第七章激光放大特性

第七章激光放大特性劉雁三峽大學(xué)理學(xué)院2012版內(nèi)容提要光學(xué)放大器的一般知識(shí)激光放大器的分類按照激勵(lì)強(qiáng)弱的不同，工作物質(zhì)的三種狀態(tài)光纖放大器的一些知識(shí)7.1概述一、放大技術(shù)的目的：

不改變激光的狀態(tài)，增加激光輸出的能量或功率。為什么不直接用振蕩器來獲得高功率的激光輸出呢？原因：1、2、3實(shí)際上獲得高功率光束質(zhì)量優(yōu)良的激光光束的方法是什么？二、激光放大技術(shù)：1、定義：利用光的受激輻射進(jìn)行光的能量(功率)放大的器件。2、放大器的結(jié)構(gòu)：MOPAsystem:masteroscillatorpoweramplifiersystem根據(jù)振蕩級輸出激光的脈沖寬度不同可分為三種放大器。a.長脈沖激光放大器：一般振蕩級激光器輸出的是連續(xù)的或一般脈沖激光器。脈寬：τ>T1

其中T1是放大介質(zhì)激發(fā)態(tài)的粒子由于輻射躍遷的縱向弛豫時(shí)間?？v向弛豫時(shí)間：激發(fā)態(tài)的粒子所在的能級有一定的壽命，因此產(chǎn)生輻射躍遷有一定的滯后時(shí)間。固體：T1～10-3s主要由上能級的總壽命來決定。因此上能級的粒子數(shù)消耗掉以后來得及由泵浦得以補(bǔ)充。這時(shí)腔內(nèi)的光子數(shù)密度和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)可以認(rèn)為不隨時(shí)間變化——穩(wěn)態(tài)過程。

放大器時(shí)間的分類b.脈沖放大器：一般振蕩級為調(diào)Q激光器～10-8sT2<τ<T1

T1

：縱向弛豫時(shí)間。

T2

：橫向弛豫時(shí)間：放大介質(zhì)中粒子相互交換能量過程引起的非輻射躍遷使激發(fā)態(tài)的粒子的感應(yīng)偶極矩有一定的弛豫時(shí)間。由于脈寬較小，在脈沖信號(hào)放大期間，工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和光子密度是隨時(shí)間變化的。——非穩(wěn)態(tài)過程c.超短脈沖放大器：脈沖窄，是鎖模激光器，輸出的脈沖10-11

～10-15s。光信號(hào)和放大介質(zhì)的相干作用是一種相干的放大作用。情況比較復(fù)雜，需要采用半經(jīng)典理論進(jìn)行討論。a.振蕩級和放大級的介質(zhì)能級匹配。b.放大介質(zhì)處于粒子的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

放大器按照工作方式的分類：a.行波放大器：光信號(hào)只經(jīng)過工作物質(zhì)一次，一般放大器不加諧振腔，只有工作物質(zhì)。b.多程放大器：光信號(hào)在工作物質(zhì)中多次往返通過。C.再生式放大器：用一光束質(zhì)量好的微弱信號(hào)注入到激光器中，它作為一個(gè)“種籽”控制激光振蕩產(chǎn)生，并得到放大。放大級的作用是使從振蕩級輸出的光信號(hào)的能量（或功率）得到放大。條件：2.對其他脈沖波形的放大一般情況下激光器輸出的激光波形不是矩形。根據(jù)激光器的不同，輸出的可能是洛侖茲型或高斯型，指數(shù)型脈沖。求解的辦法和矩形情況相同但要復(fù)雜的多。但理論和試驗(yàn)結(jié)果證明激光脈沖通過放大器以后，主要是輸入波形的脈沖前沿影響輸出的波形。不同形狀光脈沖經(jīng)過放大器后的情形1.對矩形脈沖的放大強(qiáng)信號(hào)的情況下，脈沖前沿的增益與x是指數(shù)關(guān)系，脈沖后沿的增益減少。即脈沖不同處的增益不同。放大的光強(qiáng)不同，脈沖波形畸變，脈寬變化高斯型的函數(shù)exp（-t2/τ2）前沿比指數(shù)增加快（波形陡），則經(jīng)過放大以后脈沖得到壓縮。因?yàn)榉糯蟮玫皆鲆孀畲笫侵笖?shù)關(guān)系，增長速度比脈沖前后沿變化快。①入射脈沖為高斯型的函數(shù)②入射脈沖為指數(shù)型脈沖前沿成指數(shù)變化，前沿一般放大的多，因此輸出波形峰值位置隨L發(fā)生變化（L↑峰值前移）脈沖波形不變。—前沿放大幾乎是指數(shù)變化。從上面的討論可以看出：要獲得高功率窄脈寬的激光脈沖，在信號(hào)進(jìn)入放大介質(zhì)之前，先進(jìn)行整形?！捎孟鞑夹g(shù)，切去脈沖上升慢的部分。③入射脈沖為洛侖茲型脈沖前沿上升速度比指數(shù)慢，脈沖前沿放大的速率成指數(shù)比入射信號(hào)的前沿陡。輸出的波形脈寬加寬。上述行波放大器的主要缺點(diǎn)是：由于光信號(hào)一次通過放大介質(zhì)，則光信號(hào)過后，還可能有剩余的△n。因此能量利用率不高。因此在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了雙程、多程放大技術(shù)。雙程、多程放大器的結(jié)構(gòu)：在行波放大器的末端加一反射鏡。使光束多次通過放大介質(zhì)。一、雙程放大器。1.法拉第雙程放大器。（實(shí)際上隔離器）在振蕩器和放大器之間加一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器，P－偏振器一般采用格蘭棱鏡。P的作用：①起偏器。②輸出鏡,輸出的光是線偏光。光信號(hào)兩次通過放大介質(zhì)故稱為雙程放大器。

雙程和多程放大技術(shù)工作過程：光經(jīng)過偏振器后的偏振光，進(jìn)入法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振方向順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)45度，第一次通過放大介質(zhì)，由全反鏡反射后，第二次通過放大介質(zhì)和法拉弟旋轉(zhuǎn)器，偏振方向又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，不能通過偏振器，從P處輸出。利用法拉第旋轉(zhuǎn)器的雙程放大器的另一種結(jié)構(gòu)如下：P－偏振器，同時(shí)也是輸出鏡。法拉第旋轉(zhuǎn)器使光束的偏振面旋轉(zhuǎn)900。工作過程:經(jīng)過偏振器的光信號(hào)，在放大介質(zhì)中第一次放大后，經(jīng)法拉弟旋轉(zhuǎn)器，其偏振方向順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)90度，由全反鏡反射后，第二次通過放大介質(zhì)和法拉弟旋旋轉(zhuǎn)器，偏振方向又順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，從P處輸出。2.菲涅爾菱體雙程放大器。（實(shí)際上是隔離器）菲涅爾菱體可使線偏光通過后變成圓偏光。利用它的這個(gè)性質(zhì)，把它放到振蕩器和放大器之間組成雙程放大器

工作過程：其工作過程與利用法拉弟旋轉(zhuǎn)器的類似。從以上雙程放大器看出共同特點(diǎn)：①P既是起偏器又是輸出鏡。②光在放大介質(zhì)中兩次放大。③法拉第旋轉(zhuǎn)器或菱體的作用改變光的偏振方向。④隔離作用。3.雙程片狀放大器。把介質(zhì)做成片狀。由于片狀介質(zhì)可以做的尺寸大。最大幾百毫米。一般采用多級放大器時(shí)，把片狀放大器放在末級。工作過程：光信號(hào)由全反鏡M1、M6、M3，第一次通過放大介質(zhì)的不同位置，再由全反鏡M4、M5、M2，第二次通過放大介質(zhì)的不同位置，最后輸出。4.5再生式放大技術(shù)

上面講的是脈沖行波放大器，局限性：放大倍數(shù)低（一次通過），可采用多級放大。80年代新發(fā)展的一種再生式放大技術(shù)。再生式放大技術(shù)：將一光束質(zhì)量好的微弱信號(hào)注入一個(gè)激光振蕩器中，注入的光信號(hào)作為一個(gè)“種籽”控制激光振蕩的產(chǎn)生，即使激光振蕩是在這個(gè)“種籽”的基礎(chǔ)上而不是從噪聲中發(fā)展起來，并得到放大之后輸出腔外，從而得到光束性能優(yōu)良、功率高的激光。一光纖放大器的應(yīng)用光纖放大器是光通信發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)樗鉀Q了衰減對光網(wǎng)絡(luò)距離與傳輸速率的限制，完全擯棄了基于光—電—光轉(zhuǎn)換的昂貴的中繼器，從而可以實(shí)現(xiàn)比特率及調(diào)制格式的透明傳輸，升級換代也變得十分容易。高增益、低噪聲系數(shù)、高輸出光功率和較低的非線性失真是光纖放大器的基本要求。激光通訊與微波通訊相比，具有不少獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

與微波相比，光波頻率高3-5個(gè)數(shù)量級，頻率資源豐富得多。激光光束的發(fā)散角比微波波束的發(fā)散角小3-5個(gè)數(shù)量級。保密和抗干擾性能極好，這對軍事應(yīng)用十分有利。

光纖放大器的特點(diǎn)和分類光纖激光器和放大器的特點(diǎn):緊湊;好的熱穩(wěn)定性;輸出衍射極限的光束光纖放大器的種類:

功率放大器:直接用于光發(fā)射器之后,以進(jìn)一步將光發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)加以放大特點(diǎn):工作在深飽和區(qū)要求保持適中的增益和噪聲系數(shù)下能提供盡可能高的光功率前置放大器:直接用于接收機(jī)前以改善接收機(jī)的靈敏度.

特點(diǎn):為低功率器件,工作在小信號(hào)的區(qū)域在線放大器:用于2個(gè)無源光纖段之間,以增加傳輸距離特點(diǎn):具有較高的增益和輸出功率還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控信號(hào)的接入和取出具有分路的功能,用于多路傳輸系統(tǒng)中,還要具有足夠的增益帶寬

光放大器的分類半導(dǎo)體光放大器摻雜光纖放大器;如EDFA,YDFA,TDFA,非線性光放大器;如光纖拉曼放大器，光纖布里淵放大器，光纖參量放大器

表一：光放大器的性能比較SOA拉曼光纖放大器的特點(diǎn)增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦光源的波長適當(dāng)，理論上可以得到任意波長的信號(hào)放大使拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，對于開發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)1270nm-1670nm具有不可替代的作用

增益介質(zhì)為傳輸光纖本身使拉曼放大器可以對光信號(hào)進(jìn)行在線放大，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，降低了非線性效應(yīng)

噪聲系數(shù)低

不同摻雜光纖放大器放大波段Operationrange(nm)Dopantion880∽886Pr3+902∽916Pr3+900∽950Nd3+970∽1200Yb3+1000∽1150

Nd3+

1260∽1350Pr3+1320∽1400Nd3+1460∽1510Tm3+1500∽1600Er3+1700∽2015Tm3+2040∽2080Ho3+不同光纖放大器的放大波段光纖放大器的基本概念和光學(xué)元件光纖放大器的基本概念：光纖的損耗增益和噪聲飽和輸出功率：飽和輸出功率是指最大增益下降3dB時(shí)對應(yīng)的輸出功率。表示YDFA從線性增益區(qū)變化到非線性增益區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)輸出功率高于飽和輸出功率時(shí)，增益隨著輸出光功率的增大而減小其他光學(xué)元件：光隔離器光環(huán)行器波分復(fù)用器件；波分復(fù)用器又可分為棱鏡型、干涉模型和衍射光柵型三種

光纖光柵摻雜光纖放大器的發(fā)展方向光纖放大器存在的問題：放大器帶寬內(nèi)增益譜不平坦影響多信道放大性能光放大器級聯(lián)應(yīng)用時(shí)，ASE噪聲、光纖色散及非線性效應(yīng)的影響會(huì)累積這些都影響了光纖放大器的工作特性。發(fā)展方向：特殊波段的光纖放大器

尋找性能更好的芯層材料，如塑料光纖方面

光子晶體光纖放大器

功率光纖放大器（包括連續(xù)和脈沖信號(hào)放大）

全光纖的光纖放大系統(tǒng)

寬帶光纖放大器

EDFA寬帶摻雜光纖放大器的發(fā)展增益移位摻雜光纖寬帶光纖放大器和多波段級連寬帶放大器。如C+L波段、C+S波段、S+C+L波段等

通過改變基質(zhì)或者摻雜成份來實(shí)現(xiàn)寬帶放大。Er3+/Yb3+共摻光纖放大器，氟基、碲基、鉍基鉺纖和高摻鋁、摻磷鉺纖等。

采用傳統(tǒng)摻雜光纖放大器與光纖拉曼放大器級聯(lián)構(gòu)成的混合光纖放大器。如EDFA/Raman、TDFA/Raman混合放大器等

Yb光纖的吸收和發(fā)射譜、能級結(jié)構(gòu)g11630f11000e10260d1490c1060b600a0cm-1Yb3+energylevelstructure2F5/22F7/2不同內(nèi)包層光纖的吸收效率光纖功率放大器所遇到的問題和解決方法限制了功率的進(jìn)一步增加的因素：非線性效應(yīng)（如：SBS,SRS）解決方法：增加纖芯直徑D并且降低其數(shù)值孔徑NA.

（當(dāng)D*NA小于某個(gè)極限時(shí)，光纖就可以實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，否則就會(huì)使輸出光束的質(zhì)量下降。有時(shí)候?yàn)榱说玫胶玫墓馐|(zhì)量，解決的方法是纏繞光纖，引入彎曲損耗）增加光纖的摻雜濃度，減小光纖的長度光纖放大器的一些非線性效應(yīng)的閾值

光纖放大器的噪聲摻雜光纖放大器的噪聲主要有以下四種:信號(hào)光的散粒噪聲；

ASE

ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲。ASE光譜間的差拍噪聲.以上四種噪聲中放大的自發(fā)輻射AS