第六章_激光放大特性要点

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ＥINＳT ＥIN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1、如何⽤ＡＢCD⽅法来变换⾼斯１０、⾼斯光束的特征参数?q参数的定义？?1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。

《激光的特性及应用》知识清单一、激光的特性1、方向性好激光具有极高的方向性，其光线几乎可以沿着一条直线传播。

这意味着激光能够在长距离传输过程中保持较小的发散角，从而实现精确的能量传输和聚焦。

例如，在激光测距和激光通信中，方向性好的特点使得测量和传输的精度大大提高。

2、单色性好激光的单色性非常出色，即其光波的波长范围非常狭窄。

这使得激光具有特定的颜色和频率，并且能量集中在一个很窄的频段内。

在光谱分析、医学诊断和激光干涉测量等领域，单色性好的特性发挥着重要作用。

3、相干性强激光具有很强的相干性，这意味着光波在时间和空间上的相位关系是高度一致的。

相干性使得激光能够产生稳定的干涉和衍射现象，广泛应用于激光全息技术、精密测量和光学存储等方面。

4、亮度高激光的亮度极高，其能量在空间上高度集中。

相比普通光源，激光能够在极小的面积上产生巨大的功率密度。

这一特性使得激光在工业加工（如激光切割、焊接和打孔）、医疗手术（如激光近视治疗和肿瘤切除）等领域具有独特的优势。

二、激光的应用1、工业领域（1）激光切割利用激光的高能量密度和方向性好的特点，能够精确地切割各种材料，包括金属、塑料、木材等。

激光切割具有切口光滑、精度高、速度快等优点，广泛应用于汽车制造、电子设备生产等行业。

（2）激光焊接在焊接过程中，激光能够将材料快速加热至熔点并使其融合，形成牢固的焊缝。

激光焊接具有焊缝窄、热影响区小、焊接强度高等优点，常用于汽车零部件、航空航天器件等的焊接。

（3）激光打孔通过聚焦激光束，可以在各种材料上打出微小而精确的孔。

激光打孔在电子元件制造、钟表制造、医疗器械等领域有广泛应用。

（4）激光打标在产品表面利用激光进行标记，具有永久性、高精度、高速度等特点。

常用于电子产品、珠宝首饰、包装等行业的标识和防伪。

2、医疗领域（1）激光近视治疗通过改变角膜的形状来矫正近视，其原理是利用准分子激光精确地切削角膜组织，从而改变角膜的曲率，达到矫正视力的目的。

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。

光放大器基本原理和特性光放大器是一种使用光泵浦来放大光信号的装置。

它是光通信系统和光网络中的重要组成部分，可以增加光信号的功率和传输距离，并且在光通信、光纤传输和激光器中发挥着关键的作用。

光放大器的基本工作原理是利用光泵浦的能量将输入光信号放大。

光泵浦一般是通过激光器或其他能产生高能量的光源产生的，它的能量通过一定的机制被输入到光放大器的增益介质中。

增益介质通常是具有能够使光子之间发生光激发作用的性质，如掺杂了稀土离子的光纤、半导体或固体晶体等材料。

当光泵浦光在增益介质中传播时，光子与增益介质中的激活离子发生相互作用，使激活离子跃迁到高能级态。

然后，当输入信号光通过增益介质时，激活离子又从高能级态跃迁回低能级态，产生一些额外的光子，从而将输入光信号放大。

光放大器的主要特性包括增益、带宽、噪声和饱和功率。

增益是光放大器的一个重要参数，用于衡量输出光信号相对于输入光信号的增加量。

增益的大小取决于增益介质的特性和光泵浦的功率。

一般情况下，增益越高，放大器的性能越好。

带宽是光放大器传输信号的频率范围。

不同类型的光放大器具有不同的带宽，可以选择最适合特定应用的放大器。

高带宽的光放大器可以传输更高频率的信号，从而提高通信系统的数据传输速度。

噪声是光放大器的一个重要参数，它会限制光放大器的性能。

光放大器中的噪声来自于光泵浦的产生过程、增益介质中的自发辐射和输入光信号的噪声。

一般情况下，希望光放大器的噪声越小越好，以提高信号传输的质量。

饱和功率是指光放大器输出光信号达到饱和时所需的输入光功率。

当输入光功率超过饱和功率时，输出光信号将不再增加。

因此，希望光放大器具有较高的饱和功率，以便在高功率应用中能够提供稳定的输出光信号。

此外，光放大器还具有一些其他特性，如非线性特性、温度稳定性和泵浦光损耗。

这些特性对于光放大器在不同应用中的性能和稳定性起到重要作用。

综上所述，光放大器利用光泵浦的能量来放大光信号，具有增益高、带宽宽、噪声小和饱和功率高等特点，是光通信系统和光网络中不可或缺的重要组成部分。

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)。