最新天津大学《激光技术》课件-04-激光放大技术课件pptPPT文档格式.ppt
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它是通过延时部分来保证的。
延迟时间是放大级和振荡级泵浦时间的时间差。
对于不同的工作物质,振荡级和放大级之间延迟时间不同。
红宝石激光放大器:
因为放大级的工作物质尺寸比振荡级大,而且三能级系统的粒子数反转需要一定的时间,所以放大器泵浦的时间比振荡级提前几百s.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:
能量和功率得到放大相对振荡级目的,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。
例如:
4.放大器的类型:
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,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。
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:
由于入射信号的脉宽(10-8s)远小于放大器的荧光寿命(红宝石上能级寿命ms,YAG上能级寿命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。
放大器的工作物质在横截面内的反转粒子数均匀分布。
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。
(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),式中:
32、21介质的发射截面,c光在放大介质中的速度,
(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:
单位时间单位体积光子变化数,则在dx体积dt时间内光子的变化(增加),光子数变化的原因:
在dt时间dx体积元中光子数的增加为以上三项之和:
上式对三能级、四能级系统均适用。
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:
上式两边乘以c,再除以dxdt,并利用则:
三能级,四能级,2.速率方程的解,为了分析放大器输出脉冲的参数和波形变化的情况,必须根据边界条件求解速率方程,解得I(x,t),当考虑放大器的损耗时速率方程的求解比较困难,忽略(先考虑放大介质无损耗情况),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),方程的解(分离变量法,求解过程从略,教材第三版p162-163),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。
二、放大后激光参数的变化,任意脉冲形状和任意初始反转粒子数密度的行波放大问题,不但要考虑放大器的增益随入射信号强度的变化关系,而且还要考虑入射信号强度和波形在放大过程中的所经历的变化,所以比较复杂(数值求解)。
为使讨论简便,首先考虑最简情况:
理想矩形脉冲的放大情况。
1.矩形脉冲的放大,t时刻x处的光强:
(1)放大器的功率增益,功率增益:
输出信号功率与输入信号功率之比。
单程功率增益:
光信号通过放大介质一次,输出功率与输入功率之比Gp,Gp与入射光强I0、时间t以及放大介质的粒子反转数n0及L有关,放大介质中某点x处的功率增益:
G(x)与入射光强I0、时间t以及放大介质的粒子反转数n0及x有关,因此对入射信号的脉冲前沿和后沿功率增益不同。
脉冲前沿的增益,在t=0时,入射信号的前沿到达放大介质x=0处,t表示脉冲前沿的时间。
t=x/c是前沿到达x处的时间,将t=x/c代入(4.2-12)式,得,所以前沿的功率增益是随着x指数增加。
因为放大介质处于初始n0状态,入射信号所到之处都会得到受激放大。
与、n0、x有关,与I0无关。
脉冲后沿的增益,脉冲后沿到达x处的时间:
若n0一定,某位置x处,后沿增益主要与入射功率I0和脉宽有关。
即,与信号强弱和脉冲宽窄有关。
下面分别讨论。
如果入射信号比较弱(I0较小and/or很窄),条件:
结论:
小信号时,脉冲各处在放大介质中的增益相同。
脉冲前沿通过放大介质时,信号弱消耗的n0小,增益近似不变。
输出的脉冲波形无畸变,仍是矩形,脉宽不变。
增加介质的长度L,输出增大。
如果入射信号比较强(I0较大and/or较宽),结论:
强信号时,脉冲前沿的增益与x是指数关系,脉冲前沿通过时消耗了大量的n0获得最大增益,n0的下降使增益减少增益饱和。
因此脉冲后沿的增益减少。
即脉冲不同处的增益不同,脉冲波形畸变,脉宽变化。
(图),
(2)脉宽的变化,小信号情况:
Gpexp(n0L),波形不变脉宽不变,仍是。
大信号情况:
波形畸变,脉宽改变,前沿放大的多。
因此输出的光强峰值在前沿。
(前沿:
Gpexp(n0L);
后沿:
Gp减小),脉冲宽度:
脉冲半极大之间的宽度半高全宽FWHM,前沿通过放大介质x=L需要的时间是t=L/c光强Imax,设现脉宽为,则Imax/2从放大介质输出时t=+L/c,根据前面解得的光强公式,
(2)脉宽的变化,结论:
从上式可以看出主要由n0、L、I0来决定,n0、L及I0增加,减小,放大后脉冲波形变形严重。
(当I0强时,前沿放大后的光强大,n0减少的多,增益饱和严重,后沿放大的少,前后沿光强差别大,脉宽窄。
),(3)能量增益,能量增益:
放大器输出能量与输入能量之比,对矩形脉冲,可见:
GE主要由n0、L、I0、来决定,因此不同强度的信号GE不同,小信号时(I0较小and/or很窄),结论:
小信号时,GE与n0、L有关,与I0无关,增大n0、L可提高放大器的输出能量与小信号功率增益相同。
强信号时(I0较大and/or较宽),结论:
强信号时,能量增益与n0,L,I0,都有关。
2.其他脉冲形状的放大,一般情况下激光器输出的激光波形不是矩形。
比如调Q激光器输出的波形。
根据激光器的不同,输出的可能是洛仑兹型、高斯型或指数型脉冲。
求解的办法和矩形情况相同,但要复杂的多。
但理论和实验结果证明:
激光脉冲通过放大器以后,主要是输入波形的脉冲前沿影响输出的波形。
(1)高斯脉冲,高斯型脉冲exp(-t2/2)前沿比指数增加快(波形陡),则经过放大以后脉冲得到压缩。
因为放大得到的增益最大是指数关系,增长速度比脉冲前后沿变化慢。
(2)指数脉冲,脉冲前沿成指数变化。
放大后波形和脉宽变化不大,仅由于其前沿较后沿有较大的增益,其峰值随L的增加而前移,前移量=0(g0-)L。
(3)洛仑兹型脉冲,脉冲前沿上升速度比指数慢,脉冲前沿放大的速率呈指数,比入射信号的前沿陡。
输出的波形脉宽加宽。
从上面的讨论可以看出:
要获得高功率窄脉宽的激光脉冲,在信号进入放大介质之前,先进行整形采用削波技术,切去脉冲上升慢的部分。
3.脉冲信号在有损耗介质中的放大,根据上面的分析(忽略损耗),放大器输出的能量随着L的增加而增加。
这和实际情况不符合。
L不能无限制地增加,因为放大器具有一定地损耗,损耗是使光强减小的,而且光强的减少与L成正比。
L增加,光强减少的多。
放大介质存在损耗时的速率方程为:
上面的方程不易解析求解。
只讨论存在损耗和没有损耗相比,输出的总能量的变化情况总能量主要由单位面积输出的总光子数I(L)来决定,为求I(L)先求I(x)在x处通过单位截面积的总光子数。
将(a)式的n(x,t)代入(b)式,两边对t积分,可得,上式中,积分上限脉冲宽度。
在放大介质中除了脉冲到的地方有光子外其他地方光子密度(光强)为0。
矩形波:
I(x,)=I(x,0)=0(非矩形波:
I(x,)=I(x,0)),所以,积分结果:
可由(a)式求得:
上式是存在损耗的情况下脉冲信号放大的一般表示式。
弱信号时:
存在指数关系,无解析解,只能通过数值方法求解。
光信号通过放大介质后,输出的总光子数:
在小信号的情况下,放大器输出的能量与L成指数关系。
可以增加L增加放大器输出的能量。
(L能否无限制增加?
),光信号通过放大介质后,输出的总光子数:
强信号时,在、n0一定的情况下,输出的总光子数I(L)与L有关。
LI(L)。
L增加到一定程度,I(L)趋于稳定值n0/2(最大值)。
因此L不能无限地增加。
n0,则n0/2。
强信号时:
-线性非齐次方程,式中n0/2光信号通过放大器增加的光子数(不包括入射信号)。
I(0)exp(-L)入射信号通过放大介质后的剩余部分(不考虑放大)。
4.3放大器的设计考虑,一、消除放大介质的端面反馈二、级间隔离三、级间匹配四、消除不均匀性的影响,一、消除放大介质的端面反馈,放大介质的作用是通过受激辐射作用,使入射信号的能量/功率得到放大,同时要尽量保证入射信号的特性不变。
1.端面反馈的影响,无信号输入时,容易产生激光自激振荡,有信号输入时,端面反馈产生自激振荡,激光放大器只有当外界信号入射时,才能产生受激辐射作用,没有外界信号时不能产生激光。
若存在端面反馈,无信号时ASE可能产生振荡自激振荡。
自振消耗上能级粒子数,造成有信号时增益下降、输出不稳定。
端面反馈致使部分信号在增益介质中产生自激振荡。
可能损坏增益介质,同时使放大后脉冲发生波形畸变、能量下降和不稳定。
判断放大器稳定:
当无入射信号时,泵浦放大器的工作物质看是否有激光输出。
无激光输出
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