激光放大器

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

激光放大器工作時(shí)要注意以下特點(diǎn):

1.振蕩器和放大器的增益同步問(wèn)題。當(dāng)激光束后通過(guò)放大器(特別是在多級(jí)放大的情況)，只有讓放大器的增益落后振蕩器一定時(shí)間，才能保擊出證當(dāng)被放大的激光束通過(guò)時(shí)，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(zhì)的兩端面應(yīng)磨成布儒斯特角，或在輸入端面鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

3.為了防止放大器后級(jí)向前級(jí)反饋光束，干擾前級(jí)工作，故應(yīng)在相鄰兩級(jí)之間裝置隔離器。

4.振蕩器出來(lái)的光束直徑較細(xì)，而放大器工作物質(zhì)的直徑較粗，故為了更有效地利用放大器工作物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，應(yīng)把前級(jí)光束直徑用望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束，這就是光束直徑匹配的問(wèn)題。

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

放大器中的工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，大量的粒子數(shù)由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，是高能級(jí)存在大量粒子數(shù)，但是由于放大器沒(méi)有諧振腔，故不能形成粒子數(shù)發(fā)轉(zhuǎn)躍遷形成激光，在諧振腔中產(chǎn)生的激光光束通過(guò)放大器時(shí)，該激光作為光信號(hào)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(huì)產(chǎn)生高品質(zhì)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(gè)工作物質(zhì)有相同的能級(jí)系統(tǒng)目的是輸出的激光保持高質(zhì)量不變。

為獲得高的激光能量或功率而又保持激光的質(zhì)量(包括脈寬、線寬、偏振特性等)，通常采用激光放大的方法。對(duì)于常規(guī)的固體、氣體激光器，多采用振蕩級(jí)加放大級(jí)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(zhì)量。PCR可以通過(guò)氣體、固體以及光纖等介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

與此同時(shí)，半導(dǎo)體激光放大器也在迅速發(fā)展。偏振依賴問(wèn)題曾是一個(gè)難題，由于采用了張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)(或采用張應(yīng)變與層應(yīng)變結(jié)構(gòu)組成的應(yīng)變補(bǔ)償量子阱結(jié)構(gòu))，比較好地解決了偏振依賴問(wèn)題，所以半導(dǎo)體激光放大器的發(fā)展已顯示出優(yōu)勢(shì)。特別是在1330nm波長(zhǎng)上，由于目前光纖放大器還難以解決泵浦源等問(wèn)題，因此 這個(gè)波段上的半導(dǎo)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(yīng)用是近年來(lái)光子技術(shù)領(lǐng)域又一件引起廣泛關(guān)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(yīng)用，以致使光通信領(lǐng)域發(fā)生重大變革。提高EDFA的性能(如提高連級(jí)EDFA的信噪比、實(shí)現(xiàn)EDFA的增益平坦化等)、擴(kuò)大EDFA的應(yīng)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(shí)現(xiàn)光纖放大也是近年來(lái)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(guān)注。

激光放大器是指利用光的受激輻射進(jìn)行光的能量(功率)放大的器件。通過(guò)采用激光放大器，可以在獲得高的激光能量或功率時(shí)而又保持激光的質(zhì)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(yuǎn)激光測(cè)距等重大技術(shù)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(zhì)量，降低光學(xué)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(shí)間寬度Δc小于放大器高能級(jí)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(zhǎng)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(qiáng))，實(shí)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(duì)鎖模激光脈沖進(jìn)行放大，與鎖模激光器一樣有自己的特點(diǎn)。

1長(zhǎng)脈沖激光放大器

一般振蕩級(jí)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(zhì)激發(fā)態(tài)的粒子由于輻射躍遷的縱向弛豫時(shí)間。弛豫時(shí)間:激發(fā)態(tài)的粒子所在的能級(jí)有一定的壽命，因此產(chǎn)生輻射躍遷有一定的滯后時(shí)間。固體:T1~10-3s主要由上能級(jí)的總壽命來(lái)決定。

因此上能級(jí)的粒子數(shù)消耗掉以后來(lái)得及由泵浦得以補(bǔ)充。這時(shí)腔內(nèi)的光子數(shù)密度和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)可以認(rèn)為不隨時(shí)間變化--穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

2脈沖放大器:

一般振蕩級(jí)為調(diào)Q激光器~10-8s

T2<τ<T1

T1:縱向弛豫時(shí)間。

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

由于脈寬較小，在脈沖信號(hào)放大期間，工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和光子密度是隨時(shí)間變化的。--非穩(wěn)態(tài)過(guò)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(hào)和放大介質(zhì)的相干作用是一種相干的放大作用。情況比較復(fù)雜，需要采用半經(jīng)典理論進(jìn)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(dǎo)體激光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，簡(jiǎn)寫為SOA)的放大原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，也是利用能級(jí)間躍遷的受激現(xiàn)象進(jìn)行光放大。為了提高增益，人們?nèi)サ袅藰?gòu)成激光振蕩的諧振腔，由電流直接激勵(lì)，可獲得30dB(1000倍)以上的光增益。

半導(dǎo)體激光放大器有三種。一種是將通常的半導(dǎo)體激光器當(dāng)作光放大器使用，稱作法布里-泊羅(F-P)半導(dǎo)體激光放大器(FPA);另一種是在F-P激光器的兩個(gè)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(jìn)過(guò)程中對(duì)光進(jìn)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(jié)構(gòu)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。