第六章 激光放大特性12.ppt

光放大概念－利用受激辐射实现光放大 光放大的前提条件－粒子数反转分布 g0 g0 g=0 吸收 透明 放大 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—处于粒子数 反转状态的工作物质 激光器－激光振荡器－再生（光）放大器 §6.1 激光放大器的特点与分类 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 g0 g0 行波放大器 再生放大器(F-P放大器) 行波放大器增益 (6.1.1) 再生放大器增益 多光束干涉处理 (6.1.3) 当 －最大增益 n偏离nc G? ; r1、r2 ? ，n偏离nc允许值越小，增益G ? g0 放大器增益 设 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t0 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T1：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(T1～t2) 横向弛豫时间T2－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－同相， 碰撞等其它作用－消相 DnL为主 DnD为主 固体 气体 半导体 纵向弛豫时间(s) 10-3~10-4 10-6~10-9 10-9 横向弛豫时间(s) 10-11~10-12 10-8~10-9 10-13 t0 T1 与连续光放大相似 稳态方法 当输入信号为高重复脉冲序列，且脉冲周期TT1时。 T2 t0 T1 脉冲放大 非稳态方法 调Q脉冲（10-50ns）可忽略粒子和光场相互作用的相位关系，速率方程才能适用。 t0 T1 超短脉冲放大 半经典 锁模脉冲 ? 按功能分类: （通信系统中） 前置放大器: 小信号工作状态,噪声系数小 功率放大器: 大信号,增益饱和状态,饱和输出功率大 线路放大器： 补偿系统中各光纤段的损耗 按光激励方式 横向(均匀)激励：泵浦光与光传输方向垂直 特点：Dn，g0、Is 均为常数 (固体或半导体光放大器) 纵向激励：泵浦光与光传输同向或反向 特点：Dn，g0 ，Is与传输距离有关(光纤放大器) I0(t) I1(t) 聚光器 泵浦灯 激光工作物质 泵浦光980nm (1480nm) 信号光 1550nm I0(t) I1(t) 掺铒光纤 §6.2 均匀激励连续激光放大器特性 一、(有损)光放大器小信号增益 假设: 均匀加宽、平均损耗系数a、信号光频率n I0 I(l) 聚光器 泵浦灯 Nd:YAG 光隔离器 Nd:YAG 光泵 ?增益 小信号增益 ?最大输出光强 ?增益谱 饱和增益 （饱和输出功率） 激光振荡器 激光放大器 二、(有损)光放大器大信号（饱和）增益 入射光信号较强或工作物质足够长 可得 (6.2.1) 小信号增益 信号光的净增益 小信号光放大器 — 前置放大器 改写 (6.2.2) 输出光强（输出光功率）: 归一化放大器增益: (6.2.3) (6.2.4) 自行推导 自行推导 I0 ，Is 已知，放大器 gm、l、a 可测， 无损光放大器输出光强和增益 积分 其中 饱和输出功率— G下降3dB（G0/2）时的输出功率 三、最大输出光强（最大输出功率） 若信号光很强或增益介质足够长，由于增益饱和， ,光强不再增加，此时光强为最大输出光强. §6.3 纵向光激励连续激光放大器的特性 掺铒光纤放大器 EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier 三能级系统，均匀加宽；同向光泵, 忽略光纤中光场及激活离子的横向分布及光纤损耗，假设总量子效率?F=1； 一、信号光，泵浦光