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激光放大基本原理
材料来源:光电资讯          

种子源激光器-放大器的结构如下图所示,首先由种子源激光器输出的种子光,然后将种子光注入激光放大器,在泵浦光的激励下,工作物质中的激活离子发生跃迁,从低能级向高能级转移,产生了大量的反转粒子数,种子光不断消耗增益介质中的反转离子数从而实现能量放大,输出高能量的脉冲激光。

输出激光的光束质量,脉冲宽度,光束发散角和谱线宽度等特性是由种子源激光器所决定的,输出激光的能量是由激光放大器所决定的。通常种子源激光器在工作时输出激光的能量较低,这样可以输出具有优良特性的种子光,例如具有较窄谱线宽度、较小的光束发散角和良好的光束质量等特性。

激光放大器工作时可以提高整个激光系统输出激光的亮度图片

上式中,P 为从工作物质横截面积 A 处输出的激光光束功率,图片为输出激光光束的立体角。 

使用种子源激光器-放大器结构对种子光进行能量放大,能在保持种子光优良特性的前提下获得高能量激光输出,或者在输出能量相同时,能获得脉冲宽度更窄和光束质量更好的激光输出。一般来说,在很多的潜在应用场景中,通常需要更高能量的激光输出,一级放大器对种子光的放大效果并不理想,输出能量较低,那我们就需要将其输出激光注入二级放大器中,进一步提高放大效果,获得更高能量的脉冲激光输出。 

根据待放大种子光的脉冲宽度不同,激光放大器可以分为连续激光放大器,脉冲激光放大器,超短脉冲激光放大器。在激光放大过程中,输入种子光的脉冲宽度为τ;工作物质中的激活离子辐射跃迁过程中有一定的弛豫时间,这个时间称为纵向弛豫时间τ1(固体工作物质一般为10的-3次方s);工作物质中粒子非辐射跃迁会使激发态粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间,称为横向弛豫时间τ2(固体工作物质一般为10的-10次方s)。

(1) 当 τ>τ1时,种子光与工作物质相互作用时间充足,在泵浦光的激励下,种子光放大所消耗的反转粒子数可以很快得到补充,因此认为此时反转粒子数处在相对稳定的水平下,反转粒子浓度不随时间变化,为连续激光放大 器。这类激光放大器应当使用稳态方法进行分析。 

(2) 当 τ<τ2 时,即注入的种子光脉宽非常窄时,例如注入脉冲宽度为10的-11次方s——10的-12次方s 的锁模种子光时,当光与工作物质相互作用时,由于工作物质的宏观电极化速度远远小于光场的变化速度,增益介质的原子和光场相互作用过程中的相位关系是不能被省略的。由于有此种作用的存在,在激光放大过程中,会产生一些新现象,例如增益介质中产生稳定的Π或2Π脉冲, 或者产生自感透明效应,并产生光学孤子波等现象。此时为超短脉冲激光放大器,这类激光放大器应当使用半经典理论方法进行分析。 

(3) 当 τ2<τ<τ1时,由于种子光脉冲宽度很窄,远远小于激光荧光寿命,此时在泵浦光的激励下,种子光放大所消耗的反转粒子数超过工作物质产生的 反转粒子数,反转粒子数和光子密度在短时间内不能达到相对稳定水平, 跟随时间和空间发生变化,此时为脉冲激光放大器。这类激光放大器应当使用非稳态方法进行分析。

转自:光电资讯

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