第六章激光放大特性

第六章激光放大特性光放大器概述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、脉宽相互制约腔内光功率过大易损害腔内光学元件。

光放大器的类型口利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）口利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）口利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）几种光放人器的比较§6.1激光放大器的特点与分类光放大概念一利用受激辐射实现光放大 光放大的前提条件一粒子数反转分布入射光信号波长要求？光信号波长（频率）需与跃迁能级间隔相对应激光行波放大器—无谐振腔激光器一处于粒子数反转状态的工作物质按工作方式分类:•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I Q g>0/(/)P QPQ)p 。

行波放大器0) p(/)再生放大器（F-P 放大器）q「2g<0—g=o■4g>0吸收透明放大激光器一激光振荡器一再生（光）放大器V 偏离\怙Gl ;1*1、1*2 T , V 偏离％允许值越小，增益G T口增益G 足描述光放大器对信号放大能力的参数。

定义为:厂(g 、 |ai , Ps,out 一«出信号光功率 (j(dB)=10 log 10 ——PsM 一績入值号光功率□ G 与光放人器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很fi 杂的关系。

放大器増益行波放大器增益再生放大器增益 r ㈡I "2多光束干涉处理*仆0)Ht}G = ---------------------(>-+4(6.1.3)c (1-7^0 J—最大增益G(〃8)=101gG△V L 为主 厂2 =九=1/泌％△*)为主 r>l/2Av^输入光功率较小肘，G 是一常即输出光功率Phoi ；T 与输入光功率Ps 成正比例.G 。

光放大器的小信号増益。

35 r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％及工作物质弛豫时间T ） 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T|：辐射跃迁（有限寿命），导致反转粒子 数的变化需要一定的时间（「〜5） 横向弛豫时间丁2—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一同相，碰撞等其它作用一消相)025 i 20GoHZ3dB10®60■50 —40 — 30 —20输入信号功率（dBm ）-10 0 10i 饱和区域放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。

第六章光放大器6.1 光放大器简介6.2 半导体光放大器6.3 掺铒光纤放大器(EDFA)任何光纤通信系统的传输距离都受到光纤损耗或色散的限制，因此，在长距离传输系统中，每隔一定距离就需设置一个中继器以保证信号的质量。

中继器是将传输中衰减的光信号转变为电信号，并放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再变换为光信号(光－电－光过程)，再继续由光纤传输。

这种方式的中继器结构复杂，价格昂贵，尤其对DWDM 系统，若采用光－电－光混合中继方式，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道信号进行中继再生，再将各信道信号复用到光纤中进行传输，这样将需要大量中继设备，成本很高。

宽带宽的的各放大器可以对多信道信号同时放大而不需进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。

•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度（FWHM ）⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−∆=∆2ln 2ln 0L g g A νν0ωω=()ωG ()ωg 当 时， 和均达到最大值。

由图可知，放大器带宽比介质带宽窄得多。

右图为归一化增益和 随归一化失谐变化的曲线。

R τωω)(0−()ωG ()ωg Rτωω)(0−0G G 0g g 其实，只考虑了单纵模的情形。

(见下文后，回头再来理解。

)2. 增益饱和与饱和输出功率增益饱和是对放大器放大能力的一种限制。

由上式知，放大系数 在接近 时显著减小。

s P 当增大至可与 相比拟时，放大系数 随信号功率增加而降低，这种现象称为增益饱和。

P )(ωG 在前述讨论的基础上，设输入光信号频率位于增益峰值( )处，可推得(见马军山《光纤通信原理与技术》)：0ωω=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅−−=s out P P G G G G 1exp 0s P out P G 饱和输出功率：放大器增益降至最大小信号增益值一半时的输出功率。

20G G =令 得到饱和输出功率为：s s out P G G P 22ln 00−=例 G 0>>2(如：增益为30dB, G 0=1000), P s out ≈0.69Ps, 表明放大器的饱和输出功率比增益介质的饱和功率低约3030%.%.三. 光放大器的类型光放大器主要有三类：（1）半导体光放大器(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)注：有文献也把半导体光放大器写为SLA(Semiconductor Laser Amplifier)（2）掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、钕Nd等)的光纤光放大器，主要是掺铒光纤放大器(EDFA,Erbium-Doped Fiber Amplifier)。

激光原理复习题重点难点《激光原理》复习第⼀部分知识点第⼀章激光的基本原理1、⾃发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作⽤。

激光器有哪些类型？如何对激光器进⾏分类。

3、什么是光波模式和光⼦状态？光波模式、光⼦状态和光⼦的相格空间是同⼀概念吗？何谓光⼦的简并度？4、如何理解光的相⼲性？何谓相⼲时间，相⼲长度？如何理解激光的空间相⼲性与⽅向性，如何理解激光的时间相⼲性？如何理解激光的相⼲光强？5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？4、产⽣激光的必要条件是什么？热平衡时粒⼦数的分布规律是什么？5、什么是粒⼦数反转，如何实现粒⼦数反转？6、如何定义激光增益，什么是⼩信号增益？什么是增益饱和？7、什么是⾃激振荡？产⽣激光振荡的基本条件是什么？8、如何理解激光横模、纵模？第⼆章开放式光腔与⾼斯光束1、描述激光谐振腔和激光镜⽚的类型？什么是谐振腔的谐振条件？2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？3、如何理解⽆源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅⽿数，它与腔的损耗有什么关系？4、写出（1）光束在⾃由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹⾯镜反射5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？6、什么是⾃再现模，⾃再现模是如何形成的？7、画出圆形镜谐振腔和⽅形镜谐振腔前⼏个模式的光场分布图，并说明意义8、基模⾼斯光束的主要参量：束腰光斑的⼤⼩，束腰光斑的位置，镜⾯上光斑的⼤⼩？任意位置激光光斑的⼤⼩？等相位⾯曲率半径，光束的远场发散⾓，模体积9、如何理解⼀般稳定球⾯腔与共焦腔的等价性？如何计算⼀般稳定球⾯腔中⾼斯光束的特征10、⾼斯光束的特征参数？q参数的定义？11、如何⽤ABCD⽅法来变换⾼斯光束？12、⾮稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是⾮稳定腔。

第三章电磁场与物质的共振相互作⽤1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和⾮均匀加宽？它们各⾃的线型函数是什么？2、⾃然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？3、光学跃迁的速率⽅程，并考虑连续谱和单⾊谱光场与物质的作⽤和⼯作物质的线型函数。

光子学中激光发射和放大的机制光子学是研究光的产生、传播、控制和应用的学科，其中激光技术可以说是最有代表性的一种应用。

激光的产生和放大是激光器的核心部分，这里我们将探讨激光发射和放大的机制。

一、激光发射的机制激光发射的机制可以用四个词来概括，即激励、反转、反馈、放射。

1. 激励激励是激光发射的第一步，也是最关键的一步。

激励过程就是通过能量输入，使激光介质中的原子、分子或离子处于激发状态，也就是电子处于高能量的激发态。

有两种激励方式：光子激励和电子激励。

光子激励主要是通过激光或其他强光源来激发激光材料，电子激励则是利用电子束或放电电流来激发。

一般激光器采用光子激励。

2. 反转反转是指在激光介质中激发了足够多的原子或分子处于相同的激发态，形成了种子粒子互相之间处于同一能级的放大区域。

通过这种放大区域，产生的激光光子可以产生额外的放射效果。

反转可以分为两种形式：亚稳反转和泵浦反转。

亚稳反转是指激发能量在外界的作用下形成临界点，即有足够的能量来产生激光产额外的发射，而泵浦反转是指把足够多的粒子激发到激发态，使这些原子或分子能够在一个相同的宽带激光下发射激光光子。

3. 反馈反馈是指反向反射到激光介质的一部分激光光子继续放大，在激光介质中反复穿过，从而产生更多的反转。

这样的过程就产生了参量振荡的“自激放大”，产生新的激光。

4. 放射放射是指激光从激光器中发射出来。

由于激光介质中的原子或分子都处于同一激发态，随着光子在介质中位置的变化，激跃发射使得粒子放出同相位同频率的光子。

二、激光放大的机制激光放大的机制和激光发射机制类似，但是放大是一种被动的过程，需要足够多的光子精心准备，才能在介质中传播。

激光的放大是通过将信号输入到激光介质中来实现的，信号通过激发激光介质中的原子或分子，产生反转和放大。

同样的，发射过程就是在放大的基础上，最终通过激光介质中的原子或分子发射出来的。

这里还要提到的是，激光放大的过程还需要一个吸收介质，吸收输入信号和导致冯费华效应的光子。