激光放大器pptx

激光放大器姓名：王春阳导师：冯国英学号：2014222050008主要内容增益极限和放大器的稳定性脉冲放大稳定态放大信号畸变前言本章将讨论激光束通过光学激活材料时产生的能量增益。在设计高能量、高亮度的光源时，以激光器作为脉冲放大器是非常重要的。设计激光放大器时，必须考虑下述因素：1）增益和提取的能量；2）放大器引起的波前畸变和脉冲形状畸变；3）放大器系统中光学元件的能量和功率密度；4）在放大器内引起超辐射或前激反馈.4.1脉冲放大设放大器的运行时间比泵浦速率和自发的发射时间快，因此，放大过程是以输入信号到达之前储存于上激光的能量为基础的。现在来考察单色光入射到长度为L的放大器棒的前表面的一维情况。如果输入到放大器中的是矩形脉冲，其持续时间为，则光子密度的解为pWf100,11expexpxtxnxctc（4.4）设t=0时，n是均匀的。当光束通过长度为x=l的放大器时，能量增益为001=,(4.5)1=ln1exp1(4.6)pnloppGltdtttcect单位面积的输入能量可表示为0(4.7)inpEcthv将饱和能量密度定义为0(4.8)stsEhvEg能量提取效率表示从放大器提取的能量与脉冲到达时上激光能级存储的能量之商，即E0(4.10)outinEsEEglE将式（4.7）、（4.8）代入式（4.6），得0ln1exp1(4.11)sininsEEGGEE上式适用于矩形输入脉冲，从小信号增益到放大器完全饱和，它都是有效的。现在考虑两种极端的情况。1)输入能量较低，即则式（4.11）可近似表示为1insEE00exp(4.12)GGgl2)输入能量较高，即则式（4.11）变为1insEE01sinEGglE（4.13）再将式（4.11）换一种形式，就可以很清楚的表示单程或双程的单级或多级放大的输出能量与提取效率的关系。图4.2单程和双程的单级或多级放大的输出能量密度和提取效率的计算矩阵形式0E1E2E1E如图，它们的关系式为010ln1exp1exp(4.14)ssEEEglE根据式（4.10），提取效率为1100sEEglE（4.15）在双程放大器内的输出能量密度由下式求出式中双程放大器的提取效率为应该注意的是，上述式子的前提是存在均匀的增益系数和光束强度分布。在绝大多数系统中，这两个数值都表示径向分布特点，此时，增益系数表示为2E'210ln1exp1exp(4.16)ssEEEEgl'0101(4.17)gg2200=(4.18)sEEglE0()()2()2(4.19)effBBggrIrrdrIrrdr在激光放大技术中，小信号增益系数通常表示为为增益与储能关系的参变量整理式（4.11）得如果已知放大器中的小信号增益或者储能量，则根据(4.11)、(4.22)就可以求出放大器的增益与输入能量密度的函数关系。但是在谈论实际例子之前，应该注意推导(4.11)时的两种假设：1）入射脉冲的形状为矩形。2）设放大器没有损耗。210ng0(4.20)stgE21(4.21)hvln{1[exp()1]exp()}(4.22)inoutsstsEEEElE4.1.1红宝石放大器两个能级之间是否确实发生能量转移，取决于这两个能级之间的弛豫时间是比放大脉冲的长度短还是长。在红宝石中，两个受激能级之间的弛豫时间在1ns量级，或者更短。1Q开关脉冲放大2锁模脉冲放大当脉冲长于1ns时，两个上能级（即和2能级）处于热平衡，可以从这两个能级提取能量。上能级中的总储存能量为从红宝石中可以提取的最大能量为因此，从红宝石中提取能量的效率为对于红宝石，可提取的能量与小信号增益系数之比定义为饱和能量密度，即EA2(2)(4.25)sttotEhvnhvnn2()(4.26)exststEEEE()(4.27)EexstEEEststEEEg)(02(4.28)21(4.29)sEhv1.Q开关脉冲放大在总结了红宝石的有关激光参量后，再来考察（4.22）。将材料参量和代入该式，并设和为一定值，就能绘出红宝石放大器输出能量密度与其长度的函数关系。设Ein=0.1J/cm2，所有粒子数反转时的不同储能分别为Est=3.0J/cm3、4.0J/cm3和4.5J/cm3，就可以得到图4.5所示的曲线。。sE'stEinE图4.5红宝石放大器的增益同放大器的长度、储能密度的函数关系。这些曲线的实际意义在于，它们适用于所有的输入能量和放大器的长度。只有一个参量难于确定，它就是棒中单位体积的存储能量。该参量取决于闪光灯的输入能量与脉宽、泵浦结构的几何设计与效率以及激光棒的几何形状。由于在信号到达前，有：，则泵浦速率可用每立方厘米的输入能量、脉冲持续时间和可调参量(泵浦效率)表示从式（4.30）和（4.31）得到反转粒子数与每立方厘米棒体积上闪光灯输入能量之间的函数关系式为参量只与泵浦结构的效率和灯的光谱输出有关。stE0111{1exp[()]}(1)(4.30)pfpppftotfnWWtWnpWpEptf(4.31)pppWfEt1()exp(){12[]}(4.32)1pfpppftotpfpfEtfEtnnfEtf图4.7以泵浦系数f为参变量，绘出了时，存储能量与每立方厘米棒体积上灯的输入能量的函数关系。1ptms图4.5与图4.7完整的描述了Q开关红宝石放大器的性能。根据灯的总输入功率和棒体积，可求出参量。对于一定的，可以从图4.7中得出上能级的存储能量。若已知该值，可以从图4.5中得出放大器在任何输入能量密度时的输出能量。pEpEstEstE当输入脉冲很短，时，放大过程中的和能级之间不会发生热能转换，因此从红宝石晶体中提取的能量仅取决于能级的粒子数。如果泵浦脉冲到达之前粒子数已经完全反转，则亚纳秒脉冲可以从红宝石中提取的最大能量为由于小信号的增益系数与长脉冲的相同，则由于材料的损伤限制了峰值功率，实际可得的能量密度远低于理论值。nstp1EA2E,max(4.35)3totexnhvE212(4.36)3shvE2.锁模脉冲放大4.1.2钕玻璃放大器在要求以较高的功率和能量来驱动惯性约束聚变这一目标下，很多实验室开始设计大型钕玻璃系统。最初这些系统以硅酸玻璃作为钕的基质材料，后来改用磷酸玻璃。图4.9示出了激光MOPA系统的原件布局图。在高峰值功率的激光系统中，空间滤波片是重要的原件，它有三种用途：在光束功率按指数规律增大到高功率之前，除去光束中的少量不规则成分；降低光束空间包络中自聚焦相前畸变；扩展光束，使光束形状与不同通光孔的放大器匹配。为了使激光系统比单MOPA产生更多的能量，或者为了获得几种多光束辐射分布，将小MOPA的输出光束分成若干所需要的光束，每条光束都用来激励整个MOPA。另有一种设计采用了MOPA系统，它将初始光束一分为二，然后将它们放大，又将每条光束分开，又放大，如此反复，直到获得所需要的光束数量和总能量。激光玻璃的饱和能量密度与增益截面成反比。k取决于输出能量密度和放大器的脉冲持续时间若脉冲时间低于激光低能级寿命（小于1ns），饱和能量密度由脉冲持续时间决定。sE()(4.37)sEhvk图4.10几种硅酸玻璃和磷酸玻璃的饱和能量密度与输出能量密度种硅酸的关系很明显，为了获得较高的能量密度，应增大饱和能量密度。从图4.10可知，饱和能量密度取决于玻璃的类型和所需的输出能量。根据储能密度和棒长，可得出小信号增益。图中针对两种不同的值曲线：一条为磷酸玻璃在大约输出能量密度时的典型值；另一条为硅酸玻璃在大约的典型值。可以看出，当输出能量密度相同时，硅酸玻璃的增益系数较大。图4.12钕玻璃放大器的输出能量同小信号增益系数、放大器长度之间的函数关系sE23cmJ22.6cmJ4.1.3Nd：YAG放大器由于Nd：YAG放大器的增益高，所以放大的自发发射和寄生振荡有效的限制了储能密度，并因此限制了可从特定棒内提取的有效能量。由于Nd:YAG的增益高，所以只需获得少量的反转粒子数，一旦增益达到某一级别，自发发射的放大将有效地消耗激光的上能级。图4.13绘出了从Nd:YAG放大器提取的能量与灯输入能量的关系曲线。可以看出从不同的棒中提取的最大能量都达到了饱和值。数据表明，若棒的长度超过50cm，则放大器输出能量密度的饱和能量极限与棒的长度几乎毫无关系。升高Nd:YAG棒的温度会降低其增益，存储能量就多。图4.14从简正模Nd：YAG振荡器、Q开关振荡器和Q开关脉冲放大器中提取的能量这三种方式都使用0.63umx6.6um的Nd：YAG激光棒。数据表明，在输出能量达到320mJ之前，这三种运转方式几乎都相同：当输出能量超出320mJ时，需要储能的运转方式的效率就明显降低。对同一根棒，Q开关振荡器的工作效率略低于放大器方式的效率。在多级放大器中，电气系统的效率是激光二极管的效率、光泵浦能量向上激光能级的转换效率、介质中能量转换效率以及存储能量转变为输出激光的提取效率之积，即p(4.40)outinsyspTOUBEEGEEEsysp4.2稳定态放大如果脉冲持续时间比荧光寿命长，则反转粒子数和增益系数就与准静态强度有关。在放大器情况下，增益与放大器轴向Z坐标上的测量值有关式中是小信号增益，是信号强度为时在放大器内点z处获得的增益，为饱和强度（定义为小信号增益降低一半时的信号功率）。f0()(())(4.42)sgzgIIzI0g()gz()zIsI()()()()(4.43)dInzIzgzIzdz经代数运算后得0ln(/)(4.44)1insIGGIG式中，为有效增益。)exp(00lgGinoutIIG假定光子在放大器中传播时间内，反转粒子数n变化不大，则z方向的功率密度按下式建立：4.2.1红宝石放大器在稳定态放大条件下，用功率强度描述饱和，即如果已知小信号增益或增益系数，就可以应用上式求出红宝石激光器内增益与信号输入功率的函数关系。002(4.49)(1)ssfEIga0G0g图4.23在稳定态时红宝石放大器的输出能量与输入能量的关系4.2.2钕玻璃放大器将钕玻璃的材料参数代入式（4.44），可得长脉冲放大归一化增益与归一化输入功率的函数关系，如下图所示：4.3信号畸变当光信号在激光放大器中传播时，由于要经历许多物理过程而产生畸变，这些可分为空间畸变、时间畸变。4.3.1空间畸变空间畸变的主要现象：１.非均匀泵浦激光棒对泵浦光的吸收随距离增加而指数下降，所以激光棒中心吸收的泵浦光小于边缘。为提供尽可能均匀的增益分布可使钕浓度随棒直径的增大而降低。2.激活材料的非均匀性即使光学质量很好的激光棒也会有少量的固有应力、折射率变化、激活离子的浓度梯度、污染物、包裹体等。这些非均匀性因素极大地改变了输入信号的能量分布。在经过激光器放大后，初始的光滑能量分布将出现纹波。3.增益饱和因为饱和效应使放大器的增益分布发生变化，所以当光束通过放大器时会产生畸变。当输入信号与饱和光通量大约相等时，畸变最大。对于或的特殊情况，脉冲形状的畸变都是最小的。sinIIsinII4.衍射效应对入射光束来说，放大器棒相当于有限孔径。放大器棒边缘的衍射效应产生菲涅耳环，它严重干扰了光束的均匀性。克服衍射效应的方法：（1）使孔径和光束尺寸正确匹配，可以使边缘的能量密度很小，它在光束中产生的空间调制可忽略不计。（2）空间滤波法5.热畸变非均匀泵浦现在激光棒的边缘产生较高的增益系数，在棒内产生非均匀的温度分布。棒在吸收泵浦功