增加，光强减少的多。

放大介质存在损耗时的速率方程为：

上面的方程不易解析求解。

只讨论存在损耗和没有损耗相比，输出的总能量的变化情况总能量主要由单位面积输出的总光子数I（L）来决定,为求I（L）先求I（x）在x处通过单位截面积的总光子数。

将（a）式的n（x,t）代入（b）式，两边对t积分，可得,上式中，积分上限脉冲宽度。

在放大介质中除了脉冲到的地方有光子外其他地方光子密度（光强）为0。

矩形波：

I（x,）=I（x,0）=0（非矩形波：

I（x,）=I（x,0）），所以,积分结果：

可由（a）式求得：

上式是存在损耗的情况下脉冲信号放大的一般表示式。

弱信号时：

存在指数关系，无解析解，只能通过数值方法求解。

光信号通过放大介质后，输出的总光子数：

在小信号的情况下，放大器输出的能量与L成指数关系。

可以增加L增加放大器输出的能量。

（L能否无限制增加？

）,光信号通过放大介质后，输出的总光子数：

强信号时，在、n0一定的情况下，输出的总光子数I（L）与L有关。

LI（L）。

L增加到一定程度，I（L）趋于稳定值n0/2（最大值）。

因此L不能无限地增加。

n0，则n0/2。

强信号时：

-线性非齐次方程,式中n0/2光信号通过放大器增加的光子数（不包括入射信号）。

I（0）exp（-L）入射信号通过放大介质后的剩余部分（不考虑放大）。

4.3放大器的设计考虑,一、消除放大介质的端面反馈二、级间隔离三、级间匹配四、消除不均匀性的影响,一、消除放大介质的端面反馈,放大介质的作用是通过受激辐射作用，使入射信号的能量/功率得到放大，同时要尽量保证入射信号的特性不变。

1.端面反馈的影响,无信号输入时，容易产生激光自激振荡,有信号输入时，端面反馈产生自激振荡,激光放大器只有当外界信号入射时，才能产生受激辐射作用，没有外界信号时不能产生激光。

若存在端面反馈，无信号时ASE可能产生振荡自激振荡。

自振消耗上能级粒子数，造成有信号时增益下降、输出不稳定。

端面反馈致使部分信号在增益介质中产生自激振荡。

可能损坏增益介质，同时使放大后脉冲发生波形畸变、能量下降和不稳定。

判断放大器稳定：

当无入射信号时，泵浦放大器的工作物质看是否有激光输出。

无激光输出