激光放大器原理

放大器中的工作物質在泵浦源的作用下，大量的粒子數(shù)由低能級向高能級躍遷，是高能級存在大量粒子數(shù)，但是由于放大器沒有諧振腔，故不能形成粒子數(shù)發(fā)轉躍遷形成激光，在諧振腔中產(chǎn)生的激光光束通過放大器時，該激光作為光信號使放大器中的高能態(tài)粒子受激發(fā)向下躍遷形成高能量激光。

一般只有在低功率下諧振腔中會產(chǎn)生高品質的激光(線寬，脈寬，偏振等)為了使該激光還能用高功率的激光束，就用到了激光放大器。這兩個工作物質有相同的能級系統(tǒng)目的是輸出的激光保持高質量不變。

為獲得高的激光能量或功率而又保持激光的質量(包括脈寬、線寬、偏振特性等)，通常采用激光放大的方法。對于常規(guī)的固體、氣體激光器，多采用振蕩級加放大級的方案。在固體激光放大器中，使用一種相位共軛反射器(Phase Conjugate reflector)的方法，采用PCR，即可以獲得很高的放大倍率，又能夠保持很好的光束質量。PCR可以通過氣體、固體以及光纖等介質來實現(xiàn)。

與此同時，半導體激光放大器也在迅速發(fā)展。偏振依賴問題曾是一個難題，由于采用了張應變量子阱結構(或采用張應變與層應變結構組成的應變補償量子阱結構)，比較好地解決了偏振依賴問題，所以半導體激光放大器的發(fā)展已顯示出優(yōu)勢。特別是在1330nm波長上，由于目前光纖放大器還難以解決泵浦源等問題，因此 這個波段上的半導體激光放大器有望發(fā)揮大的效力。

此外，全光纖激光放大器的研制及其出色應用是近年來光子技術領域又一件引起廣泛關注的大事。目前主要在1550nm波段、以摻鉺光纖激光放大器(EDFA)為代表的器件研制獲得成功，并在光纖通信系統(tǒng)中獲得出色的應用，以致使光通信領域發(fā)生重大變革。提高EDFA的性能(如提高連級EDFA的信噪比、實現(xiàn)EDFA的增益平坦化等)、擴大EDFA的應用(如將其用于各種模式的通信系統(tǒng))等，仍在深化研究之中。在新的波段，特別是在1330nm波段，實現(xiàn)光纖放大也是近年來被廣泛研究的課題。使用氟化物光纖完成的1330nm波段的光纖放大器也引人關注。

圖為一個固體激光放大系統(tǒng)，它可以對振蕩器產(chǎn)生的激光脈沖進行放大。

激光放大器工作時要注意以下特點:

1.振蕩器和放大器的增益同步問題。當激光束后通過放大器(特別是在多級放大的情況)，只有讓放大器的增益落后振蕩器一定時間，才能保擊出證當被放大的激光束通過時，能保持著最大的增益，即處于最佳工作狀態(tài)。

2.了防止放大器寄生振蕩，放大器工作物質的兩端面應磨成布儒斯特角，或在輸入端面鍍增透膜。

3.為了防止放大器后級向前級反饋光束，干擾前級工作，故應在相鄰兩級之間裝置隔離器。

4.振蕩器出來的光束直徑較細，而放大器工作物質的直徑較粗，故為了更有效地利用放大器工作物質的粒子數(shù)反轉，應把前級光束直徑用望遠鏡擴束，這就是光束直徑匹配的問題。

5.為了將放大器的粒子數(shù)反轉能量全部提取出來，通常放大器都被設計在飽和狀態(tài)下工作。

激光放大器是指利用光的受激輻射進行光的能量(功率)放大的器件。通過采用激光放大器，可以在獲得高的激光能量或功率時而又保持激光的質量(包括脈寬、線寬、偏振特性等)。常用于可控核聚變、核爆模擬、超遠激光測距等重大技術中的高功率激光系統(tǒng)。

獲得極高的輸出能量和功率，保持振蕩器的光束質量，降低光學元件的破壞和損傷。

常見激光放大器可以分為兩類，即脈沖的或穩(wěn)態(tài)的。如果輸入激光脈沖的時間寬度Δc小于放大器高能級的自發(fā)輻射壽命τ21，則稱為脈沖激光放大器。反之，Δc>τ21，的就稱為穩(wěn)態(tài)激光放大器，它包括了長脈沖激光放大器和連續(xù)激光放大器。脈沖激光放大器以放大激光能量為主，而穩(wěn)態(tài)激光放大器則主要是放大激光功率(或光強)，實際上激光振蕩器也是這樣分類的。此外，脈沖激光放大器中，還可分出一類，稱之為超短脈沖放大器，它主要對鎖模激光脈沖進行放大，與鎖模激光器一樣有自己的特點。

1長脈沖激光放大器

一般振蕩級激光器輸出的是連續(xù)的或一般脈沖激光器。

脈寬:τ>T1

其中T1是放大介質激發(fā)態(tài)的粒子由于輻射躍遷的縱向弛豫時間。弛豫時間:激發(fā)態(tài)的粒子所在的能級有一定的壽命，因此產(chǎn)生輻射躍遷有一定的滯后時間。固體:T1~10-3s主要由上能級的總壽命來決定。

因此上能級的粒子數(shù)消耗掉以后來得及由泵浦得以補充。這時腔內的光子數(shù)密度和工作物質的反轉粒子數(shù)可以認為不隨時間變化--穩(wěn)態(tài)過程。

2脈沖放大器:

一般振蕩級為調Q激光器~10-8s

T2<τ<T1

T1:縱向弛豫時間。

T2:橫向弛豫時間:放大介質中粒子相互交換能量過程引起的非輻射躍遷使激發(fā)態(tài)的粒子的感應偶極矩有一定的弛豫時間。

由于脈寬較小，在脈沖信號放大期間，工作物質的反轉粒子數(shù)和光子密度是隨時間變化的。--非穩(wěn)態(tài)過程

3超短脈沖放大器:

脈沖窄，是鎖模激光器，輸出的脈沖10-11~10-15s。光信號和放大介質的相干作用是一種相干的放大作用。情況比較復雜，需要采用半經(jīng)典理論進行討論。

按照工作方式分類

行波激光放大器

再生激光放大器--做好模匹配

注入鎖定放大器--模匹配+位相鎖定

多程放大器

半導體激光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，簡寫為SOA)的放大原理與半導體激光器的工作原理相同，也是利用能級間躍遷的受激現(xiàn)象進行光放大。為了提高增益，人們去掉了構成激光振蕩的諧振腔，由電流直接激勵，可獲得30dB(1000倍)以上的光增益。

半導體激光放大器有三種。一種是將通常的半導體激光器當作光放大器使用，稱作法布里-泊羅(F-P)半導體激光放大器(FPA);另一種是在F-P激光器的兩個端面上涂有抗反射膜，以獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。這種放大器是在光的行進過程中對光進行放大的，故稱行波式光放大器(TWLA)還有一種注入鎖定放大器(IL-SOA)，在結構上與F一P一SLA完全相同，但它被偏置在閡值電流以上，如果將弱的單模光注入此放大器，則將得到高功率單模輸出。