激光技术.pptx
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1、第四章第四章第四章第四章 激光放大技术激光放大技术激光放大技术激光放大技术本章主要包括三个问题:1、激光放大技术的概念。2、放大器的理论。3、设计放大器中应注意的问题。激光放大技术激光放大技术4.1 概述概述一、放大技术的目的:一、放大技术的目的:不改变激光的状态,增加激光输出的能量或功率。不改变激光的状态,增加激光输出的能量或功率。二、激光放大技术:二、激光放大技术:1、定义:利用光的受激辐射进行光的能量定义:利用光的受激辐射进行光的能量(功率功率)放大的器件。放大的器件。2、放大器的结构:、放大器的结构:振荡级:振荡级:根据实际应用的要求,选择不同的激光器。因此使激光器根据实际应用的要求,
2、选择不同的激光器。因此使激光器(振荡级)输出的激光特性满足应用的要求。由振荡级输出的(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光信号。根据振荡级输出激光的脉冲宽度不同光作为放大器的光信号。根据振荡级输出激光的脉冲宽度不同可分为三种放大器。可分为三种放大器。a.长脉冲激光放大器:长脉冲激光放大器:一般振荡级激光器输出的是连续的或一般脉冲激光器。一般振荡级激光器输出的是连续的或一般脉冲激光器。脉宽:脉宽:T1 其中其中T1是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的纵向弛豫是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的纵向弛豫时间。弛豫时间:激发态的粒子所在的能级有一定的寿命,因时间。弛豫
3、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。固体:此产生辐射跃迁有一定的滞后时间。固体:T1 10-3 s 主要主要由上能级的总寿命来决定。由上能级的总寿命来决定。因此上能级的粒子数消耗掉以后来得及由泵浦得以补充。因此上能级的粒子数消耗掉以后来得及由泵浦得以补充。这时腔内的光子数密度和工作物质的反转粒子数可以认为不随这时腔内的光子数密度和工作物质的反转粒子数可以认为不随时间变化时间变化稳态过程。(不做重点)稳态过程。(不做重点)b.脉冲放大器:脉冲放大器:一般振荡级为调一般振荡级为调Q激光器激光器 10-8 s T2 T1 T1:纵向弛豫时间。:纵向弛豫时间。T
4、2:横向弛豫时间:放大介质中粒子相互交换能量过程引起的非辐射跃迁使:横向弛豫时间:放大介质中粒子相互交换能量过程引起的非辐射跃迁使激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。由于脉宽较小,在脉冲信号放大期间,工作物质的反转粒子数和光子密由于脉宽较小,在脉冲信号放大期间,工作物质的反转粒子数和光子密度是随时间变化的。度是随时间变化的。非稳态过程。(重点)非稳态过程。(重点)c.超短脉冲放大器:超短脉冲放大器:脉冲窄,是锁模激光器,输出的脉冲脉冲窄,是锁模激光器,输出的脉冲10-11 10-15 s。光信号和放大介质。光信号和放大介质的相干作用是一种相干的放
5、大作用。情况比较复杂,需要采用半经典理论进的相干作用是一种相干的放大作用。情况比较复杂,需要采用半经典理论进行讨论。(不讨论)行讨论。(不讨论)放大级:放大级:放大级的作用是使从振荡级输出的光信号的能量(或功率)得到放大。放大级的作用是使从振荡级输出的光信号的能量(或功率)得到放大。条件:条件:a.振荡级和放大级的介质能级匹配。振荡级和放大级的介质能级匹配。b.放大介质处于粒子的反转状态。放大介质处于粒子的反转状态。4、放大器的类型:、放大器的类型:a.行波放大器:行波放大器:光信号只经过工作物质一次,一般放光信号只经过工作物质一次,一般放大器不加谐振腔,只有工作物质。大器不加谐振腔,只有工作
6、物质。b.多程放大器:光信号在工作物质中多次往返通过。多程放大器:光信号在工作物质中多次往返通过。C.再生式放大器:用一光束质量好的微弱信号注入到再生式放大器:用一光束质量好的微弱信号注入到激光器中,它作为一个激光器中,它作为一个“种籽种籽”控制激光振荡产生,并控制激光振荡产生,并得到放大。得到放大。4.2 脉冲激光放大器理论脉冲激光放大器理论 调调Q激光器输出的脉冲进行放大激光器输出的脉冲进行放大 10-8 s,T2 T1;目的:找出影响放大器输出的能量和功率的目的:找出影响放大器输出的能量和功率的 因素。因素。步骤:首先建立脉冲激光放大器的速率方程。即放大器的光子密度和反转粒步骤:首先建立
7、脉冲激光放大器的速率方程。即放大器的光子密度和反转粒子数随时间的变化规律。然后,根据边界条件,求出其解,由解得到影响放子数随时间的变化规律。然后,根据边界条件,求出其解,由解得到影响放大器输出能量的因素。大器输出能量的因素。一、放大器的速率方程及解(行波放大器)一、放大器的速率方程及解(行波放大器)在建立速率方程时为了使问题简化,做如下假设: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(由于入射信号的脉宽(10-8 s)远小于放大器的荧光寿命(红宝石上能级)远小于放大器的荧光寿命(红宝石上能级寿命寿命ms,YAG上能级寿命上能级寿命200s)因此在脉冲信号通过放大器时,可忽略
8、)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。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。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。忽略介质的谱线宽度和线型的影响。1.推导速率方程推导速率方程 假设工作物质在脉冲信号入射前的初始反转粒子数假设工作物质在脉冲信号入射前的初始反转粒子数n0(x),光光信号沿信号沿x方向传播。方向传播。由于光在行进过程中不断地激发处于激发由于光在行进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,态
9、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。粒子数和光子密度不同。即它们是即它们是t,x的函数。的函数。设设n(x,t)反转粒子密度反转粒子密度 (x,t)光子密度光子密度 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)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:式中:32、21 介质的发射截面,介质的发射截面,v 光在放大介质光在放大介质中的速度中的速度 两个未知数要解出两个未知数要解出I、n,再建立再建立(x,t)方程。方程。
10、2.建立光子数密度变化的速率方程:建立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出发点:放大介质内光子密度是时间t,x的函数。取的函数。取dx体积元,讨论体积元,讨论dx内光子密度的变化。内光子密度的变化。光子密度在横截面内均匀分布,横截面积取为光子密度在横截面内均匀分布,横截面积取为1,长度,长度dx,体积,体积dx,光子密度变化的速率为:,光子密度变化的速率为:(x,t)/t 单位时间单位体积光子变化数单位时间单位体积光子变化数 则在则在dx体积体积dt时间内光子的变化(增加)时间内光子的变化(增加)dxdt(x,t)/t)光强和粒子变化的速率方程为:光强和粒子变化的速率方
11、程为:3.方程的解:方程的解:从从上上式式看看出出:在在放放大大器器中中t,x处处的的光光强强与与放放大大介介质质的的反反转转粒粒子子数数和和入入射射的的光光强强强强弱弱有有关关。关关系系比比较较复复杂杂。(与与入入射射信信号号场场强强I0(t)、入入射射信信号号到到达达x处处通通过过总总n及及入入射射信信号号通通过过的的总总光光子子数数有关。有关。)二、放大后参数的变化二、放大后参数的变化 1.对矩形脉冲的放大。对矩形脉冲的放大。假假设设放放大大介介质质粒粒子子数数均均匀匀分分布布n0(x)n0 ,0 xL(L为放大介质的长度为放大介质的长度)入射的光信号为方波入射的光信号为方波 I0(t)
12、I0,0 t 因此在因此在t时刻放大介质的时刻放大介质的x处光强:处光强:放大器的功率增益:放大器的功率增益:定义为输出信号功率与输入信号功率之比。定义为输出信号功率与输入信号功率之比。单程功率增益单程功率增益Gp:光信号通过放大介质一次,:光信号通过放大介质一次,输出功率与输入功率之比。输出功率与输入功率之比。输出光强:输出光强:I(x,t)I(L,t)单程功率增益单程功率增益:Gp与入射光强与入射光强I0、时间、时间t以及放大介质的粒子反转数以及放大介质的粒子反转数n0及及L有关。有关。对入射信号的脉冲前沿和后沿功率增益不同。对入射信号的脉冲前沿和后沿功率增益不同。a脉冲前沿的增益脉冲前沿
13、的增益 在在t=0时,入射信号的前沿到达放大介质时,入射信号的前沿到达放大介质x=0处,处,t表示脉冲前沿的时表示脉冲前沿的时间。间。t=x/v 是前沿到达是前沿到达x处的时间。处的时间。Gp(x)exp(n0 x)(在一定功率下(在一定功率下、n0是常数)是常数)所以前沿的功率增益是随着所以前沿的功率增益是随着x指数增加。指数增加。当脉冲后沿到达时,脉冲宽度为当脉冲后沿到达时,脉冲宽度为时,时,t x/v Gp主要由入射信号I0,x来决定。如入射信号比较弱。(I0小,小)条件;2I01 且2I0 1时时(n0大、大、L大)大)从上式可以看出主要由n0,L,I0 来决定,n0、L及I0增加,减
14、小,放大脉冲波形变形严重。当I0强时,前沿放大后的光强大,n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。能量增益。定义:能量增益为放大器输出能量与输入能量之比。当入射信号为矩形脉冲时:GE主要由n0,L,I0,来决定,因此不同强度的信号GE不同。当2I0 1,级数展开 exp(2I0)=1+2I0当2I0 1,使2I0exp(n0L)1)结论:强信号时,能量增益与n0,L,I0,都有关。c入射的信号强度介于上述两种情况之间。当L大,使n0L 1 则当信号刚进入放大介质时,能量按指数增加。当达到饱和能量密度时,进入线性增加区域。后半段增益饱和。2.对其他脉冲波形的放大 一般情
15、况下激光器输出的激光波形不是矩形。根据激光器的不同,输出的可能是洛仑兹型或高斯型,指数型脉冲。求解的办法和矩形情况相同但要复杂的多。但理论和试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。入射脉冲为高斯型的函数 高斯型的函数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。因为放大得到增益最大是指数关系,增长速度比脉冲前后沿变化快。入射脉冲为指数型 脉冲前沿成指数变化,前沿一般放大的多,因此输出波形峰值位置随L发生变化(L峰值前移)脉冲波形不变。前沿放大几乎是指数变化。入射脉冲为洛仑兹型 脉冲前沿上升速度比指数慢,脉冲前沿放大的速率成指数比
16、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.脉冲信号在有损耗放大介质中的放大。根据上面的分析,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:上面的方程不易解出它的解。只讨论放大介质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。入射信号的脉冲宽度 在放大介质中除了脉冲到的
17、地方有光子除外其他地方的光子密度(光强)为0。矩形波:I(x,)=I(x,0)0(非矩形波:I(x,)=I(x,0))式中:n0 放大介质中初始反转粒子密度 上式是存在损耗的情况下脉冲信号放大的一般表示式,存在指数只能利用数值积分法求解。在弱信号时:(I(x)小、I(x)1)则输出的总光子数为: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。结论:入射光为强信号,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/
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