激光放大器学习.pptx

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第1页/共40页前言前言本章将讨论激光束通过光学激活材料时产生的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，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。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：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；）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；）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）放大器系统中光学元件的能量和功率密度；度；4）在放大器内引起超辐射或前激反馈）在放大器内引起超辐射或前激反馈.第2页/共40页4.14.1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 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，则光子密度的解为第3页/共40页设t=0时，n是均匀的。当光束通过长度为x=l的放大器时，能量增益为单位面积的输入能量可表示为将饱和能量密度定义为第4页/共40页能量提取效率 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，即将式（4.74.7）、（4.84.8）代入式（4.64.6），得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。第5页/共40页1)1)输入能量较低，即 则式（4.114.11）可近似表示为2)2)输入能量较高，即 则式（4.114.11）变为 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。第6页/共40页 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如图，它们的关系式为根据式（4.10），提取效率为第7页/共40页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，增益系数表示为第8页/共40页在激光放大技术中，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。第9页/共40页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。1 Q开关脉冲放大2 锁模脉冲放大第10页/共40页当脉冲长于1ns1ns时，两个上能级（即 和2 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1.Q1.Q开关脉冲放大第11页/共40页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。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。第12页/共40页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。第13页/共40页图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。图4.54.5与图4.74.7完整的描述了Q 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4.74.7中得出上能级的存储能量 。若已知该 值，可以从图4.54.5中得出放大器在任何输入能量密度时的输出能量。第14页/共40页当输入脉冲很短，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。2.2.锁模脉冲放大第15页/共40页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。第16页/共40页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。第17页/共40页图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第18页/共40页：YAGYAG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。第19页/共40页图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。第20页/共40页图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，即第21页/共40页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）。第22页/共40页经代数运算后得式中 ，为有效增益。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：第23页/共40页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。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 第24页/共40页钕玻璃放大器将钕玻璃的材料参数代入式（4.444.44），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：第25页/共40页4.34.3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。第26页/共40页空间畸变空间畸变的主要现象：.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。2.2.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。第27页/共40页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。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）空间滤波法第28页/共40页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。棒在吸收泵浦功率后，其表面的温度比棒中心的高，因而形成负热透镜，使光束出现波前畸变。实质上就是介质吸收激光能量导致介质温度分布变化,从而导致介质的折射率发生变化。6.6.折射率非线性 当强激光脉冲通过各向同性介质时，会引起折射率的变化，其一级近似为：可以看出，在透光介质中传播的激光束引起的折射率增加量与光束的强度成正比。这种引起光束自感应像差的效应叫全光束相位畸变。第29页/共40页时间畸变1.脉冲形状畸变 矩形脉冲通过放大器时，其前沿遇到的反转粒子数比后沿的多，原因是脉冲前沿使部分储能释放出来，并降低后沿反转粒子数，因此，加到脉冲后面部分的能量比前面的少。2.调频 光强导致的折射率变化不仅造成高功率玻璃激光放大器的破坏性自聚焦，也造成放大介质内的脉冲的频移。在锁模脉冲中，这种调频使脉冲加宽。当光波通过长度为 、折射率变化速率为 的介质时，频移为式中，为折射率变化率，为介质长度。第30页/共40页4.44.4增益极限和放大器的稳定性增益极限指的是当激活材料中反转粒子数增加时，很多机理使上能级的粒子数开始减少，也即引起了增益饱和。使上能级的粒子数开始减少的因素：（1）激光材料自身跃迁产生的荧光放大（ASE）；（2）落在激光跃迁光谱区的闪光灯泵浦辐射也会放大。第31页/共40页放大的自发发射自发辐射及其受介质增益而产生的放大效应是不能忽视的，这就是所谓的自发辐射放大(Amplified(Amplified Spontance Emission,ASE)Spontance Emission,ASE)，ASEASE也叫作超荧光。在激光放大过程中，增益介质中的自发辐射放大光与受激辐射光在空间特性和时间特性上都不同，并且相位也没有确定的关系，且ASEASE消耗了激光上能级的粒子数，使输出激光能量减小，所以应采取适当措施抑制或减小ASEASE。在低功率激光器中，ASEASE可以忽略，但随着抽运功率的增加，ASEASE会逐渐增加。从图4.30可以看到激光材料自身产生的荧光放大的能量（放大受激发射能量）。从图4.31可以看到放大受激发射引起的能量损耗。第32页/共40页图4.30 四级双程Nd：YAG放大系统的放大受激发射图4.31 多级Nd：YAG放大系统的输出信号能量与泵浦输入能量的关系同时我们也可以通过公式计算激光材料自身产生的荧光光强 为激活材料的饱和强度，为激活材料中的小信号增益。第33页/共40页但是在一些特殊应用中，放大受激发射（ASE)已经用作激光器的输出能源来源如要在长钕玻璃棒中得到高增益，使用无反射镜的玻璃棒，也即为光学雪崩激光器的振荡器。自发发射在一次或两次通过激光棒后被放大，泵浦6根激光棒，使其产生粒子数反转，然后突然将它们串联起来，就可建立光子雪崩，累积155dB的增益足以输出1GW、70ns的光子雪崩，由于没有任何振荡器结构，所以输出在光谱上和时间上是稳定的（即无尖峰、纵模和横模脉冲）。第34页/共40页退泵浦过程：我们把落在激光跃迁光谱区的闪光灯泵浦辐射的放大，从而减少反转粒子数，并且减少激光材料的存储能量的过程。能引起退泵浦过程的有：闪光灯辐射以及激光棒发射的、逃逸到激光泵浦腔的荧光。消除这些影响的方法：1）在泵浦腔中使用滤光片；2）在激光棒上包一层能够吸收激光波长的材料；3）在冷却液中加入能够吸收激光波长的化学物质。第35页/共40页前激射和寄生模前激射和寄生震荡都是反转粒子数材料与高反射环境相互作用的结果。1.前激射 定义：在放大器泵浦期间就放生了激光作用。前激射是由光路径中不同界面的残余反馈引起的。为了得到激光器稳定的工作条件，对放大器的要求是2.2.寄生振荡第36页/共40页 含义：激活材料边缘的内反射能够显著增大ASE的发射，尤其是当内反射导致产生光线自身反射时更是这样，当激光介质内的增益超过反射损耗，就建立起了寄生震荡。寄生振荡的阈值取决于通过吸收荧光来降低反馈的边缘膜层材料。最低损耗路径处于叠片直径所在的平面，此路径的唯一损耗是边缘反射。在振荡阈值时式中，为材料增益系数，为边缘反射率。第37页/共40页3.防止或降低放大器内的反馈的技术1）使前激射最小化：在棒的端面切出一个与棒轴成一定角度的倾角，通常为布儒斯特角，或者镀上增透膜。2）使自发发射的反射降到最小：将棒浸入反射率匹配的液体中，或者给棒的圆柱倾面打毛。3）如果需要几级放大，各级都需要退耦合：尽可能的扩大放大器的间距；使用空间滤波片；如果多级放大器的小信号增益很高，就在放大器之间插入基于法拉第效应的光学振荡器。第38页/共40页第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页