激光基本原理和分類介紹

1、激光基本原理和分類介紹激光放大器分為：連續(xù)激光放大器、脈沖激光放大器和超短脈沖激光放大器。橢圓柱聚光腔典型固體激光放大器示意圖Laser rod激光振蕩器泵浦燈儲能器觸發(fā)器Laser rod泵浦燈儲能器觸發(fā)器延時器激光放大器的特點a、多數(shù)不需要諧振腔鏡，為行波放大器。特例：再生放大器。b、因一次性通過工作物質(zhì)，故不易破壞工作物質(zhì)。c、振蕩級和放大級有機結(jié)合可使高的光束質(zhì)量和高的能量功率兼得。d、振蕩級和放大級的匹配需要時間延遲電路。e、激光放大器中存在放大的自發(fā)輻射(ASE) ，其功率大，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。5.1 放大器分類一、按時間特性分類

2、 (入射信號脈寬t0 及工作物質(zhì)弛豫時間T )1、分類根據(jù)： 被放大信號脈寬t0 與工作物質(zhì)弛豫時間T的相對大小關(guān)系。2、弛豫時間及分類弛豫時間：某種狀態(tài)的建立或消亡過程。 縱向弛豫時間T1：反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的增長與衰減所需時間。理由：粒子在非基態(tài)能級上有有限壽命。10-310-4s(固體)10-610-9s(氣體)10-9s(半導(dǎo)體)橫向弛豫時間T2：宏觀感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡不是瞬時的。極化強度P(z, t)較E(z, t)落后的時間T2即是橫向弛豫時間。理由：一方面,在電磁場作用下,工作物質(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

3、極化消失，此為消相過程。10-1110-12 s (固體)10-810-9s(氣體)10-13s (半導(dǎo)體)3、激光放大器的分類連續(xù)激光放大器脈沖激光放大器超短脈沖激光放大器4、連續(xù)激光放大器(1)條件：當激光放大器的輸入信號是連續(xù)或非調(diào)Q激光脈沖時，有t0T1。(2)特點：由于光信號與工作物質(zhì)作用時間足夠長，因受激輻射而消耗的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來得及由泵浦抽運所補充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度均可到達穩(wěn)態(tài)?？捎梅€(wěn)態(tài)法處理。5、脈沖激光放大器(1)條件：當T2t0T1，如調(diào)Q激光脈沖作為輸入信號時。(2)特點：因受激輻射而消耗的反轉(zhuǎn)集居數(shù)來不及由泵浦抽運所補充。故反轉(zhuǎn)集居數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度達不到穩(wěn)態(tài)

4、。需用非穩(wěn)態(tài)法處理。6、連續(xù)激光放大器與脈沖激光放大器的共同點均有T2t0，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P所需時間T2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?？捎盟俾史匠?。7、超短脈沖激光放大器當 t00工作物質(zhì)兩端面無反射的放大器。要求：只要求入射光頻率在增益介質(zhì)譜線范圍內(nèi)。增益：8、若輸入光信號為高重復(fù)率脈沖序列，且脈沖周期T0增益：用多光束干涉處理工作物質(zhì)單程傳輸?shù)脑鲆鏋?經(jīng)過復(fù)雜的推算后得:為入射光頻率二反射面組成的諧振腔的諧振頻率(1)當 時:最大增益(2)當 時:討論：可見，僅當入射光頻率在諧振腔本征 頻率附近時，才能得到有效放大。 l

5、、Gs、r 越大，得到有效放大所允許的頻率范 圍越窄。 當 r1=r2=0時，(行波放大器)，則 G=Gs。(3) 再生放大器的優(yōu)缺點優(yōu)點: 可獲得較高的增益。缺點: 頻率匹配技術(shù)復(fù)雜。52 均勻激勵連續(xù)激光放大器的增益特性均勻激勵的光放大器，工作物質(zhì)中的小信號增益系數(shù)、小信號反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度及飽和光強均為與傳輸距離無關(guān)的常數(shù)。1、輸入信號強度對放大器增益的影晌 小信號增益前置放大器若入射光信號非常微弱，工作物質(zhì)短，且：小信號增益:可用作前置放大器 大信號增益(飽和狀態(tài))功率放大器入射光較強，工作物質(zhì)長，且：目標：求 及 (顯式或隱式)(1) 歸一化輸出光強 (2) 增益 2、最大輸出光強3、增

6、益譜寬及輸出譜線輪廓變窄中心頻率處增益大，偏離中心頻率處增益小，放大器輸出光輪廓將比入射光譜線輪廓窄。5.3 縱向光激勵連續(xù)激光放大器增益特性一、連續(xù)激光放大器 以三能級光纖放大器為例討論連續(xù)激光放大器的增益特性。 用縱向泵浦方式，信號光強I(z)(光功率P(z)、泵浦光強Ip(z)(光功率PP(z)及小信號反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度均隨光傳播距離z變化。 不考慮激活離子的橫向分布，假設(shè) f1=f2，F(xiàn)1忽略光纖的損耗，只考慮泵浦光與信號光同向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?。描述信號和泵浦光強變化的輸運方程。穩(wěn)態(tài)速率方程為n為光纖中摻雜(Er 3+)離子數(shù)密度。S32很大描述歸一化信號光強及泵浦光強變化的輸運方程 摻雜光

7、纖中信號光和泵浦光的小信號吸收系數(shù)，泵浦光沿著光的傳輸方向因被吸收而逐漸衰減.信號光逐漸增長信號光逐漸減弱信號光增長或衰減的閥值泵浦光強 若光纖放大器中信號光很弱,則放大器小信號增益G0與信號光強無關(guān)，但和入射泵浦光光強及摻雜光纖長度有密切關(guān)系。 歸一化小信號增益和歸一化摻鉺光纖長度關(guān)系曲線 歸一化小信號增益和歸一化泵浦功率關(guān)系曲線 小信號增益G0隨泵浦光功率的增加而增大，當光纖長度一定時，泵浦光過強，未被充分吸收的過剩泵浦光能量從輸出端逸出，對提高放大器的增益不起作用。 三飽和增益和輸出功率 小信號工作狀態(tài)下雖能得到較大的增益，但光放大器的輸出光功率很小，只適于用作前置放大器。對于需要輸出相

8、當光功率的光纖放大器，通常工作于大信號增益飽和狀態(tài)。 輸出信號光功率Pl和輸入信號光功率P0的關(guān)系曲線呈飽和狀，光放大器的增益將隨輸出光功率P(l)增加而下降。 曲線的平坦部分對應(yīng)于小信號工作區(qū)，增益較小信號增益下降3dB所對應(yīng)的輸出功率稱作光放大器的飽和輸出功率，它表征光放大器的高功率輸出能力。圖 摻鉺光纖放大器的增益飽和特性 當泵浦光功率一定時，若光纖長度等于最佳長度，則光放大器具有最大增益G0，相應(yīng)的最大輸出光功率為Pm,由此可求出Gm及相應(yīng)的Pm和輸入信號光功率P0及泵浦光功率Pp的關(guān)系。 以上分析是針對縱向泵浦的光纖放大器，增益飽和特性對其他連續(xù)激光放大器也有普遍意義。 圖 歸一化信

9、號輸入輸出光功率特性脈沖激光放大器的增益特性 脈沖激光放大器的工作特性主要為：l、初始反轉(zhuǎn)集居數(shù)n0與輸入信號能量的關(guān)系。2.輸出脈沖的波形。 分析脈沖放大器的工作特性時，假設(shè)：入射信號脈寬遠小于放大器的熒光壽命，忽略在短時間內(nèi)光泵抽運和自發(fā)輻射對反轉(zhuǎn)集居數(shù)的影響。在連續(xù)波放大器中，它們的影響是不能忽略的。在工作物質(zhì)橫截面內(nèi)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)均勻分布。工作物質(zhì)譜線是均勻加寬線型，入射信號波長為譜線中心波長。 初始反轉(zhuǎn)集居數(shù)n0,在t=0時刻光脈沖信號I0(t)沿著z軸方向入射。光信號不斷被放大，反轉(zhuǎn)集居數(shù)不斷被消耗，單位體積中的反轉(zhuǎn)聚居數(shù)及光子數(shù)分別為n(z,t)及N(z，t)光子流強度 描述J（z

10、，t)及n(z,t)變化的方程稱作脈沖行波放大器的輸運方程。光泵及自發(fā)輻射的影響在短脈沖作用時可忽略不計， f1=f2，F(xiàn)1可得到三能級系統(tǒng)脈沖行波放大器的輸運方程 對于四能級系統(tǒng)脈沖行波放大器,由于在很短的入射信號作用期間，四能級系統(tǒng)激光下能級往往來不及抽空，所以可看作準三能級系統(tǒng)。 激光放大器示意圖輸運方程的邊界條件為 二、脈沖放大器的輸出能量及能量增益放大器輸入信號的能量為輸出信號能量為放大器的能量增益輸運方程解J(l)在小信號情況下,隨l指數(shù)增加對于強入射信號 當放大器長度增大到一定程度后，輸出能量趨于飽和。 放大器可能輸出的最大總光子數(shù)密度為與輸入能量無關(guān)。 初始反轉(zhuǎn)集居數(shù)越大，放大

11、器的損耗越小，則放大器可能輸出的能量越大。脈沖放大器輸出能量和長度的關(guān)系 當損耗系數(shù)極小時，可將放大器看作一無損耗放大器，在無損放大器中，輸出能量及能量增益隨放大器長度的增加而增加三、功率增益與脈沖寬度變窄輸入光脈沖強度很弱 脈沖的任一部分功率增益是相等的，輸出脈沖波形沒有畸變。 功率增益隨n0和l的增加而指數(shù)地增加。輸入光脈沖較強，這時t越大，GP(t)越小。 由于當脈沖前沿通過工作物質(zhì)時反轉(zhuǎn)集居數(shù)尚未因受激輻射而抽空，而當脈沖后沿通過時，前沿引起的受激輻射已使反轉(zhuǎn)集居數(shù)降低，所以后沿只能得到較小的增益。 結(jié)果輸出脈沖形狀發(fā)生畸變，矩形脈沖變成尖頂脈沖，脈沖寬度變窄。輸入矩形脈沖 輸入矩形光

12、脈沖時輸出光 脈沖形狀的變化 入射光脈沖越強，初始反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度越大，放大器越長，則其飽和效應(yīng)越嚴重，因而脈寬變窄越顯著。5.5 放大的自發(fā)輻射(ASE) 按照激勵強弱程度的不同，工作物質(zhì)可處于三種狀態(tài)弱激發(fā)反轉(zhuǎn)激發(fā)，激勵較強，則工作物質(zhì)對自發(fā)輻射有放大作用，但不滿足閾值條件，不能形成自激振蕩，輸出光是放大的自發(fā)輻射。超閾值激發(fā)狀態(tài)；激勵很強，可形成自激振蕩而產(chǎn)生激光。輸出光中所包含的放大的自發(fā)輻射可以忽略。 放大自發(fā)輻射的不利影響：在激光放大器中，除了輸入信號被放大外，不可避免地存在放大的自發(fā)輻射，放大的自發(fā)輻射的存在增加了放大器的噪聲。自發(fā)輻射引起的受激輻射使激光上能級壽命減少。 無諧振腔

13、的激光器：氮分子和氫分子激光器都屬于此類。無諧振腔激光器的輸出光實質(zhì)上是放大的自發(fā)輻射。 無諧振腔激光器應(yīng)用在真空紫外及x射線波段。 當放大的自發(fā)輻射引起的上能級粒子衰減與其他弛豫過程(自發(fā)輻射及無輻射躍遷)造成的衰減率可以比擬時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將顯著下降，因而增益系數(shù)也隨之下降放大的自發(fā)輻射造成的增益飽和效應(yīng)，使放大器的凈增益下降。放大器的增益系數(shù)越大，工作物質(zhì)長度越長，放大的自發(fā)輻射就越嚴重。在放大器中，放大的自發(fā)輻射是有害的，在設(shè)計與應(yīng)用放大器時應(yīng)設(shè)法減少其影響。一、放大的自發(fā)輻射的強度 激光工作物質(zhì)的增益系數(shù)越高，長度越長，放大的自發(fā)輻射強度j也就越大。 當工作物質(zhì)較短或小信號增益系數(shù)較小

14、時，j按指數(shù)規(guī)律隨z增大而增加。但當工作物質(zhì)較長或小信號增益系數(shù)較大時，放大的自發(fā)輻射強度達到一定程度后將引起增益飽和。 無腔激光器中有兩束背向傳輸?shù)墓釰+和J-分別自二端口出射，共同影響增益飽和行為，在端口處，由于放大的自發(fā)輻射光增強，飽和效應(yīng)顯著。圖 氮激光器337nmASE功率和長度的關(guān)系圖 典型ASE激光器內(nèi)增益飽和及行波光強二、放大的自發(fā)輻射的方向性 自發(fā)輻射均勻分布于4立體角內(nèi)，而帶有諧振腔的激光器的輸出激光具有很好的方向性。放大的自發(fā)輻射的方向性則介于二者之間。 圖 分析放大的自發(fā)輻射方向性 由于從不同點出發(fā)的自發(fā)輻射行進到輸出端所經(jīng)歷的路程不同，所以對放大的自發(fā)輻射的貢獻不同。

15、 發(fā)散角和激光工作物質(zhì)的尺寸有關(guān)，df越大，則發(fā)散角越大；發(fā)散角還和激勵程度有關(guān)，激勵越大，發(fā)散角越大。 工作物質(zhì)側(cè)壁的多次反射也會使發(fā)散角增加，因此有時為了減小發(fā)散角而將側(cè)壁打毛。 一般單模激光器中由于諧振腔的作用，具有很好的單色性。放大的自發(fā)輻射的譜線寬度大于單模激光器線寬。在考慮放大的自發(fā)輻射時，與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光與工作物質(zhì)的譜線寬度可相比擬，不能簡單地按照準單色光問題來處理。三、放大的自發(fā)輻射的線寬 自發(fā)輻射較弱時放大的自發(fā)輻射譜線比自發(fā)輻射譜線窄。增益越大，則變窄程度越大。變窄的原因是譜線中心的增益系數(shù)較偏離中心頻率時的增益系數(shù)大，而放大的自發(fā)輻射強度是增益系數(shù)的指數(shù)函數(shù)。 當傳播距離足夠遠，以致放大的自發(fā)輻射強度足夠