第七章 激光放大特性
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激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
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9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
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5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
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6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
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4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
激光原理第16讲
Dnt (高Q)，此时其反转集居数大于
阈值，将因受激辐射产生光放大， 并使有限的激光能量在极短的时间 内输出形成巨脉冲。
Q开关开 高Q值
二.调Q方法
1.转镜调Q ：反射损耗 2.电光调Q ：反射损耗 3.声光调Q ：衍射损耗 4.染料调Q ：吸收损耗 主动调Q ：外加驱动源调节腔内损耗
如电光、声光调Q 被动调Q ：由腔内光强调节损耗
三.脉冲透射式调Q ———（腔倒空 ）
全反
工作物质
射镜
全反射转镜
• 泵浦激励时，V＝0时谐振腔处于低Q状态，积累Dn, V=Vp时两全反镜构成高Q腔，激光器振荡但无输出，
光子能量储存在腔内。 •腔内光强达最大值时， V＝0，低Q态，腔内光能全 部从格兰棱镜2 输出，形成光脉冲，脉冲持续时间为 2L’/c 。
7.4 注入锁定
一.注入锁定
在自由振荡激光器谐振腔内注入种子模----弱信号， 种子模与其它自然振荡间产生模式竞争，最终激光 振荡被注入信号所控制。
二. 注入锁定的意义
通过注入锁定技术，用光强弱、性能优的激光束控制 强激光器输出光束的光谱特性、模式相位特性及空间 特性。从而获得性能好的强激光。
三.连续激光器的注入锁定
② 纵模选择方法
小孔光阑
小孔光阑
谐振腔参数g、N选择法 适当选择参数,仅使TEM00模满足振荡阈值条件。
非稳腔 为高损腔,各横模间的损耗差别很大。 微调谐振腔
对于稳定腔，当腔镜发生倾斜时，模体积较大的高阶 模损耗显著增大，而对模体积较小的基模影响较小。
二. 纵模选择
－－在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法
Gain-switched FP LD
7.5 锁模
一.锁模原理
阈值，将因受激辐射产生光放大， 并使有限的激光能量在极短的时间 内输出形成巨脉冲。
Q开关开 高Q值
二.调Q方法
1.转镜调Q ：反射损耗 2.电光调Q ：反射损耗 3.声光调Q ：衍射损耗 4.染料调Q ：吸收损耗 主动调Q ：外加驱动源调节腔内损耗
如电光、声光调Q 被动调Q ：由腔内光强调节损耗
三.脉冲透射式调Q ———（腔倒空 ）
全反
工作物质
射镜
全反射转镜
• 泵浦激励时，V＝0时谐振腔处于低Q状态，积累Dn, V=Vp时两全反镜构成高Q腔，激光器振荡但无输出，
光子能量储存在腔内。 •腔内光强达最大值时， V＝0，低Q态，腔内光能全 部从格兰棱镜2 输出，形成光脉冲，脉冲持续时间为 2L’/c 。
7.4 注入锁定
一.注入锁定
在自由振荡激光器谐振腔内注入种子模----弱信号， 种子模与其它自然振荡间产生模式竞争，最终激光 振荡被注入信号所控制。
二. 注入锁定的意义
通过注入锁定技术，用光强弱、性能优的激光束控制 强激光器输出光束的光谱特性、模式相位特性及空间 特性。从而获得性能好的强激光。
三.连续激光器的注入锁定
② 纵模选择方法
小孔光阑
小孔光阑
谐振腔参数g、N选择法 适当选择参数,仅使TEM00模满足振荡阈值条件。
非稳腔 为高损腔,各横模间的损耗差别很大。 微调谐振腔
对于稳定腔，当腔镜发生倾斜时，模体积较大的高阶 模损耗显著增大，而对模体积较小的基模影响较小。
二. 纵模选择
－－在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法
Gain-switched FP LD
7.5 锁模
一.锁模原理
第七章 光放大器
2011年1月10日7时28分
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7.2.1 EDFA的工作原理 的工作原理
不同吸收频率处的泵浦效率相差很大。实验测得： 在泵浦波长λp=0.532µm，Wp=1.35dB/mW； λp=0.8µm ， Wp=0.8dB／mW； λp=0.98µm ， Wp=4.9dB／mW； λp=1.48µm ， Wp=3.9dB／mW；。 泵浦频带需选用无激发态吸收的频带； 激发态吸收： 激发态吸收：吸收外来光子继续向更高能级跃迁。 电子在激发吸收带，吸收泵浦光子或信号光向 更高能级跃迁，大大降低了泵浦效率，引起信号光 衰减。 泵浦源应选在无激发吸收频带，如0.98µm、 1.48µm。
EDF 光隔离器 WDM 输入信号 WDM 光隔离器 光滤波器 泵浦激光器 泵浦激光器 双向泵浦 输出信号
2011年1月10日7时28分
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7.2.2 EDFA构成和特性-构成 构成和特性 构成
三种方式各部分要求： 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技 是实现光纤放大器的技 设计高增益掺铒光纤 术关键， 术关键， EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和 直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最 佳增益。 对泵浦光源（波长通常为980 µm或1480 µm）的基本 对泵浦光源（波长通常为 要求是大功率和长寿命。 要求是大功率和长寿命。波长为1480 µm的InGaAsP多 量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW，泵浦 效率在6 dB/mW以上。波长为980 nm的泵浦效率更高， 达10 dB/mW， 且噪声较低，是未来发展的方向。
EDFA
机理
已经实用化
粒子数反转分布的受激辐射产生的放大 材料
掺Er3+光纤
特种加工技术 第2版 第7章 激光加工技术
激光热处理技术可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化
问题。经过激光处理后，铸层表层硬度可达HRC60以上，中碳及高碳钢，合金
钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、防氧化
等性能，延长其使用寿命。
其应用对象可为铸铁、碳钢、合金钢及固熔强化的铝合金、钛合金等。处理后，不仅使材料或零 件保持整体韧性和抗冲击性，还可得到高硬度、高耐磨的表层。激光相变硬化技术在目前各类激光表 面优化处理中技术最成熟、应用最广泛。汽车里的许多零部件如发动机缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、 挺杆、缸盖等；机床电磁离合器零件如连接件、齿环、花键套等；冷冲模具、铆压模具、各类轴承和 齿轮、导轨、块规、刀具、量刃具；石油抽油泵泵筒；轧钢用冷、热轧辊；各类主轴、丝杠，机用、 手用钢锯条等都可利用激光相变硬化技术提高使用寿命，效果显著。
（1）使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益。 近的地（方2），可可以用通机过器透人明进介行质激对光密加闭工容。器内的工件进行各种加工;在恶劣环切境削或加其工他人难以接
（3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。 （4）可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。 （5）激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行 加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。 （6）无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形，并且高能量激光束的能量及其 移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。 （7）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照 射部位没有或影响极小，因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。
加工精度：尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra可达 0.16～0.08。
第七章 激光拉曼光谱技术(二)
第三节 受激拉曼散射
受激拉曼散射应用1——测量振动态寿命
第三节 受激拉曼散射
受激拉曼散射应用1——测量振动态寿命
第三节 受激拉曼散射
受激拉曼散射应用2——拉曼频移器
第三节 受激拉曼散射
二、受激拉曼增益(SRGS)
在受激拉曼散射中，入射的强激光可以在介质中 激发出多级受激拉曼谱线。如果在输入泵浦光的 同时，再输入一斯托克斯散射频率的光，该频率 的光将被放大。 三阶非线性极化产生的受激拉曼增益强度为
级联拉曼光纤激光器
第三节 受激拉曼散射
光纤拉曼放大器
Pump Source Output
PUMP SIGNAL WDM
Gain Flattening Filter
第三节 受激拉曼散射
1310 nm级联拉曼光纤放大
Signal light and pump light enter the device together through a wavelength selective coupler. The pump light at 1064 nm is shifted to 1117 nm and then in stages to 1240 nm. The 1240 nm light then pumps the 1310 band signal and amplification is obtained. A high level of Ge dopant is used (around 20%) to increase the SRS effect.
第二节 相干反斯托克斯拉曼散射光谱
PCARS(3) 是产生频率为 ω a 的电磁波的激发源，CARS场 在非线性介质中的传播方程
( 3) ∂ 2 PCARS 1 ∂2E ∇ 2 E = 2 2 + μ0 ∂t 2 c ∂t
第七章 激光加工
五、 激光加工的应用
1. 激光打孔
随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材 料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又 小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉 丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中 的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方 法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则 能比较好地完成任务。
YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体源自光器。红宝石激光器：红宝石是掺有质量分数为0.05％氧化铬的 氧化铝晶体，发射λ=0.6943μm的红光，稳定性好。红宝石激 光器是三能级系统，主要是铬离子起受激发射作用。
在高压氙灯的照射下，铬离子从基态E1被抽运到E3吸收带， 由于E3平均寿命短，在小于10-7s内，大部分粒子通过无辐射跃 迁落到亚稳态E2上，E2的平均寿命为3×10-3s，比E3高数万倍， 所以在E2上可贮存大量粒子，实现E2和E1能级之间的粒子数反转， 发射激光。
下图是氢原子的能级，图中最低的能级E1称为基态，其余E2、 E3等都称为高能态。
跃迁：被激发到高能级的原子一般是很不稳定的，它总 是力图回到能量较低的能级去，原子从高能级回落到低能级 的过程称为“跃迁”。 在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发状态的各 种高能级的原子停留的时间（称为寿命）一般都较短，常在 0.01μs左右。 亚稳态：有些原子或离子的高能级或次高能级有较长的 寿命，这种寿命较长的较高能级称为亚稳态。 能级激光器中的氦原子、二氧化碳分子以及固体激光材 料中的铬或钕离子等都具有亚稳态能级，这些亚稳态能级的 存在是形成激光的重要条件。
1
2
3
4 5 6 1—激光器；2—激光束； 3—全反射棱镜；4—聚焦物镜； 5—工件；6—工作台
激光加工示意图
精密与特种加工技术七激光加工技术
可以切割金属，也可以切割非金属如玻璃、陶瓷以及木材、布料、纸张等。 (7) 无力接触式加工，没有“刀具”磨损，也不会破坏精密工件的表面。 (8) 具有高度的适应性、加工柔性高，可以实现小批量、多品种的高效自动化加
工。 (9) 噪声小，无公害。
12
7.3.2 激光打孔
1. 激光打孔的原理和方式 在所有的打孔技术中激光打孔是最新的无屑加工技
(2) 激光器电源：为激光器提供电能以及实现激光 器和机械系统自动控制。
(3) 光学系统：主要包括聚焦系统和观察瞄准系统。 (4) 机械系统：包括床身、数控工作台和数控系统
等。
11
7.3 激光切割和打孔技术
7.3.1 激光切割 与传统的机械切割方式和其他切割方式(如等离子切割、水切割、氧溶剂电弧切
8
7.1.3 激光特性
激光器具有与普通光源很不相同的特性，一般称为 激光的四性：方向性好、单色性好、相干性好以 及高亮度。激光的这些特性不是彼此独立的，它 们相互之间有联系。实际上，正是由于激光的受 激辐射本质决定了它是一个相干光源，因此其单 色性和方向性好，能量集中。
9
7.2 材料加工用激光器简介
处于低能级E1上的原子由于吸收一个能量为hν21 的光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去，这种 过程称为光的受激吸收。
4
3. 光的受激辐射 当原子受到外来的能量为hν的光子作用(激励)时，
处在高能级E2上的原子也会在能量为hν的光子诱 发下，从高能级E2跃迁到低能级E1，这时原子 发射一个与外来光子一模一样的光子，这种过程 称为光的受激辐射。
5
7.1.2 激光工作原理
1. 粒子数反转 在物质处于热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级
的粒子数。由于外界能源的激励(光泵或放电激励)，破坏 了热平衡，有可能使得处于高能级E2上的粒子数n2大大 增加，达到n2>n1。这种情况称为粒子数反转分布。一般 可把原子从低能级n1激励到高能级n2以使在某两个能级 之间实现粒子数反转的过程称为泵浦(或抽运)。泵浦装置 实质上是激光器的外来能源，提供光能、电能、热能、化 学反应能或原子核能等。激光泵浦装置的作用，是通过适 当的方式，将一定的能量传送到工作物质，使其中的发光 原子(或分子、离子)跃迁到激发态上，形成粒子数反转分 布状态。
工。 (9) 噪声小，无公害。
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7.3.2 激光打孔
1. 激光打孔的原理和方式 在所有的打孔技术中激光打孔是最新的无屑加工技
(2) 激光器电源：为激光器提供电能以及实现激光 器和机械系统自动控制。
(3) 光学系统：主要包括聚焦系统和观察瞄准系统。 (4) 机械系统：包括床身、数控工作台和数控系统
等。
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7.3 激光切割和打孔技术
7.3.1 激光切割 与传统的机械切割方式和其他切割方式(如等离子切割、水切割、氧溶剂电弧切
8
7.1.3 激光特性
激光器具有与普通光源很不相同的特性，一般称为 激光的四性：方向性好、单色性好、相干性好以 及高亮度。激光的这些特性不是彼此独立的，它 们相互之间有联系。实际上，正是由于激光的受 激辐射本质决定了它是一个相干光源，因此其单 色性和方向性好，能量集中。
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7.2 材料加工用激光器简介
处于低能级E1上的原子由于吸收一个能量为hν21 的光子而受到激发，跃迁到高能级E2上去，这种 过程称为光的受激吸收。
4
3. 光的受激辐射 当原子受到外来的能量为hν的光子作用(激励)时，
处在高能级E2上的原子也会在能量为hν的光子诱 发下，从高能级E2跃迁到低能级E1，这时原子 发射一个与外来光子一模一样的光子，这种过程 称为光的受激辐射。
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7.1.2 激光工作原理
1. 粒子数反转 在物质处于热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级
的粒子数。由于外界能源的激励(光泵或放电激励)，破坏 了热平衡，有可能使得处于高能级E2上的粒子数n2大大 增加，达到n2>n1。这种情况称为粒子数反转分布。一般 可把原子从低能级n1激励到高能级n2以使在某两个能级 之间实现粒子数反转的过程称为泵浦(或抽运)。泵浦装置 实质上是激光器的外来能源，提供光能、电能、热能、化 学反应能或原子核能等。激光泵浦装置的作用，是通过适 当的方式，将一定的能量传送到工作物质，使其中的发光 原子(或分子、离子)跃迁到激发态上，形成粒子数反转分 布状态。
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1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
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10
在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
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三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
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3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
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7
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，
第七章 脉冲激光技术20150612
EO/2 Ey S波 A，
巨脉冲输出，tPTM
2L c
设计电光调Q激光器要考虑的问题：
调制晶体 消光比高，透过率高，半波电压低，抗激光破坏阈值高。 晶体潮解问题
调制器的电极结构
要形成均匀电场 纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。 对工作物质的要求 上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。 对泵浦源的要求
应用最广泛
对高能量激光器的开 用于低增益的连续
关能力差
激光器
被动式调Q，产生调 用于能量较大的脉 Q脉冲的时刻有一定 冲激光器 随机性，染料易变质， 输出不稳定
7.2 锁模
目的:
压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-109s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际 应用需要更窄的脉冲.(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩 到10-11～10-14s（ps~fs）量级。) 例: 1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好
H
21l
nt
21l
n nt
t>tp,
n nt
调Q过程反转粒子数密度及光子数密度随时间的变化
“Q”的意义
Q 2 储存在腔内的总能量（x）
单位时间内损耗的能量（P）
Q
2
W dW
dt
2
W W
2c
普通的脉冲激光器：脉宽ms级，峰值功率几十kW 调Q激光器：脉宽ns级，峰值功率达到百MW
R. Hellwarth
1 I
0
/
I
' s
关键：
（1）吸收峰中心波长 与激光波长吻合
（2）适当的饱和光强
开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低不能形成激光 继续泵浦腔内荧光变强吸收系数变小荧光达到一定值时， 吸收系数饱和材料被漂白 Q值突增，雪崩过程，形成激光脉 冲达到饱和光强，增益系数显著下降，激光熄灭
激光原理与激光技术 完整第七章
为了有效选择横模，要考虑到两个问题： （1）衍射损耗在模的总损耗中占有重要地位，大小与其它非选择性损 耗相比拟（如腔内各元件的吸收、散射）。两条措施：①尽量减小腔内各 元件的吸收、散射；②减小腔的菲涅尔数N。 （2）横模选择除了要考虑各横模衍射损耗绝对值大小，还要考虑横模 鉴别力（高阶横模与基模的衍射损耗比
x 3
扫描干涉仪得到的频谱图
x j 自由光谱区 j ( j
c ) , x 相邻纵模频率间隔 q 4L
x1 mn,00
由试验得出：
mn,00 q,q 1
x1 x
x 1 和理论值 作比较，即可判断出高阶模式。 x
进行横模观测时，应使干涉仪的自由光谱区大于激光工作物质的增益线宽。 四、 F-P照相法 用来测量脉冲激光的模式。
第七章 模式选择与测量
概述：激光的许多应用领域要求激光束具有好的光束质量。 光束质量：方向性（横模），单色性（纵模） 横模：激光束横截面内激光光场的分布。
TEM00
TEM10
TEM 20
TEM00
TEM10
TEM 20
方形镜稳定球面腔横模示意图
圆形镜稳定球面腔横模示意图
TEM00 基模的发散角最小，径向强度分布均匀。
特点：
标准具的厚度可以做得很 增益曲线 薄，自由光谱区比腔谐振频率 大得多，对于增益线宽很宽的 物质均能获得单纵模振荡，并 且腔长没有缩短，输出功率不 受影响。调节标准具倾角使透 射峰与不同纵模的频率重合， 就可以获得调谐输出。
谐振腔频率
标准具频率
单纵模
增益曲线
当激光工作物质增益线宽 很大时，一个标准具难以奏效， 往往采用双标准具选模。
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泵浦光的耦合方式
端面耦合: 直接 耦合;自聚焦透镜耦合；圆柱性微透镜耦合；透镜 组耦合;光纤端面直接熔接; 侧面耦合: V型槽泵浦; 微棱镜耦合;内嵌反射镜侧面耦合；熔锥侧 面泵浦耦合；角度磨抛侧面耦合 其他耦合： 光纤全息耦合
泵浦光的端面耦合
直接耦合
自聚焦透镜耦合
圆柱形微透镜耦合
光纤端面加工球透镜的耦合
放大器按照工作方式的分类：
a. 行波放大器： 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。 b. 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 激光器中，它作为一个“种籽”控制激光振荡产生，并 得到放大。
不同形状光脉冲经过放大器后的情形
③ 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。
双程和多程放大技术
上述行波放大器的主要缺点是：由于光信号一次通过放大介质，则光信号过 后，还可能有剩余的△n。因此能量利用率不高。因此在此基础上，发展 了双程、多程放大技术。 双程、多程放大器的结构：在行波放大器的末端加一反射镜。使光束多次通 过放大介质。 一、双程放大器。 1.法拉第双程放大器。（实际上隔离器） 在振荡器和放大器之间加一个法拉第旋转器， P － 偏振器 一般采 用格兰棱镜。 P的作用：① 起偏器。 ② 输出镜,输出的光是线偏光。 光信号两次通过放大介质故称为双程放大器。
噪声系数低
不同掺杂光纤放大器放大波段
Operation range (nm)
880 ∽886
902∽916 900∽950
Dopant ion
Pr3+
Pr3+ Nd3+
970∽1200 1000∽1150
1260∽1350 1320∽1400 1460∽1510 1500∽1600 1700∽2015 2040∽2080
特点:具有较高的增益和输出功率
还应能实现对监控信号的接入和取出 具有分路的功能,用于多路传输系统中,还要具有足够的增益带宽
光放大器的分类
半导体光放大器 掺杂光纤放大器; 如EDFA, YDFA,TDFA, SOA
非线性光放大器;如光纤拉曼放大器，光纤布里渊放大器，光纤参量放大器
表一：光放大器的性能比较
与微波相比，光波频率高3-5个数量级，频率资源丰富得多。 激光光束的发散角比微波波束的发散角小3-5个数量级。 保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。
光纤放大器的特点和分类
光纤激光器和放大器的特点:紧凑;好的热稳定性;输出衍射极限的光束 光纤放大器的种类: 功率放大器:直接用于光发射器之后,以进一步将光发射机输出的光信号加以放大 特点:工作在深饱和区 要求保持适中的增益和噪声系数下能提供尽可能高的光功率 前置放大器:直接用于接收机前以改善接收机的灵敏度. 特点:为低功率器件,工作在小信号的区域 在线放大器:用于2个无源光纤段之间,以增加传输距离
第七章 激光放大特性
刘雁 三峡大学理学院
2012版
内容提要
• 光学放大器的一般知识 • 激光放大器的分类 • 按照激励强弱的不同，工作物质的三种状 态 • 光纤放大器的一些知识
7.1 概述 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。
为什么不直接用振荡器来获得高功率的激光输出呢？ 原因：1、 2、 3 实际上获得高功率光束质量优良的激光光束的方法是什么？
工作过程：光信号由全反镜M1、M6、M3，第一次通过放大介质的不同位置， 再由全反镜M4、M5、M2，第二次通过放大介质的不同位置，最后输出。
4.5 再生式放大技术
上面讲的是脉冲行波放大器，局限性：放大倍数低 （一次通过），可采用多级放大。80年代新发展的 一种再生式放大技术。 再生式放大技术：将一光束质量好的微弱信号注入 一个激光振荡器中，注入的光信号作为一个“种籽” 控制激光振荡的产生，即使激光振荡是在这个“种 籽”的基础上而不是从噪声中发展起来，并得到放 大之后输出腔外，从而得到光束性能优良、功率高 的激光。 一
b 600 a 0
Yb3+ energy level structure
不同内包层光纤的吸收效率
光纤功率放大器所遇到的问题和解决方法
限制了功率的进一步增加的因素：非线性效应（如：SBS,SRS）
解决方法： 增加纤芯直径D 并且降低其数值孔径NA. （当D*NA小于某个极限时，光纤就可以实现单模运转，否则就会使输出光束的
光隔离器
光环行器 波分复用器件；波分复用器又可分为棱镜型、干涉模型和衍射光栅型三种 光纤光栅
掺内增益谱不平坦影响多信道放大性能 • 光放大器级联应用时，ASE噪声、光纤色散及非线性效应的影响会累积这些都影 响了光纤放大器的工作特性。
发展方向：
2.菲涅尔菱体双程放大器。（实际上是 隔离器） 菲涅尔菱体可使线偏光通过后变成圆 偏光。利用它的这个性质，把它放到 振荡器和放大器之间组成双程放大器
工作过程：其工作过程与利用法拉弟旋转器的类似。 从以上双程放大器看出共同特点： ① P既是起偏器又是输出镜。 ② 光在放大介质中两次放大。 ③ 法拉第旋转器或菱体的作用改变光的偏振方向。④ 隔离作用。 3.双程片状放大器。 把介质做成片状。由于片状介质可以做的尺寸大。最大几百毫米。一般采用多 级放大器时，把片状放大器放在末级。
1. 对矩形脉冲的放大 强信号的情况下，脉冲前沿的增益与x是指数关 系，脉冲后沿的增益减少。即脉冲不同处的增益 不同。放大的光强不同，脉冲波形畸变，脉宽变 化
2.对其他脉冲波形的放大 一般情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。
放大器，氟基、碲基、铋基铒纤和高掺铝、掺磷铒纤等。
采用传统掺杂光纤放大器与光纤拉曼放大器级联构成的混 合光纤放大器。如EDFA/Raman、TDFA/Raman混合放大器等
Yb光纤的吸收和发射谱、能级结构
cm-1
g 11630
2F 5/2
f 11000 e 10260
d 1490 c 1060
2F 7/2
① 入射脉冲为高斯型的函数 高斯型的函数exp（-t2/τ2）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。
②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。
c. 超短脉冲放大器：
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。
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：
a. 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。
光纤放大器的应用
光纤放大器是光通信发展史上的一个重要里程碑，因为它解决了衰减对光网络距离与传 输速率的限制，完全摈弃了基于光—电—光转换的昂贵的中继器，从而可以实现比特率 及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易。
高增益、低噪声系数、高输出光功率和较低的非线性失真是光纤放大器的基本要求。
激光通讯与微波通讯相比，具有不少独特的优点：
Yb3+ Nd3+
Pr3+ Nd3+ Tm3+ Er3+ Tm3+ Ho3+
不同光纤放大器的放大波段
光纤放大器的基本概念和光学元件
光纤放大器的基本概念： 光纤的损耗 增益和噪声 饱和输出功率：饱和输出功率是指最大增益下降3dB时对应的输出功率。表示 YDFA从线性增益区变化到非线性增益区的转折点。当输出功率 高于饱和输出功率时，增益随着输出光功率的增大而减小 其他光学元件：
质量下降。有时候为了得到好的光束质量，解决的方法是缠绕光纤，引入弯曲损 耗）
增加光纤的掺杂浓度，减小光纤的长度
光纤放大器的一些非线性效应的阈值
光纤放大器的噪声
掺杂光纤放大器的噪声主要有以下四种:
信号光的散粒噪声；
ASE ASE光谱与信号光之间的差拍噪声。 ASE光谱间的差拍噪声.
以上四种噪声中放大的自发辐射ASE的影响是最大的 。 噪声抑制问题解决的方法： 内置滤波器或者吸收介质
二、激光放大技术： 1、 定义：利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器 件。 2、放大器的结构：
MOPA system: master oscillator power amplifier system
放大器时间的分类
根据振荡级输出激光的脉冲宽度不同可分为三种放大器。 a. 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。 脉宽：τ> T1 其中T1是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的纵 向弛豫时间。纵向弛豫时间：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：T1 ～ 10-3 s 主要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。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——稳态过程。
工作过程：光经过偏振器后的偏振光，进入法拉弟旋转器，其偏振方向顺时针方向 转动45度，第一次通过放大介质，由全反镜反射后，第二次通过放大介质和法拉 弟旋转器，偏振方向又顺时针旋转45度，不能通过偏振器，从P处输出。
利用法拉第旋转器的双程放大器的另一种结构如下： P － 偏振器，同时也是输出镜。 法拉第旋转器使光束的偏振面旋转 900 。 工作过程: 经过偏振器的光信号，在放大介质中第一次放大后，经法拉弟 旋转器，其偏振方向顺时针方向转动90度，由全反镜反射后，第二次通 过放大介质和法拉弟旋旋转器，偏振方向又顺时针旋转90度，从P处输 出。