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激光放大技术

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激光放大特性

激光放大特性

② 放大介质的温度不均匀，因而折射不均匀。中心温度低n小， 引起热畸变，造成光发散角的增大。主要是光泵过程中，由 于棒的几何形状与物质的热传输特性造成的光学畸变与应力 波怀。 2.采取的办法： 改变棒的形状，提高棒的冷却效果和泵浦均匀。 ① 将放大介质做成由几根棒组成，消除光泵不均匀。（冷却好， 反转粒子数分布好。） ② 将放大介质做成片状。－ 片状激光放大器。把片状结构的 放大介质组合起来，采用面泵浦，多灯照明，均匀泵浦，消 除热畸变效应和增益不均匀。
2.采取的措施： 为了消除端反馈： ① 端面镀增透膜，可使端面反射率降到1% 以下，在小器件中用。 但增透膜易潮解，当功率太高时，膜层吸收激光易损坏. ② 端面磨成布儒斯特角（与入射光成570）— 偏振光 tgθ＝ n2/n1 缺点：光束的象散现象严重影响光束的方向性。光束折射以后 偏离棒轴大，占据空间大，调整困难。 端面磨成2－30（既可以消除反馈，又不影响光束的方向性）。 一般采取平行四边形 － 没有色散。采用梯形 — 色散。 二、级间隔离: 一般放大器采用多级放大器 — 获得更大的能量输出。由于入 射信号进入放大器之前，放大器处于粒子反转状态。因此容易 产生超辐射 － 后级超辐射进入前级中。超辐射进入放大器中消 耗△n，结果降低放大器的增益，影响振荡器的稳定工作。
3.泵浦时间的匹配。 振荡级和放大级之间泵浦时间的匹配。为了使输出的能量最大， 两者相匹配的条件是：振荡级输出的光信号到达放大级时，正 好放大级的反转粒子数达到最大。 由于放大级的介质尺寸大，因此泵浦需要的能量高。 W＝cv2/2 c↑ v↑ － 放电时间长 一般放大级先泵浦。
A－振荡级调Q激光器氙灯放电线在t1处出激光。 B－放大器氙灯放电线在t2处达到最大粒子数反转状态。 泵浦时间匹配的办法：在各级之间加有触发同步电路。由于激 光器的工作状态受各种条件的影响，因而没有一固定的经验 公式，同步的时间由试验确定。 四、消除不均匀性的影响。 放大介质尺寸较大。优点：增加输出的能量。 缺点：造成光 泵不均匀。 1.光泵不均匀的后果： ① 反转粒子数不均匀。主要是沿截面分布的不均匀；中心比边 缘的反转粒子数小，造成增益不均匀；对光的放大不均匀， 输出的波形畸变。

光纤型激光放大器是怎样工作的

光纤型激光放大器是怎样工作的

光纤型激光放大器是怎样工作的光纤型激光放大器是在光纤芯材中掺杂能产生激光的元素，其实是把固体激光器作成光纤形状，所以也称光纤激光器。

光纤放大器是利用光纤的非线性特点，即光纤输入功率增加到一定程度，光纤中光的传输不再是线性关系。

光纤材料会受强入射光的激发而产生许多频率和许多模式的光。

如果其中某一频率的信号光输入到该光纤中，它会接收强输入的泵浦光的能量，沿着光纤逐步增强，而输出一个与信号光频率相同、传输模式相同的较强光，起到光的放大作用。

光放大器的输出功率由泵浦光功率和泵浦光波长决定。

为保证光链路的载噪比，光放大器的输入功率应在-3～+6dBm之间，以维持光放大器的输出功率基本恒定。

目前实用的光纤放大器是使用掺铒(Er)元素作为激光介质。

当泵浦光输入掺铒光纤时，高能级的电子经过各种碰撞后，发射出波长为1530～1560 nm的荧光，这是一种自发辐射光。

若波长在1550nm附近的某种信号光入射时，它会接收强输入(泵浦光)的能量，沿着掺铒光纤逐步增强，从而将该信号光放大，其原理如图2所示。

当泵浦光输入掺镨(Pr)光纤时，输出光的波长为1310nm，这种光放大器虽已做过大量试验，但还没有进入实用阶段。

光纤型激光放大器的优点是：与光纤的连接性能好，光的偏振方向无相关性(与增益无关)，可获得高的放大增益。

什么是光放大器?它与激光器有何区别？光放大器是一种不用再生调制信号而直接放大光信号的设备。

其实质是在泵浦光的作用下，用输入的光信号去激励已经实现粒子数反转的激活物质，得到强度增大的光。

它与激光器的区别在于反馈量的不同，激光器反馈较强以实现光振荡，而光放大器反馈较小，要抑制光振荡。

这一点非常类似电信号处理中放大器和振荡器的关系。

光放大器的基本原理是进行能量转换，利用激光物质将外界能量转化为光能量，实现对入射光信号的放大。

光放大器主要有两种：一种是半导体材料制成的半导体激光放大器；另一种是用一段光纤产生光放大作用，称为光纤型激光放大器。

激光放大原理

激光放大原理

激光放大原理
激光放大原理是指利用激光的共振放大特性，在激光谐振腔中通过受激辐射过程将激光光子数目增加，从而实现激光的放大。

激光谐振腔通常由两个反射镜和介质构成，激光在谐振腔内来回反射，同时不断受到外界的激发。

当外界激发达到一定强度时，激光开始出现共振放大现象，即激光光子数目不断增加，激光强度不断增大。

这种放大过程不仅需要激光谐振腔的精心设计，还需要选择合适的激光介质和激发方式，在实际应用中具有广泛的应用价值。

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半导体激光器光放大,粒子数反转及产生激光的条件

半导体激光器光放大,粒子数反转及产生激光的条件

一、概述半导体激光器是一种应用广泛的激光器组件，其工作原理主要基于光放大、粒子数反转和产生激光的条件。

本文将从这三个方面展开探讨，分析半导体激光器在光放大、粒子数反转和激光产生方面的原理和条件，以及其在实际应用中的重要性和发展前景。

二、光放大1. 光放大的原理半导体激光器的光放大原理基于电子和空穴在半导体材料中的复合过程。

当外加电压作用下，电子和空穴通过与材料内部的能带结构相互作用，发生辐射复合，并释放出光子。

这些光子在光波导中不断反射，形成光放大。

2. 光放大的条件光放大的条件主要包括外加电压、半导体材料的能带结构和波导结构等因素。

其中，外加电压的大小决定了电子和空穴的注入浓度，能带结构则决定了光子的发射和吸收过程，波导结构则影响了光子的传播和反射。

三、粒子数反转1. 粒子数反转的概念粒子数反转是指在半导体材料中，处于激发态的粒子数多于处于基态的粒子数，从而形成了非热平衡态。

这种粒子数反转是产生激光的前提条件。

2. 粒子数反转的实现粒子数反转的实现需要通过外界光激发或电子注入的方式，将处于材料的基态的电子或空穴激发到高能级，从而实现处于高能级的粒子数多于基态的粒子数，进而实现粒子数反转。

四、产生激光的条件1. 情况一：光放大条件下的粒子数反转在光放大条件下，外界光激发或电子注入导致了粒子数反转，此时，当光子在材料中反射、被吸收和发射后达到一定数量和分布时，就会产生激光。

2. 情况二：激射阈值条件在光放大条件下，粒子数反转达到一定程度时，即达到了激射阈值，此时将会出现放大因子大于1的现象，从而产生了激射效应。

五、半导体激光器的应用和发展半导体激光器作为一种重要的激光器组件，具有体积小、效率高、响应速度快等优势，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

随着半导体材料、器件技术的不断发展，半导体激光器的性能和应用领域也在不断拓展和深化，具有广阔的发展前景。

六、结论半导体激光器的光放大、粒子数反转和激光产生是其实现激光放大的基本原理和条件。

啁啾激光脉冲放大技术原理

啁啾激光脉冲放大技术原理

啁啾激光脉冲放大技术原理引言：随着科技的不断发展，激光技术在各个领域中得到了广泛的应用。

而其中的一项重要技术，就是啁啾激光脉冲放大技术。

本文将围绕此技术的原理展开阐述，旨在为读者提供更深入的了解。

一、激光脉冲放大技术概述激光脉冲放大技术是一种利用激光器对脉冲信号进行放大的技术，广泛应用于高能物理实验、激光雷达、激光医疗等领域。

而啁啾激光脉冲放大技术则是在传统激光脉冲放大技术的基础上进行改进和优化的一种技术。

二、啁啾激光脉冲放大技术原理啁啾激光脉冲放大技术的原理可以简单概括为以下几个环节：脉冲生成、脉冲放大和脉冲压缩。

1. 脉冲生成啁啾激光脉冲放大技术的第一步是生成脉冲。

通常采用的方法是通过模式锁定激光器产生超短脉冲。

模式锁定是一种通过调整激光器内部的光学元件，使其产生特定的模式来实现脉冲的方法。

2. 脉冲放大在脉冲生成后，需要对脉冲进行放大以增强其能量。

啁啾激光脉冲放大技术采用了一种特殊的放大器，即所谓的“啁啾放大器”。

啁啾放大器的特点是能够将传入的脉冲进行放大，并保持其原有的啁啾特性。

啁啾放大器的工作原理是利用一种称为“自相位调制”的技术。

通过在放大器中引入控制信号，调节放大器的折射率，从而实现对脉冲的放大。

同时，通过在放大器中引入特定的谐振腔结构，可以增强脉冲的激光场强度，进一步提高放大效果。

3. 脉冲压缩在脉冲放大完成后，为了进一步提高脉冲的功率和能量密度，需要对脉冲进行压缩。

啁啾激光脉冲放大技术通常采用非线性光学晶体或光纤等器件来实现脉冲的压缩。

脉冲压缩的原理是利用非线性效应，在光学晶体或光纤中产生高阶谐波，从而使脉冲的频谱发生变化，实现脉冲的压缩。

通过适当设计压缩器的结构和材料，可以实现对脉冲的高效压缩，从而得到更高功率和更短脉冲宽度的激光。

三、啁啾激光脉冲放大技术的优势啁啾激光脉冲放大技术相对于传统的激光脉冲放大技术具有以下几个优势：1. 高能量：啁啾放大器可以有效地将传入的脉冲进行放大，从而实现高能量输出。

平滑化窄脉冲高功率准分子激光放大技术

平滑化窄脉冲高功率准分子激光放大技术
关 键 词 ： 分子激光 ； 准 高功 率激 光 ； 光 放 大 ； 激 光束 平 滑
文献标识码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＯＰ ２ １ １ ０ ． ３ ７ ｏ ：０ ３ ８ ／ Ｅ． ０ １ ９ ２ ０ ９ 中 图分 类 号 ： ＴＮ２ ８ ２ ４ ．
Ａｍ ｐｌｆ ｃ ｔｏ ｆ ｈｉ ｈ ｐｏ ｅ ｈｏ ｔｐｕ ｓ ｉｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｇ ｗ ｒ ｓ ｒ ｌ ｅ ｅ ｃ ｍ ｅ ａ ｅ ｔ ｅ ｍ ｍ ｏ ｔ ｉ ｘ ｉ ｒ ｌ ｓ ｒ ｗｉｈ ｂ ａ ｓ ｏ ｈ ｎｇ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｏ ｂ ｎ ｔｏ ｐｔｃ ｌａ ｇｕ ａ ｕ ｉ ｌ ｘｉ ｇ ａ ｈ ｌ ｎ Ｆｒ ｅ Ｉ ｄｕ ｅ ａ ｉｌ ｎｃ ｈｅ — ｅ ｃ ｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏｆｏ ｉａ ｎ ｌ ｒ ｍ ｔｐ ｅ ｎ ｎｄ Ｅｃ ｅ ｏ ｅ ｎ ｃ ｄ Ｓｐ ｔａ Ｉ ｏ ｒ ｅｃ （ ｎ ｅ ＥＦＩ ） ｉ ｅ ｔｃ ｉｅ ｆ ｒ ｔ ｅ ｐ ｓ ｏ ｐ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｓ ｏ ｔ ｎ ｎ ａ ｈｉ ｗｅ ｘｃｍｅ ＳＩ ｓａ ｂ ｓ ｈｏ ｃ ｏ ｈ ｕｌｅ ｃ ｍ ｒ ｓ ｉ ｎ ａ ｄ ｂｅ ｍ ｍ ｏ ｈｉ ｇ ｉ ｇｈ ｐｏ ｒ ｅ ｉ ｒ
ＺＨ ＡＯ ｅｑｎ Ｘｕ — ｉ ｇ，ＬＩ Ｊｎ — ｕ Ｕ ｉｇ ｒ ，ＹＩＡｉ ｉｇ，ＸＵＥ Ｑ ｕ ｎ ｘ ，ＨＵ Ａ ｎ — ｉ — ｎ ｐ ａ—ｉ Ｈｅ ｇｑ ，ＱＩ ＡＮ ａ ｇ， Ｈ ｎ
ＺＨＥＮＧ ｏ ｘ ｎ，Ｈ Ｕ Ｇｕ — ｉ Ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ ｎｇ ｓ ｅ ｇ，Ｈ ＵＡＮＧ Ｙｏ — ｈ ｎ Ｋｅ。Ｈ ＵＡＮＧ Ｃｈａ ｏ，ＹＵ Ｌｉ
激 光 放 大 实 验 系 统 。实 验 获 得 了预 期 的实 验 结 果 ， 出 能 量 为 ５ ６Ｊ 激 光 脉 宽 约 １ ｓ聚 焦 光 斑 约 ３ ０ ｍ。单 路 系 输 － ， ０ｎ ， Ｏ 统 实 验结 果 表 明 ， 统 放 大链 和 光 学 设计 合 理 ， 本 满 足 角 多路 ＭＯ Ａ 系统 的技 术 验 证 要求 ， 系统 工 程 设计 奠 定 基础 。 系 基 Ｐ 为

脉冲激光放大器原理

脉冲激光放大器原理
脉冲激光放大器是一种能够将低能量激光脉冲放大为高能量激
光脉冲的装置，其原理基于激光在介质中的受激辐射放大过程。

当外界激发源向被激材料中注入能量时，被激材料中的原子会从基态跃迁到激发态。

当这些激发态原子又受到外界激光的刺激时，它们会发生激光辐射并向周围辐射出相同频率、相同方向和相同极化方向的光子，这一过程被称为受激辐射。

在脉冲激光放大器中，原始激光脉冲首先被输入到一个被激材料中，经过受激辐射过程后，输出的光子与原始脉冲具有相同的频率、相同的相位和相同的极化方向。

这些输出光子随后被输入到一个放大器中进行放大，这样就能够将原始激光脉冲的能量大大提高。

为了确保脉冲激光放大器能够正常工作，需要对其进行精细的调节和控制，包括控制输入激光脉冲的强度、频率和相位，以及调整放大器的各种参数。

这些调节和控制过程需要使用先进的光学设备和控制技术，以确保脉冲激光放大器能够稳定、可靠地工作。

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平滑化窄脉冲高功率准分子激光放大技术

平滑化窄脉冲高功率准分子激光放大技术赵学庆;黄坷;黄超;于力;刘晶儒;易爱平;薛全喜;华恒祺;钱航;郑国鑫;胡云;张永生【摘要】The combination of optical angular mutiplexing and Echelon Free Induced Spatial Incoherence (EFISI) is a best choice for the pulse compression and beam smoothing in a high power excimer laser system, which relates to the transportation and amplification of smoothed narrow laser pulse mainly. In this paper, the construction of a partial coherence oscillator by scattering method was described and primary results for pulse shaping were provided. Then, the gain characteristics for five laser amplifiers by single-pass amplifications and simulations of different output couplings were discussed, and measures to control over Amplification Spontaneous Emission (ASE) in the short laser pulse amplification was described. Finally, the Main Oscilation Power Amplifer (MOPA) chain of a single-beam XeCl laser and primary results were introduced. Obtained results show that the final output energy is 5-6 J with a pulsewidth around 10 ns and the focal spot is around 300 μm in the diameter. These results indicate that the laser chain and optical design are reasonable, which can be used as a good guide for the specific design of full scale angular multiplexed laser MOPA system.%对于高功率准分子激光,光学角多路和诱导空间非相干(EFISI)光束平滑是高功率准分子激光压缩脉宽、提高功率密度和实现靶面均匀辐照的有效途径,其应用涉及前端至靶前的各个环节,主要体现为平滑化窄脉冲激光的传输放大问题.首先介绍了基于散射法开展的部分相千源前端技术及脉冲整形的初步研究结果,利用直接法和反射率耦合方法,研究了5台激光放大器增益特性.然后,讨论了窄脉宽激光放大时的自发辐射放大(ASE)控制技术,最后,介绍了窄脉冲激光放大实验系统.实验获得了预期的实验结果,输出能量为5～6 J,激光脉宽约10 ns,聚焦光斑约Φ300 μm.单路系统实验结果表明,系统放大链和光学设计合理,基本满足角多路MOPA系统的技术验证要求,为系统工程设计奠定基础.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】10页(P397-406)【关键词】准分子激光;高功率激光;激光放大;光束平滑【作者】赵学庆;黄坷;黄超;于力;刘晶儒;易爱平;薛全喜;华恒祺;钱航;郑国鑫;胡云;张永生【作者单位】西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024;西北核技术研究所激光与物质相互作用国家实验室,陕西,西安,710024【正文语种】中文【中图分类】TN248.2紫外准分子激光采用气体介质,具有波长短、增益高、频带宽和可重复频率运行等特点,不仅可定标放大到高能量,而且与靶材耦合效率高,较易获得均匀的靶面辐照,能够大幅抑制各种非线性过程,从而使其成为高能密度物理和聚变能源研究的重要器件,受到美、日、英、俄等国的高度重视[1-5]。

光放大器原理

光放大器原理光放大器是一种能够放大光信号的器件，它在光通信系统中起着至关重要的作用。

光放大器的原理是基于受激辐射的过程，通过输入光信号激发介质中的原子或分子，使其发生受激辐射而放大光信号。

光放大器主要包括半导体光放大器、光纤放大器和固体激光放大器等类型，它们在光通信、激光雷达、光纤传感等领域有着广泛的应用。

光放大器的工作原理是基于受激辐射的过程。

当光子通过介质时，会与介质中的原子或分子发生相互作用，激发原子或分子的电子跃迁至高能级。

在受激辐射的作用下，这些原子或分子会向外辐射出与入射光子完全一致的光子，从而放大光信号。

这一过程中，输入光信号激发了介质中的原子或分子，使其放大了光信号，实现了光信号的放大。

半导体光放大器是一种利用半导体材料的光放大器。

它的工作原理是基于电子与空穴的复合辐射，通过外加电压改变半导体材料的载流子浓度，从而控制光放大器的放大倍数。

半导体光放大器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，广泛应用于光通信系统中。

光纤放大器是一种利用光纤材料的光放大器。

它的工作原理是基于光纤材料中的掺杂物受激辐射放大效应，通过输入光信号激发掺杂物，实现光信号的放大。

光纤放大器具有传输损耗小、带宽宽、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于光通信系统中。

固体激光放大器是一种利用固体激光介质的光放大器。

它的工作原理是基于固体激光介质中的激光放大效应，通过输入光信号激发固体激光介质，实现光信号的放大。

固体激光放大器具有功率大、波长多样化、光束质量好等优点，被广泛应用于激光雷达、激光加工等领域。

总的来说，光放大器是一种能够放大光信号的器件，它的工作原理是基于受激辐射的过程。

不同类型的光放大器在原理和应用上有所不同，但都在光通信、激光雷达、光纤传感等领域发挥着重要作用。

随着光通信技术的不断发展，光放大器也将不断得到改进和应用，为光通信系统的性能提升和应用拓展提供更多可能性。

光放大原理

光放大原理光放大原理是指通过感受某种特定的能量，使其引起物质的激发，然后放大的过程。

这种原理被广泛应用于激光技术和光通信技术中，尤其是在光信号传输和放大中。

本文将从基本概念和原理、实现方式、应用等方面进行介绍，以便更好地了解光放大的原理和实践应用。

一、基本概念和原理光放大的基本概念是光信号的放大，通俗地说，它就是通过吸收光信号的能量，然后把这些能量传递给物质（放大介质），从而使得物质呈现出与光强度成正比的明显变化。

具体原理可以通过激励放大介质的原子，造成它们的激发跃迁，并通过辐射出发射出更多的光子，从而实现光信号的放大。

放大介质是光放大器中最核心的组件之一，通常采用固体材料、液体或气体等材料制成。

这些材料中含有由原子、分子等组成的激发态，能够吸收光信号中的能量，从而使激发态原子能够被激发。

一旦被激发，这些原子将会发生能级转移，并辐射出新的光子。

这个过程能够不断重复，从而使得原有的光信号被不断放大。

二、实现方式光放大技术的实现方式非常多样，其中最常见的方法是通过电子激发光放大。

在实际应用中，我们经常会使用半导体激光器生成光信号，并通过光纤、空气等介质传输光信号，最后使用光放大器对光信号进行放大。

光放大器的种类有很多，比较常见的有：掺铒光放大器、掺镱光放大器、拉曼光放大器、气体激光器等。

每种光放大器都有其特定的应用场景和优缺点。

拉曼光放大器就具有极高的灵敏度和低噪声，但其成本较高，还有一些针对性强的应用场景。

还有一种新型的光放大器叫做光子晶体放大器，它采用的是晶体胶体结构设计，既能够有效吸收光信号，也能够减少光信号在传输过程中的损耗，从而实现更为快速、高效的光放大。

三、应用光放大技术在现代通信、医学、生产制造等领域具有广泛应用。

例如在通信领域，我们常见的光纤通信就是采用了光放大技术，通过控制光放大器对信号进行放大，实现信息的传输。

光放大技术也广泛应用于医学影像，如荧光显微镜、光学相干断层扫描（OCT）等。

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一、放大技术的目的
目的：提高激光的能量或功率，同时保持其他参数尽量不变 （如偏振态、发散角、单色性等）。
在很多实际应用中要求激光的能量大。比如激光核聚变至少要求高达 上万焦耳的能量。这样高的能量用一般的激光器是不容易达到的。增加工 作物质的尺寸可以提高激光输出的能量，但是又使激光的发散角增大，激 光的模式变坏。有的工作物质不能做成大尺寸的。
(2) 放大级：提高振荡级输出激光的功率或能量-放大
要实现有效的放大，放大级必须满足下面两个条件：
a. 振荡级和放大级的介质能级要匹配 因为放大级的光信号来自于振荡级，因此两者的能级要匹配（工作
物质的能级）才能得到光的放大。如果振荡级的介质是红宝石，产生 6943Å的光，放大介质也必须是红宝石，而不能是YAG等。
2. 结构：
振荡级
同步
放大级
(1) 振荡级：激光器，提供种子光
根据实际应用的要求，如激光的发散角、模式、偏振态、脉宽等选 择合适的激光器。使激光器（振荡级）输出的激光特性满足应用的要求。 由振荡级输出的光作为放大器的信号光。根据振荡级输出激光的脉冲宽 度（或被放大信号的脉宽）不同可分为三种放大器。
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。
4. 放大器的类型：
a. 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
b. 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。
第四章 激光放大技术
Laser-Amplification Techniques
主讲： 韩 群 副教授
天津大学精密仪器与光电子工程学院
主要内容
4.1 概述 4.2 脉冲激光放大器理论 4.3 放大器的设计考虑 4.4 双程和多程放大技术 4.5 再生放大技术
第四章小结
4.1 概述
一、放大技术的目的 二、激光放大器及其分类
0
t'
dt' 从前沿通过x直到ˊt t x 时刻,通过x处单位截面积的入射光子数 c
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。
对很多应用不但要求激光能量要高，而且激光的偏振态，发散角，模 式都有一定的要求。比如全息照相需要一个高相干光源，因此要求激光具 有单色性，要求一个纵模。增大激光介质的尺寸，不利于选纵模。有些应 用靠增加工作物质的尺寸是满足不了要求的。
激光放大技术：既可以提高激光输出的能量或功率，又不改变激光的偏振 态，发散角，单色性等。
x,t
dx dt t
光子数变化的原因：
① 在dt 时间内流入和流出dx体积的光子数不等
在dt 时间内在x 处流入dx体积元的光子数为： x, t cdt 在dt 时间内在x+dx 处流出dx体积元的光子数为： x dx, t cdt 因此在dt 时间净流入dx体积元的光子数为： x, t x dx, t cdt
I 光子流强度：单位时间流过单位横截面积的光子数。 粒子数速率方程可表为：
三能级: 四能级:
n( x, t ) 2n( x, t )I ( x, t )（ 4.2-3）
t
n( x, t ) n( x, t )I ( x, t )（ 4.2-4）
在dt 时间dx体积元中光子数的增加为以上三项之和：

x,
t
t

dxdt



x,
t




x

dx,
t


cdt


cn
x,
t



x,
t

dxdt



x,
t

cdxdt
上式两边乘以c，再除以dxdt，并利用光子流强度定义I x, t = x, t c，则：
① 长脉冲放大器：一般振荡级是连续或普通脉冲激光器， ~10-3s
脉宽 T1
T1：放大介质中激发态粒子辐射跃迁的驰豫时间，称为纵向驰豫时间。 纵向弛豫时间：激发态的粒子所在的能级有一定的寿命，因此产生辐射跃 迁有一定的滞后时间。T1的值随放大介质而异。对固体激光器由亚稳态寿 命决定~10-3s；气体/半导体激光器由允许的跃迁能级寿命决定~10-6-10-8s.
(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）
三能级:
n( x, t ) t

2c
21n(
x, t ) ( x, t )（ 4.2-1）
I x,t I x,t c cn x,t I x,t I x,t c
t
x
上式对三能级、四能级系统均适用。
4.2-6
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：
三能级
n x, t 2n x, t I x, t
② 由于受激辐射使dx体积元内光子数的增加
在dt 时间dx体积元中由于受激辐射增加的光子数为： cn x, t x, t dxdt
③ 放大介质的吸收和散射引起的光子数减少
设工作物质的损耗系数是 （单位长度损耗光子的百分数），则
在dt 时间dx体积元中损耗的光子数为： x, t dx cdt

I x,t c cn x,t I x,t
I x,tc
t
x
② 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）
I 0,t ＝I0 t
x 0 时间t的函数
n x, t 0＝n0 x 0<x L 信号进入前n是x的函数
四能级:
n( x, t ) t


32cn( x, t ) (
x, t )（ 4.2-2）
式中： σ32、 σ21 –介质的发射截面， c –光在放大介质中的速度
I x, t = x, t c I x, t ch 光强
二、激光放大器及其分类
1. 激光放大器：利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。
根据定义可以看出：激光放大器也是基于受激辐射光放大，与激光器基 于同一物理过程，都有增益介质、泵源。与激光器不同的是：一般激光器的 初始光信号是自发辐射的光，而放大器的初始信号是激光器输出的激光；放 大器一般没有谐振腔。行波放大器实际上就是激光器去掉谐振腔后的装置。
c. 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： ① 由于入射信号的脉宽（10-8 s）远小于放大器的荧光寿命（红宝石上能
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：
a. 能量和功率得到放大 –相对振荡级—目的
b. 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
t
(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：
x, t — 单位时间单位体积光子变化数
t 则在dx体积dt时间内光子的变化（增加）
I0 I0
t t

I0 0

n0

x


n0
0 t t 0或t
方程的解（分离变量法，求解过程从略，教材第三版p162-163）
x
I x,t
I0(t c )
1
1 exp
x
0 n0
x'
dx'


exp 2

t x
Ic
0
t'
dt
'


4.2-9
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。 ② 放大器的工作物质在横截面内的反转粒子数均匀分布。 ③ 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。
b. 放大介质处于粒子反转状态 即振荡级输出的光信号进入放大级时，放大介质处于粒子反转状