ch6-激光放大特性分析
ch5-激光振荡特性解读
F s
h p V
F 21 l s
－泵浦光子能量 V－工作物质总体积
2019/2/25
6
2、三能级系统 n1 n2 n3 n1 n2 n (1)特点 n 0 2 f2 忽略能级简并(如红宝石): n n2 f n1 n2 n1
2、振荡条件： n nth 21 ,0 l
2019/2/25 3
特例： 0 4、讨论
21 ,0 21
n nth
0
21 l
不同模式(频率)具有不同的阈值反转粒子数密度。 中心频率处阈值反转粒子数最低。 损耗越大，发射截面越小，腔长越短，阈值反 转粒子数密度越大。
2019/2/25 1
有： dn dt 0; dNl dt 0
速率方程 代数方程 (2) 脉冲激光器 ( t0 <<τ2 )——非稳定工作状态 (非稳态) 泵浦持续时间短, 各能级粒子数及腔内光子数密 度处于剧烈的变化之中。未达到平衡,泵浦作用 终止。
属于非稳态; 需要数值求解或用小信号微扰或其 他近似方法处理速率方程。
理由：对三能级系统，要将(n+ Δnt )/2粒子激励到 E2 ，而n/2>> Δnt ，可忽略Δnt 。而对四能级系统， 只需将Δnt个粒子激发到E2，而Δnt ∝δ 。但当δ很 大，使得Δnt也很大，达到可以与n/2相比拟时，才 要考虑损耗对三能级系统阈值的影响。 3、 Ppt, Ept 与工作物质特性有关 F , 21, s , F
F , 21 , s Ppt , E pt
2 v 2 A21 ln 2 v 均匀加宽 21 2 2 非均匀加宽 21 3 2 2 A21 4 0 H 4 0 D
ch6 光束的调制与扫描1
Φ (t ) = Φ 0 + 1 + m [ X (t )] Φ m sin(ω t ) X ( t ) = sin( Ωt +ϕ ) →
（6-12）
= Φ 0 + [1 + m sin(Ωt + ϕ )] Φ m sin(ω t )
此式波形如右下角图所示。
2.1 光信号的调制原理
第一节 光调制的基本概念
二、调制信号的频谱 调制信号的一个重要特性是它的频谱。 利用有用信号频谱和噪声频谱的差别， 利用有用信号频谱和噪声频谱的差别，可抑制 噪声，提高信息检测的质量。 噪声，提高信息检测的质量 在信号调制形式确定后，应清楚所要调制信号 的频谱，有利于信号后续的电路处理。
第一节 光调制的基本概念
2.1 光信号的调制原理
（二）频率调制与相位调制 1、频率调制 、 频率调制是指载波的频率按调制信号的幅度改变 是指载波的频率按调制信号的幅度改变， 频率调制是指载波的频率按调制信号的幅度改变，使调制后的调频波频率瞬间偏离 原有的载波频率，而瞬间偏离值与调制信号幅度瞬时值成正比，简称为调频。 原有的载波频率，而瞬间偏离值与调制信号幅度瞬时值成正比，简称为调频 式(6-9)中的调制项可以写成下式
第一节 光调制的基本概念
第一节 光调制的基本概念
（二）调制的分类 1. 按调制次数分类 一次调制 将信息直接调制到光载波上被称为一次调制。 二次调制 先将光载波人为地调制成随时间或空间变化，然后再 将被测信息调制到光载波上称为二次调制。 将被测信息调制到光载波 二次调制比较复杂，但可提高信噪比和测量灵敏度， 便于信息处理的简化，还可改善系统的工作品质和 扩大目标定位范围。
（6-8） ）
2.1 光信号的调制原理
ch6微影技术
ch6微影技术6-1.248c193奈米波l深紫外光微影之缺c楹危氟化氪(krf)248奈米史肿永咨渖钭贤夤(deepuv,duv)微影此槲3-5年之主力cn，解像度可以_0.25~0.18微米，m合u256megabitdram[a][5-2-1]。
相p重要事2.皱r：良之皱r需考]其折射率(n)、色散(dispersion,dn/dl)、囟壬贫(dn/dt)、像是高(aberration)、反射(scatter)、稀释(absorption)、p偏折(birefringence)等困_。
另外，雷射}n激l臭氧分解成，⒘踊透r功能。
皱r常用材料如下：b.氟化}(caf2)：l晶y、不易研磨、u渫哥rc分光器困y、o昂f、且崤蛎s递^大。
透rm之囟壬散c光程差^小。
a生色心在s360奈米波l，ξ⒂o影。
透rm勖^l，整w性能^熔融氧化矽良。
槟壳斑m用於193c157奈米波l之最佳材料。
未硪嗫赡用於248奈米。
c.氟化v(mgf2)：殡p偏折材料，此可怕失c难于消除。
d.氟化(lif)：吸裥蕴，材|，不m合u渫哥r。
3.光学系y。
a.反射式(reflective,catoptric)：光源波可^大，但解像度受限。
b.折射式(refractive,dioptric)：光源波限2~3皮米。
h能够采用r格o昂f之光v 窄化雷射。
皱rm须要20m以上。
c.反射折射混合式(catadioptric)：光源波可_4奈米。
可用汞或汞-氙弧簟⒆杂杀捡y雷射。
透rmh需s12m，成本大榻档汀４嘶旌鲜捷^m步，可能槲沓上裣到y之主流。
4.步mcc呙c生a用248奈米c台，其抵悼郊s0.40~0.63，相_度s0.3~0.8，固定或分段{整。
c台有步m－重}c(step-and-repeat)，或q步mc(stepper)c步m－呙c(step-and-scan)，或q呙c(scanner)二n。
烧卟町c、缺c要f明如下：a.步mcc：光度^，照射景域一次完成照射，所需照射rg^短；h晶a平台移樱易控制蚀_度，瘦^易。
4.8 激光放大特性-20200527
(1 r1)(1 r2 )Gs
r1r2 Gs )2 4
r1r2
Gs
sin2[
2 l
v
(
c
)]
最大增益：GP
(1 r1)(1 r2 )Gs (1 r1r2 Gs )2
偏离c GP下降;
行波放大器增益GP ：GP Gs
r1、r2 越高，偏离c允许值越
小，增益
第四章 激光器的工作特性
再生放大器 r1、r2 0 行波放大器 GP=Gs
Nd:YAG
泵浦灯
聚光腔
激光振荡器
I0(t)
I1(t)
Nd:YAG
光泵
激光放大器
一、输入信号强度对放大器增益的影响
前提：均匀加宽，平均损耗系数，入射光频率
工作物质的净增益系数
dI (z)
g
0 H
(
)
I (z)dz 1 I (z)
Is ( )
1、(有损)光放大器小信号增益 若入射光信号非常微弱，工作物质短，且： I (z) Is ( )
不利的方面： 杂散光成为注入信号影响输出特性； 比如：通信用激光器要求消反射光；激光陀螺的闭锁区等。
第四章 激光器的工作特性
对入射光要求： • 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
再生放大器特点：增益大，但频率匹配技术复杂
g
T
e
FSR
12
第四章 激光器的工作特性
二、连续激光放大器的增益特性横向均匀激励
特点：横向均匀激励(泵浦)，小信号增益等与传输距离无关
能量 SP 分散在许多模式 ST 集中在几个模式 ASE
Ch6 激光表面改性技术
两者共同点：高能量激光束作用于工件，工件表面温度急剧上升，基体冷却
速度也很快，具有快速加热相变、快速熔凝的特征，可以大幅度提高工件的
抗压和抗疲劳强度。
激光相变硬化区域示意图
8
9
激光淬火的硬度可比常规淬火硬度提。
铸铁激光淬火后，其耐磨可实现自冷淬火，不需水或油等淬火对工件的许多特殊部位，例如槽壁、槽底、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等，只要能将激光照射到位，均可10
激光相变硬化应用
发动机气缸
连接环套
11
激光重熔加工原理及熔化凝固过程示意图
激光熔凝强化应用
6.3.1 激光表面熔覆
激光熔覆分为2大类
17
激光熔覆加工应用：激光熔覆加工应用(a) 同轴送粉(b) 气氛保护装置
激光冲击强化加工过程及界面应力分布示意图
20
工件表面涂上一层不透光材料（涂层），再覆盖一层透光材料高功率密度短脉冲（纳秒级）强激光透过约束层照射金属材料表涂层在极短时间内产汽化电离成由于约束层存在，等离子体的膨胀受限，产生向金属内部传播的强冲击波，使金属材料表层发生塑性变形，形成激光冲击强化区；从而改善金属材料的机械性能。
涂层
激光冲击强化技术应用于发动机叶片和轴
22。
周炳坤版激光原理习题答案第六章
第六章 激光放大特性习题1． 在增益工作物质两端设置二反射率为r 的反射镜，形成一个法布里—珀罗再生式放大器,如图6.1.1所示。
入射光频率为ν，谐振腔频率为c ν。
工作物质被均匀激励，其小信号增益系数为0g ，损耗系数为α。
试求：（1)用多光束干涉方法求再生放大器的小信号增益00()/G I l I =；(2)c νν=时再生放大器的增益0m G ； (3)再生放大器的带宽δν;(4）若无反射镜时放大器的增益为3，试作0m G —r 及δν-r 的曲线； (5）再生放大器正常工作时r 的范围。
解：(1） 若设入射光场为0E ，若忽略色散效应,则电场的传播情况如图所示，图中2k πνυ=，在输出端将各分波相加可得总的输出电场。
（这里的R 即为反射镜的反射率r )l g ikl ee E 2)(00)α--l g kli eeE R )(23300)α--这样就有：1()2()20(1)[1e ]g l ikli kl gll E R E eeR e αα----=-++其中中括号的内部是一个无穷等比数列,这样上式就可以写为:1()22()(1)1g l ikll i kl glR eeE E Re e αα-----=-放大器的小信号增益为:0000*2()0*22()()0002()()2()2()(1)12e cos 2(1) [1e ]4sin g l l l g l g l g lgl glE E I l R e G I E E R e R kl R eR Re klαααααα-------===+--=-+（2） c νν=的时候，c 2m lυνν==（m 为正整数）22sin sin 0kl m π==所以有02()0()2(1)[1]g lmg l R e G Reαα---=-（3) 2c δννν=+时，0012m G G =，比较0G 和0mG 的表达式有： 000()2()2()224sin()4sin 2[1]g lg lc gl Rel Rel Re αααπδνπδννυυ---+==-因为δν远小于/l νπ，所以22sin()l l πδνπδνυυ≈，由上式可得: 00()()12g lg l Re l Reααυδνπ---=（4) 根据题意知0()3g leα-=,可得：2023(1)(13)mR G R -=-，1323Rl Rυδνπ-=0m G -r 及δν—r 的曲线如下图所示。
哈理工CH6系列数显仪word版本
2线制变送器电流信号的接
接线端子图
A-S规格80×160尺寸的仪表（mm）
外形尺寸
开孔尺寸接线端子图
B-F规格96×96尺寸的仪表（mm）
外形尺寸
开孔尺寸接线端子图
C-H规格96×48尺寸的仪表（mm）
外形尺寸
开孔尺寸接线端子图
C-S规格48×96尺寸的仪表（mm）
外形尺寸
开孔尺寸接线端子图
D-F规格72×72尺寸的仪表（mm）
外形尺寸
开孔尺寸接线端子图
E-F规格48×48尺寸的仪表（mm）
外形尺寸
注：
组参数之前的参数是否密码控制可以通过设置
键调出当前参数的原设定值，闪烁位为修正位
通过键移动修改位，键增值、
键存入修改好的参数，自动转到下一参数。
若为本组最后键后将转到本组第
重复②
，
键进入修改状态，在，，
密码在仪表上电时或
不松开，顺序进入各参数组，仪表键调出当前参数的原设定值，闪烁位为修改位
键移动修改位，键增值，
~
以下列出了测量及显示的相关的参数，设置不正确，可能使仪表显示不正
、
种：补偿前温度＋
注：
影响，该温度可能会高于室温。
在实际应用中，补偿导线接到输入端子，。
Ch06-高频功率放大器要点
dt
iC max 0 (c )
Icmn
1 π
c c
iC
cos(nωt)dt
iC max n
(c )
2c
图6.3.3 尖顶余弦脉冲
波形系数
其中：尖顶余弦脉冲的分解系数
0
(c
)
sinc c cosc (1 cosc )
1
(
c
)
c cosc sin (1 cosc )
c
n
(c
)
2
sin
nc cosc n cos nc sin n(n2 1)(1 cosc )
iC Ic0 Icm1 cost Icm2 cos 2t Icmn cos nt
直流功率： P==VCC Ic0
在集电极电路中, 谐振回路得到的
直流输入功率与集电极输出高频功
高频功率(高频一周的平均功率)即 输出交流功率：
率之差就是集电极损耗功率Pc, 即：
Po
1 2
Vcm
I
cm
1
Vc2m 2Rp
Icmo
icmax
sin cos (1 cos )
icmaxa0 ( )
Icm1
icmax
sin cos (1 cos )
icmaxa1( )
Icmn
icmax
2sin n cos 2nsin cos n n (n2 1)(1 cos cos )
icmaxan ( )
(n 1)
话 筒
音频 放大器
调制器
变频器
激励放大
输出功 率放大
载波 振荡器
发射机 天线开关
扬 声 器
音频 放大器
解调器
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一、引言
1、实际应用的需要 ①激光核聚变需要上万焦耳的激光能量 ②观察非线性光学需要功率强的激光
2、一般激光振荡器的缺陷
①激光大能量大功率的获得要求工作物质的口径 和长度较大，或要求强的泵浦激励，易与相干性 好、发散角小等其它指标的高要求相矛盾。
②能量和功率过高的激光在腔内来回往返传输 时，工作物质易遭到破坏。
(3) 再生放大器的优缺点
优点: 可获得较高的增益。缺点: 频率匹配技术复杂。
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10
第二节 均匀激励连续激光放大器的增益特性
激励方式: 横向激励，Δn，g0，Is 均为与传输距离
z无关的常数 (固体或半导体光放大器) ；纵向激励，
Δn，g0，Is与传输距离有z 关(光纤放大器)。
理由：一方面,在电磁场作用下,工作物质原子产 生的感应电矩和电磁场同相。另一方面，由于碰 撞以及晶格振动会使感应电矩的相位无规变化， 导致宏观感应电极化消失，此为消相过程。
10-11~10-12 s (固体) 10-8~10-9s(气体) 10-13s (半导体)
3、激光放大器的分类
连续激光 脉冲激光
5、脉冲激光放大器
(1)条件：当T2<t0<T1，如调Q激光脉冲作为输 入信号时。
(2)特点：因受激辐射而消耗的反转集居数来不 及由泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光 子数密度达不到稳态。需用非稳态法处理。
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6
6、连续激光放大器与脉冲激光放大器的共同点
均有T2<t0，可不计粒子和光子相互作用的弛 豫过程，粒子在光场作用下产生的P所需时间
1
I z 1 Is
3、小信号增益——前置放大器
若入射光信号非常微弱， 工作物质短，且：
I z
Is
I z Is
0
小信号 增益:
G0 I l exp I0
g
0 H
l
——可用作前置放大器
4、大信号增益(饱和状态)——功率放大器
入射光较强，工作物质长，且： I z ~ Is
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7
8、若输入光信号为高重复率脉冲序列，且脉冲
周期T<<T1，则光放大器工作物质的反转集居数 只在稳定值附近作微小波动。可近似采用稳态
速率方程处理。例：掺铒光纤放大器。
二、 按工作方式分类: 行波放大器及再生放 大器(F-P放大器)
1、行波放大器 工作物质两端面无
I0
I l
P0
g>0
Pl
反射的放大器。
要求：只要求入射光频率在增益介质谱线范围内。
增益： G I l Pl
I0
P0
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8
2、再生放大器：增益工作物质二端面与光传输方
向垂直并有一定的反射率。
要求：入射光需在谐振腔本 征频率附近,保证频率匹配。
r1
r2
I0 P0
g>0 I1
I
2
I1
I
2
I l
Pl
c、振荡级和放大级有机结合可使高的光束质量和 高的能量功率兼得。
d、振荡级和放大级的匹配需要时间延迟电路。 e、激光放大器中存在放大的自发辐射(ASE) ，其 功率大，线宽窄于自发辐射，具有一定的方向性， 也可利用，但在激光放大器中为噪声。
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3
第一节 激光放大器的分类
一、按时间特性分类 (入射信号脉宽t0 及工作物质 弛豫时间T ) 1、分类根据： 被放大信号脉宽t0 与工作物质弛 豫时间T的相对大小关系。 2、弛豫时间及分类
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目标：求 I l I0 及 G G0 (显式或隐式) (1) 归一化输出光强 I l I0
3、实现高功率高能量的方法——激光放大器
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1
①典型固体激光放大器示意图
激光振荡器
Laser rod
泵浦灯
Laser rod
泵浦灯
储能器
触发器
储能器
触发器
延时器
②激光放大器的特点
a、多数不需要谐振腔镜，为行波放大器。
特例：再生放大器。
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2
b、因一次性通过工作物质，故不易破坏工作物质。
T2可忽略，无滞后效应，可忽略粒子和光场 相互作用的相位关系。速率方程均可用。此
两种放大属于非相干放大。
7、超短脉冲激光放大器 (1)条件：当 t0<T2，如锁模激光脉冲(ps量 级)作为输入信号时。
(2)特点：粒子和光子的相互作用为一种相干放 大作用。要考虑光场相位的影响，会出现许多 新现象：π脉冲、2 π脉冲、自感透明等。速率 方程均不可用，需用半经典理论处理。
1 r1r2 Gs 2
－最大增益
(2)当
G
1 2 Gmax
时:
c
1
4 l
r1r2 GS r1r2G s 2
v
14
讨论：①可见，仅当入射光频率在谐振腔本征 频率附近时，才能得到有效放大。
② l、Gs、r 越大， 得到有效放大所允许
的频率范 围越窄。
③ 当 r1=r2=0时，(行波 放大器)，则 G=Gs。
增益：用多光束干涉处理
设工作物质单程 传输的增益为:
GS
I
2
I1
I1
I
2
经过复杂的推算后得:
G
1 r1 1 r2 Gs
1
r1r2 Gs 2 4
r1r2 Gs
sin
2
2
v
l
c
为入射光频率 二反射面组成的谐振腔的谐振频率
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9
(1)当 c
时:
Gm a x
1 r1 1 r2 Gs
①弛豫时间：某种状态的建立或消亡过程。
②纵向弛豫时间T1：反转粒子数的增长与衰减所需 时间。
理由：粒子在非基态能级上有有限寿命。
10-3~10-4s(固体) 10-6~10-9s(气体) ~10-9s(半导体)
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③横向弛豫时间T2：宏观感应电极化的产生 和消亡不是瞬时的。极化强度P(z, t)较E(z, t) 落后的时间T2即是横向弛豫时间。
放大器
放大器
超短脉冲激 光放大器
4、连续激光放大器
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5
(1)条件：当激光放大器的输入信号是连 续或非调Q激光脉冲时，有t0>T1。 (2)特点：由于光信号与工作物质作用时间足够 长，因受激辐射而消耗的反转集居数来得及由 泵浦抽运所补充。故反转集居数及腔内光子数 密度均可到达稳态。可用稳态法处理。
I0(t)
激光工作物质
I1(t)
I0(t)
信号光
掺铒光纤 I1(t)
泵浦灯
聚光器
泵浦光
一、输入信号强度对放大器增益的影响
1、假设条件: 均匀加宽、平均损耗系数α、信号光 频率。 2、工作物质的净增益系数
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由P153的4.5.15式再 考虑损耗后得到：
dI z I zdz
g
0 H