激光放大器
激光放大器
本词条由华强电子网用户提供，如果涉嫌侵权，请与我们客服联系，我们核实后将及时处理。
激光放大器是指利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。通过采用激光放大器，可以在获得高的激光能量或功率时而又保持激光的质量（包括脉宽、线宽、偏振特性等）。常用于可控核聚变、核爆模拟、超远激光测距等重大技术中的高功率激光系统。
激光放大器的种类
常见激光放大器可以分为两类，即脉冲的或稳态的。如果输入激光脉冲的时间宽度Δc小于放大器高能级的自发辐射寿命τ21，则称为脉冲激光放大器。反之，Δc＞τ21，的就称为稳态激光放大器，它包括了长脉冲激光放大器和连续激光放大器。脉冲激光放大器以放大激光能量为主，而稳态激光放大器则主要是放大激光功率(或光强)，实际上激光振荡器也是这样分类的。此外，脉冲激光放大器中，还可分出一类，称之为超短脉冲放大器，它主要对锁模激光脉冲进行放大，与锁模一样有自己的特点。
激光放大器使用注意
激光放大器工作时要注意以下特点：1.振荡器和放大器的增益同步问题。当激光束后通过放大器(特别是在多级放大的情况)，只有让放大器的增益落后振荡器一定时间，才能保击出证当被放大的激光束通过时，能保持着最大的增益，即处于最佳工作状态；2.为了防止放大器后级向前级反馈光束，干扰前级工作，故应在相邻两级之间装置隔离器；3.了防止放大器寄生振荡，放大器工作物质的两端面应磨成布儒斯特角，或在输入端面镀增透膜；4.振荡器出来的光束直径较细，而放大器工作物质的直径较粗，故为了更有效地利用放大器工作物质的粒子数反转，应把前级光束直径用望远镜扩束，这就是光束直径匹配的问题；5.为了将放大器的粒子数反转能量全部提取出来，通常放大器都被设计在饱和状态下工作。
激光放大器的原理及发展现状
为获得高的激光能量或功率而又保持激光的质量（包括脉宽、线宽、偏振特性等），通常采用激光放大的方法。对于常规的固体、气体激光器，多采用振荡级加放大级的方案。在固体激光放大器中，近来提出一种相位共轭反射器（Phase Conjugate reflector）的方法，采用PCR，即可以获得很高的放大倍率，又能够保持很好的光束质量。PCR可以通过气体、固体以及光纤等介质来实现。与此同时，半导体激光放大器也在迅速发展。偏振依赖问题曾是一个难题，近来由于采用了张应变量子阱结构（或采用张应变与层应变结构组成的应变补偿量子阱结构），比较好地解决了偏振依赖问题，所以半导体激光放大器的发展已显示出优势。特别是在1330nm波长上，由于目前光纤放大器还难以解决泵浦源等问题，因此 这个波段上的半导体激光放大器有望发挥大的效力。此外，全光纤激光放大器的研制及其出色应用是近年来光子技术领域又一件引起广泛关注的大事。目前主要在1550nm波段、以掺铒光纤激光放大器(EDFA)为代表的器件研制获得成功，并在光纤通信系统中获得出色的应用，以致使光通信领域发生重大变革。提高EDFA的性能(如提高连级EDFA的信噪比、实现EDFA的增益平坦化等)、扩大EDFA的应用(如将其用于各种模式的通信系统)等，仍在深化研究之中。在新的波段，特别是在1330nm波段，实现光纤放大也是近年来被广泛研究的课题。使用氟化物光纤完成的1330nm波段的光纤放大器也引人关注。
浏览次数：4025次
深圳市恒益科电子有限公司
深圳市恒益科电子有限公司
深圳朝方电子科技有限公司
深圳市福津电子商行
深圳市福津电子商行当前位置： >>
激光放大特性
激光放大特性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 放大技术的目的： 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。 不改变激光的状态，增加激光输出的能量或功率。二、激光放大技术： 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。 、 定义：利用光的受激辐射进行光的能量(功率 放大的器件。 功率)放大的器件 2、放大器的结构： 、放大器的结构：① 振荡级： 振荡级： 根据实际应用的要求，选择不同的激光器。 根据实际应用的要求，选择不同的激光器。因此 使激光器（振荡级）输出的激光特性满足应用的要求。 使激光器（振荡级）输出的激光特性满足应用的要求。 由振荡级输出的光作为放大器的光信号。 由振荡级输出的光作为放大器的光信号。根据振荡级 输出激光的脉冲宽度不同可分为三种放大器。 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： 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。 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： 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 其中 是放大介质激发态的粒子由于辐射跃迁的 纵向弛豫时间。弛豫时间： 纵向弛豫时间。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。 有一定的寿命，因此产生辐射跃迁有一定的滞后时间。 固体： 主要由上能级的总寿命来决定。 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。 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。 稳态过程。 子数可以认为不随时间变化 稳态过程b. 脉冲放大器： 脉冲放大器： 一般振荡级为调Q激光器 一般振荡级为调 激光器 ～ 10-8 s T2 &τ& T1 T1 ：纵向弛豫时间。 纵向弛豫时间。 T2 ：横向弛豫时间：放大介质中粒子相互交换能量过程引起的非辐射跃迁使 横向弛豫时间： 激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。 激发态的粒子的感应偶极矩有一定的弛豫时间。 由于脉宽较小，在脉冲信号放大期间， 由于脉宽较小，在脉冲信号放大期间，工作物质的反转粒子数和光子密 度是随时间变化的。 度是随时间变化的。――非稳态过程 非稳态过程 c. 超短脉冲放大器： 超短脉冲放大器： 脉冲窄，是锁模激光器，输出的脉冲10 脉冲窄，是锁模激光器，输出的脉冲 -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， 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。 进行讨论。② 放大级： 放大级： 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。 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： 条件：a. 振荡级和放大级的介质能级匹配。 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。 放大介质处于粒子的反转状态。3、放大器的类型： 、放大器的类型：a. 行波放大器： 光信号只经过工作物质一次，一般放 行波放大器： 光信号只经过工作物质一次， 大器不加谐振腔，只有工作物质。 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。 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 再生式放大器： 再生式放大器 激光器中，它作为一个“种籽”控制激光振荡产生， 激光器中，它作为一个“种籽”控制激光振荡产生，并 得到放大。 得到放大。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， 强信号的情况下，脉冲前沿的增益与 是指数关系， 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。 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 放大的光强不同，脉冲波形畸变，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。 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。 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。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。4.3 放大器的设计考虑一、消除放大介质端面反馈。 放大介质的作用是通过受激辐射作用，使入 射信号的能量，功率得到放大，同时保证入射 信号的特性不变。 1.对放大器的要求： 稳定性好，包括两方面：① 激光放大器只有当外界信号入射时，才能产生受激辐射作用， 从而使入射信号得到放大。 对于行波放大器有两个互相平行且和轴线垂直的两个平面。 当被泵浦的放大介质产生粒子数反转时，有自发辐射存在,在传 播过程中由于受激辐射而放大。在L较长时，形成输出光 ― 超 辐射。同时自发辐射的光有可能在工作物质的两个端面形成振 荡。（端面反馈系数为4%） ― 自激振荡。超辐射和自激振荡 的结果消耗上能级的粒子数△n，使增益下降，造成输出功率下 降。 ② 入射的光信号经过放大器放大以后，由于放大器端面的反射， 一部分重新返回放大介质，产生自激振荡。其结果可能损坏放 大介质（振荡级被损坏）。 同时使放大后的脉冲波形畸变 ― 加宽输出的波形，降低输出能量.因此影响放大器稳定的主要因 素是放大介质的两个端面反馈。 判定放大器稳定：当没有外界的入射信号时，泵浦放大器的工 作物质看是否有光输出。无光输出 ― 是稳定的。2.采取的措施： 为了消除端反馈： ① 端面镀增透膜，可使端面反射率降到1% 以下，在小器件中用。 但增透膜易潮解，当功率太高时，膜层吸收激光易损坏. ② 端面磨成布儒斯特角（与入射光成570）― 偏振光 tgθ＝ n2/n1 缺点：光束的象散现象严重影响光束的方向性。光束折射以后 偏离棒轴大，占据空间大，调整困难。 端面磨成2－30（既可以消除反馈，又不影响光束的方向性）。 一般采取平行四边形 － 没有色散。采用梯形 ― 色散。 二、级间隔离: 一般放大器采用多级放大器 ― 获得更大的能量输出。由于入 射信号进入放大器之前，放大器处于粒子反转状态。因此容易 产生超辐射 － 后级超辐射进入前级中。超辐射进入放大器中消 耗△n，结果降低放大器的增益，影响振荡器的稳定工作。图4.3-1 图4.3-2 在各级间加隔离器。 隔离器的作用：只允许光信号从振荡级或前级放大器进入后级放 大器，将放大器级间的耦合隔离 － 隔离器的种类：磁光隔离器； 电光隔离器；可饱和吸收隔离器；菲涅尔菱形隔离器 1.磁光隔离器。它是利用光的法拉第效应制成的。 法拉第效应：即是有些晶体材料在外加磁场的作用下，可以使通过它的线偏振光的偏 振方向发生旋转。其旋转的方向与磁场方向和材料性质有关，而与光线的传播方向 无关。 θ＝ KHL 其中： K － 磁光系数； H － 磁场强度； L － 晶体的长度P1，P2是偏振器，中间晶体加一磁场。一般选择H，L使θ＝450。P1和P2的偏振方向 成450。 工作过程：从振荡器来的光通过P1变成线偏光。这束光通过旋转器时按顺时针旋转 450能通过P2进入放大器。而从放大器来的光通过旋转器时，偏振方向沿顺时针旋转 450到达P1时，偏振方向和P1垂直无法通过P1。― 隔离。 特点：优点：可以做成大口径的隔离器，隔离比高。 缺点：旋光物质的吸收系数大 － 光损耗大三、级间匹配。 级间匹配包括：能级匹配；孔径匹配；泵浦时间匹配等。 1.能级匹配。（在第一节中已经讲过。） 产生入射信号的工作物质的能级和放大器的工作物质的能级要 匹配。激发态、低能态相同。 － 产生光的受激辐射。 2.孔径匹配。 振荡级的工作物质的截面（即孔径）和放大器中工作物质的 截面要匹配。一般放大级的介质截面比振荡级大。 能量W＝EA E － 单位截面的能量（能量密度） A － 棒的截面积 A↑ W↑ 对于一定的棒来说，E受破坏阈值的限制是定量，提高W增大A。 一般尽量采用大口径的放大介质，但过大会造成泵浦不均匀。 为了充分利用放大介质，应使入射信号的光斑尽量的充满后一 级的工作物质。 采用的方法：由于激光有发散角可以达到匹配，如果达不到的 话可以在级间加扩束望远镜。3.泵浦时间的匹配。 振荡级和放大级之间泵浦时间的匹配。为了使输出的能量最大， 两者相匹配的条件是：振荡级输出的光信号到达放大级时，正 好放大级的反转粒子数达到最大。 由于放大级的介质尺寸大，因此泵浦需要的能量高。 W＝cv2/2 c↑ v↑ － 放电时间长 一般放大级先泵浦。A－振荡级调Q激光器氙灯放电线在t1处出激光。 B－放大器氙灯放电线在t2处达到最大粒子数反转状态。 泵浦时间匹配的办法：在各级之间加有触发同步电路。由于激 光器的工作状态受各种条件的影响，因而没有一固定的经验 公式，同步的时间由试验确定。 四、消除不均匀性的影响。 放大介质尺寸较大。优点：增加输出的能量。 缺点：造成光 泵不均匀。 1.光泵不均匀的后果： ① 反转粒子数不均匀。主要是沿截面分布的不均匀；中心比边 缘的反转粒子数小，造成增益不均匀；对光的放大不均匀， 输出的波形畸变。② 放大介质的温度不均匀，因而折射不均匀。中心温度低n小， 引起热畸变，造成光发散角的增大。主要是光泵过程中，由 于棒的几何形状与物质的热传输特性造成的光学畸变与应力 波怀。 2.采取的办法： 改变棒的形状，提高棒的冷却效果和泵浦均匀。 ① 将放大介质做成由几根棒组成，消除光泵不均匀。（冷却好， 反转粒子数分布好。） ② 将放大介质做成片状。－ 片状激光放大器。把片状结构的 放大介质组合起来，采用面泵浦，多灯照明，均匀泵浦，消 除热畸变效应和增益不均匀。4.4 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。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。2.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。 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、外注入再生放大 定义：由一个主振荡器产生性能优良的微弱信号并 注入到另一个从动振荡器获得光放大的。(1) 从动激光器增益较低，而注入的光信号较强。外注入的信号在 与激光器自由振荡模式的竞争中占优势，从而外注入的信号在从 动振荡器中得到放大，激光振荡的频率为外注入信号的频率。 (2) 从动激光器增益较高，而注入的光信号较弱。则注入信号与腔 内自发辐射噪声同时增长，如果注入信号的线宽足够窄，比从动 腔的纵模间隔小得多，则最靠近注入信号的纵模受到激发与之发 生共振，即注入信号在放大过程中经历一个快速相移而移到最靠 近的纵模，并在竞争中占优势。最终输出激光的频率由从动激光 器决定。――注入锁定技术。 (3) 影响注入锁定效果的因素： a. 对注入信号功率密度、失谐量和Q开关的开启时间都有一定的 要求。若功率密度过低，就会失锁，不能抑制其他纵模，产生多 模振荡。 b. 对于一定的功率密度，失谐量大到一定程度，就会失锁。注 入场的影响减少。c.对一定的注入信号强度和失谐量，将注入信号脉冲峰值与Q开关打开时间实 现最佳匹配，得到最佳效率。腔模匹配-必要条件，泵浦功率和开关时 间-重要条件。二、自注入放大技术 1.定义：利用一台激光器本身产生&种籽&信号自注入到腔内而实现再生放大的。 2. 工作过程：在一个退压调Q激光器中，插入一个泡克耳斯盒PC2,并以 PC2为界分成两个腔L1、L2，PC2,用于产生注入放大的&种籽&脉冲。在 激光振荡达到峰之前，在PC2上加半波电压，原处于L1段的偏振光通过 PC2一次，偏振方向改变90度，从P处溢出腔外，其他位置的光溜在腔内放大。选取不同的腔参数L1、L2、L等，可得到不同的输出脉宽。在 调Q激光达到峰值之前，将注入脉冲电压加到PC2上，这是 获得序列脉冲输出的重要条件。种籽“脉冲宽度最小的条件：2 ( L + L1 ) 2L ≤ Tg p c c 2 ( L + L1 ) 输出脉冲宽度?t ?t = ? Tg c小结： 一、放大器的目的及被放大的光的特点： 目的：入射信号能量和功率的放大。保持入射信号的原有 特点。 特点：① 能量和功率得到放大。 ② 能保持入射 信号的特点。 二、输出光的能量、功率、脉宽与那些因素有关。 分别分小信号、强信号加以讨论。 三、设计考虑： 1.消除端面反馈。原因：自激振荡 － 增益下降 办法：放大器两个端面磨成一定角度。 2.级间隔离。 原因：超辐射 － 影响振荡级的稳定性 － 降低放大器的效果。 办法：① 级间隔离：只允许单方向的光通过。 ② 磁光隔离。 ③ 电光隔离。 ④ 菲涅尔菱体隔离。 3.级间匹配。 ① 能级匹配。 ② 孔径匹配。 ③ 泵浦匹配。 4.消除不均匀的影响。 原因：光泵不均匀 － 粒子反转和折射率不均匀造成光束的方 向性差，波形畸变。 办法：做成片状，多根棒的激光器。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： 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 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拉曼光纤放大器的特点增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦光源的波 长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大使拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，对于开发光纤的整个低损耗区 1270nm-1670nm具有不可替代的作用增益介质为传输光纤本身使拉曼放大器可以对光信号进行在线放大，光纤中各处的信号光功率都比较小， 降低了非线性效应噪声系数低不同掺杂光纤放大器放大波段Operation range (nm)880 ∽886 902∽916 900∽950Dopant ionPr3+ Pr3+ Nd3+970∽00
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： 其他光学元件： 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掺杂光纤放大器的发展方向光纤放大器存在的问题： 光纤放大器存在的问题? 放大器带宽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： 发展方向：特殊波段的光纤放大器 寻找性能更好的芯层材料，如塑料光纤方面 光子晶体光纤放大器 功率光纤放大器（包括连续和脉冲信号放大） 全光纤的光纤放大系统 宽带光纤放大器EDFA宽带掺杂光纤放大器的发展增益移位掺杂光纤宽带光纤放大器和多波段级连宽带放大 器。如C+L波段、C+S波段、S+C+L波段等 通过改变基质或者掺杂成份来实现宽带放大。Er3+/Yb3+共掺光纤放大器，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 光纤的吸收和发射谱、 光纤的吸收和发射谱cm-1g 116302F 5/2f 11000 e 10260d 1490 c 10602F 7/2b 600 a 0Yb3+ 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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 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V型槽侧面耦合泵浦内嵌反射镜侧面泵浦不同侧面耦合方法的比较Thanks very much! 欢迎交流讨论
更多搜索：
All rights reserved Powered by
文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。 上传我的文档
 下载
 收藏
该文档贡献者很忙，什么也没留下。
 下载此文档
正在努力加载中...
10kW级固体板条激光放大器设计与实验研究【精品文档】
下载积分：2000
内容提示：10kW级固体板条激光放大器设计与实验研究【精品文档】
文档格式：PDF|
浏览次数：5|
上传日期： 16:19:41|
文档星级：
全文阅读已结束，如果下载本文需要使用
 2000 积分
下载此文档
该用户还上传了这些文档
10kW级固体板条激光放大器设计与实验研究【精品文档】
关注微信公众号Nd:YAG固体激光放大器的参数优化研究-免费论文
欢迎来到网学网学习，获得大量论文和程序！
Nd:YAG固体激光放大器的参数优化研究
【长春理工大学论文栏目提醒】：网学会员,鉴于大家对长春理工大学论文十分关注，论文会员在此为大家搜集整理了“Nd：YAG固体激光放大器的参数优化研究 - 硕士论文”一文，供大家参考学习!
分类号：―― 密级：――ＵＤＣ： 编号：―― Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光放大器的参数优化研究 ＯｍＭＩＺＩＮＧ ＳＴＵＤＹ ＯＮ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲ ＯＦ Ｎｄ：ＹＡＧ ＳｏＵＤ ＬＡＳＥＲ ＡＭＰＬⅡⅡＥＲ学位授予单位及代码：篮壹堡王盔堂 Ｉ！Ｑ！竖）学科专业名称及代码：迸 堂 ＩＱＺＱ２Ｑ２ ２研究方向：邀当塑堡塑邀堂皇塑厦的担互佳旦指导教师：銎挂麴援论文起止时间：―２００７．１１－－―２００８．１２ 申请学位级别：亟± 研 究 生：割塞妞 摘 要 针对激光空气电离实验的要求，本论文研制了一台氙灯泵浦电光调Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ一级激光放大器。&&&&根据本振级工作物质和所要求的能量输出选择了适当尺寸的放大级介质，确定了放大级介质单位体积内的储能密度，并讨论了两级之间泵浦方式的匹配及放大级工作物质端面反馈消除的问题。&&&&通过实验数据绘制了放大级输出特性曲线，讨论了放大级的提取效率和输入能量之间的关系。&&&&结果表明该放大器在本振级输入能量为３７９．５ｍＪ时，放大级达到增益饱和，提取效率最高，最大放大倍数为２．６８倍，提取效率为９０％，最大输出能量为１０１５．６ｍＪ，峰值功率密度为６８．４ＭＷ／ｃｍ２，此激光各项指标基本达到设计要求。&&&& 利用研制的氙灯泵浦电光调Ｑ Ｎｄ：ＹＡＧ一级激光放大器进行了激光空气电离实验。&&&&当激光功率密度为５０８．６ＭＷ／ｃｍ２，电压为５３ＫＶ时，获得了８ｃｍ长的电离线。&&&&实验结果表明此激光放大器的各项指标达到了激光空气电离实验的需求。&&&&关键词：Ｎｄ：ＹＡＧ一级激光放大器增益饱和提取效率放大倍数激光空气电离 ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｇａｉｎｓｔｅｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ａｉｒ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａＸｅｎｏｎ ｌａｍｐ．ｐｕｍｐｅｄ、Ｑ．ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｔａｇｅ’Ｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｗｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｔａｇｅ’Ｓ ｍｅｄｉｕｍ ｗｉｔｈ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｓｉｚｅ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｓｔｏｒｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｅｒ ｃ印ａｃｉｔｙ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｐｕｍｐ ｗａｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｓｔａｇｅａｎｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ’Ｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ’Ｓ ｓｉｄｅ ｓｕｒｆａｃｅ．ｗｅｄｒａｗｎ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ’Ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａｓ，ａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｉｎｐｕｔｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅｒｅａｃｈｅｄ ｇａｉｎｉｎｇ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｅｆｆｉｄｅｎｃｙ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｏｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ’Ｓ ｉｎｐｕｔ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ ３７９．５ｒｒｄ．Ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｗａｓ ２．６８，ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｗａｓ ９０％，ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｏｕｔｐｕｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗａｓ １０１５．６ｍＪ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅａｋｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ６８．４ ＭＷ Ｉｃｍ２．Ｔｈｏｓｅ ｔａｒｇｅｔｓ ｂａｓｉｃｌｙ ｍｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｐｒｏｃｅｅｄｅｄ ｌａｓｅｒ ａｉｒ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｅ－ｓｗｉｔｃｈｅｄＮｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓＲｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ Ｗａｓ ５０８．６ ＭＷ／ｃｍ２ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｏｌｔａｇｅ Ｗａｓ ５３ＫＶ，ｗｅ ｃｏｕｌｄ ｏｂｔａｉｎ ８ｃｒｎ ｌｅｎｇｔｈ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｔａｒｇｅｔｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｉｒ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｌａｓｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｄ：ＹＡＧ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｇｅ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｇａｉｎｉｎｇ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌａｓｅｒ ａｉｒ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，（（Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光放大器的参数优化研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。&&&&除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。&&&&对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。&&&&本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。&&&& 作者签名： 年立月血日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和ＣＮＫＩ系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。&&&&本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。&&&& 作者签名 年三月五日 指导导师 ０日 年』月一５ 弗一早 第一章 瑁比 绪论 §１．１课题研究背景 自从１９６０年５月１５日梅曼（Ｔ．Ｈ－Ｍａｊｍａｎ）制成了世界上第一台红宝石激光器以来，激光技术便一直以极高的速度向前发展。&&&&近４０年来，固体激光器经历了６０年代的迅速发展时期，７０年代的相对缓慢发展和８０年代的“复苏”时期。&&&&进入９０年代以后，固体激光器保持了持续发展的势头，并不断开拓新的重要应用领域。&&&&其中，以高功率固体激光器和二极管泵浦固体激光器（ＤＰＬ）以及其应用研究的新进展尤为引入瞩目。&&&&被国际上成为具有“里程碑”意义的事件之一是美国劳伦兹．利弗莫尔国家实验室（ＬＬＮＬ）于１９９２年研制成功的千瓦级，微通道冷却高功率二极管泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器。&&&&另一个具有里程碑意义的工作是１９９４年美国能源部批准实施的“国家点火设施”（ＮＩＦ）计划，并在ＵＮＬ建成的单束元装置上全面考核了ＮＩＦ上将使用的关键技术和元器件性能１１。&&&&。&&&& 由于固体激光器具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于光纤耦合、比Ｃ０２气体激光器波长短、使用寿命长和单元技术成熟等优点，现己在工业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究与发展以及国防军事等方面获得广泛的应用，形成了广阔的世界固体激光市场。&&&& 在多数激光应用中，往往要求激光具有很高的能量（或功率），如激光核聚变至少需要高达上万焦耳的能量，激光雷达需要大功率的调制激光等等。&&&&但欲获得高能量激光，仅靠激光振荡器来获取一般是很困难的，这是因为提高激光器的输出能量（功率）和其他指标（如光束发散角、单色性、脉冲宽度、调制性能等）要求是相互矛盾的。&&&&故要保持激光光束优良的特性，其工作物质的口径和长度都不宜太长。&&&&再者激光器内的激光光束要多次往返通过工作物质，因此当输出能量（功率）很高时，工作物质就有被破坏的可能【２】－【４ｌ ｏ 利用调Ｑ技术或者锁模技术，可以获得极高的峰值功率（１０９”－－’１０１２Ｗ）。&&&&其峰值功率之所以大得惊人，是由于把能量压缩在极短暂的时间内释放出来的缘故。&&&&但是这种高峰值功率激光器实际上所输出的能量往往不一定很大。&&&&因此，为了获得性能优良的高能量激光，应用激光放大技术则是一种最佳方法１５１。&&&& 目前发展的激光放大技术可分为行波放大技术１６】和再生式放大技术ｌ‘刀。&&&&其中行波放大技术是将欲放大的光信号以行波的方式一次通过放大器，如Ｎｄ：ＹＡＧ激光放大器，只能使脉冲能量放大３”－’６倍，因此，若要求能量放大的倍数更大时，则要求采用多级放大。&&&&另外，在某些应用中，还采用一种所谓多路的行波放大系统，即将激光振荡器输出的高质量光束分成几路，分别通过对应的放大器放大之后，再通过光学系统会聚在一起，便能得到性能较好的大能量激光，如激光的热核聚变的实验装置往往就是采用这种放大系统。&&&& ８０年代又发展了一种新颖的再生式放大技术。&&&&这种放大技术就是将一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”控制激光震荡的产生，即使激光震荡是在这个“种籽’’的基础上而不再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。&&&&再生式放大可分为外注入再生放大及自注入再生放大两类。&&&& 此外，随着光纤通信的发展，人们一直设想能直接在光路中对信号进行放大，实现 “全光”通信，于是近几年出现了多种使用于光纤通信的光放大技术。&&&&迄今为止，主要有半导体激光放大器，光纤拉曼放大器和掺稀土元素（主要是掺铒）的光纤放大器。&&&&§１．２固体激光放大器的研究现状 国外自从１９６３年，Ｆｒａｎｔｚ和Ｎｏｄｖｉｋ首次建立了固体激光放大器的光脉冲放大理论以来，就给激光放大器的发展奠定了坚实的理论基础【８１’１９】。&&&& ． １９８１年，Ｌｏｗｄｅｒｍｉｌｋ等人系统研究了固体激光放大器的多程放大理论。&&&&同年，Ｗｉｌｌｉａｍ．Ｗ．Ｓｉｍｍｏｎｓ等人模拟了光束在激光系统中的传输过程，用数值计算方法对光传输过程中衍射、自聚焦、增益饱和进行了模拟，同时还建立了系统中相关现象如：小尺度调制增长、空间滤波、成像、增益饱和以及光束自感应损耗的计算模型。&&&&１９８９年，Ｊ．Ｍ－－Ｅｇｇｌｅｓｔｏｎ等人推导了基于“之”字型光路板条激光放大器的Ｆｒａｎ－Ｎｏｄｖｉｋ理论计算公式，推动了“之”字型板条结构在激光系统中的应用。&&&&在国内，有关放大器中光束传输过程的文章也有许多的报道，相关实验也取得了成功。&&&&同时也有学者对磷酸盐钦玻璃锯齿型光路与直通型光路板条放大系统进行详细的数值计算和实验研究，对比了它们的储能效率、增益分布、荧光分布、能量放大率和光束质量，证实了“之”字型光路板条放大系统的优点【１０ｌ，｜１１１。&&&& ２００１年，Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｄｒｕｏｎ等人使用一种新型的晶体Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ用于再生放大器，这种啁啾脉冲放大系统，它能够产生带宽为８ｎｍ，２１ｎＯ的脉冲，经过压缩后能产生３５０ｆＳ的带宽，１２ｍＪ的脉冲。&&&&使用这种晶体的原因是它的带宽已经可以和Ｙｂ：ｇｌａｓｓ相比。&&&&因此，它真正的优点在于它有可能合成相对好的热导率晶体基质，这对一个压缩高重复频率，高峰值功率激光系统的发展具有重要的意义。&&&&而且，这种晶体的另一个好处是具有很好的结晶性质，而且能够按照Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｙ方法生长，这种方法可以产生大尺度的晶体【１２】’【１３１。&&&& ２００４年１月，美国里弗莫尔实验室研制的Ｍｅｒｃｕｒｙ激光系统的主体部分己基本建立，这种激光系统是一种重复频率激光聚变驱动器。&&&&在单发工作时，第一个放大器可将前端输出的３６０ｍＪ的激光放大至３３．４Ｊ，在１０Ｈｚ抽运频率下，输出能量为１０Ｊ。&&&&Ｍｅｒｃｕｒｙ激光系统的放大器采用纵向抽运方式，每个放大器由４组８０ｋｗ的ＬＤ阵列从两侧进行抽运，ＬＤ阵列的抽运光通过镀银的空心透镜导管进行缩束，再通过匀束器对抽运光的空间分布进行均匀化，然后耦合到放大器的７片中。&&&&每侧的两组ＬＤ阵列略为分开，便于能量提取光束穿过放大器【１４１?【１５１。&&&& 在国内，２００１年，西南技术物理研究所曹三松等人研制了一种高平均功率Ｑ开关窄脉冲固体激光器，对振荡放大结构形式的Ｑ开关Ｎｄ：ＹＡＧ激光器作了进一步的研究和探索，他们提出采用测量激光放大器泵浦系数Ｋ和损耗系数口的方法，从理论上对激光放大器在不同工作条件下的性能进行估算，从而指导实际器件的设计和优化，以实现Ｎｄ：ＹＡＧ激光器高平均功率调Ｑ脉冲激光输出。&&&&当振荡器调Ｑ脉冲输出能量为５６６．６ｍＪ．脉冲重频１Ｈｚ时，一级放大Ｎｄ：ＹＡＧ激光器输出能量达到１．４６Ｊ，效率１．３％，脉宽约８ｎｓｌｌ６１。&&&& ２００２年，中国工程物理研究所王成程等人利用行波法对一台闪光灯泵浦、通光口径为２９ｃｍ ｘ２９ｃｍ的新型高功率固体激光阵列式片状放大器的全口径平均增益进行了实验测试，在充电电压为２３ｋＶ、泵浦能量密度为１０ＪＰｃｍ３的条件下，新型４×２×３阵列式片状放大器端部模块全口径平均增益为４．９２５％ｃｍ一。&&&&内部模块全口径平均增益为５．５１９％ｃｍ。&&&&１１１７１。&&&& ２００２年，北京华北光电技术研究所彭海波等人，以及中国科学院上海光学精密机械研究所钱列加采用主振荡放大（ＭＯＰＡ）单频Ｎｄ：ＹＡＧ系统，对１脚，２２ｎｓ的单频脉冲激光种子，经四级六次放大，最终获得了大于１００ｍＪ，近衍射极限的单频激光输出。&&&&单频种子激光器输出的激光脉宽为２２．２８ｎｓ，单脉冲能量为１脚，光束质量为肘‰＝１．１６，岫＝１．１，７１１８１，ｐ９１上， Ｏ 由于棒状、板条ＹＡＧ的截面受晶体尺寸的制约，固体激光器的输出能量和峰值功率受到很大的限制，阻碍了固体激光器向更高功率水平发展。&&&&为摆脱这一困境，多年来人们作了许多努力。&&&&２００３年，北京华北光电技术研究所王运谦等人研制了大口径管状Ｎｄ：ＹＡＧ放大器，它是将二极管泵清单纵模Ｎｄ：ＹＡＧ激光器作为主振荡器，三级灯泵Ｎｄ：ＹＡＧ放大器及ＳＢＳ相位共轭镜组成双通放大ＭＯＰＡ系统，经两个放大单元的行波放大，再经过管状放大器放大，实现能量输出１０．５９Ｊ，脉宽为４．７６ｎｓ，发散角为６ｍｒａｄ、重复频率１０Ｈｚ激光输出。&&&&该放大器的关键设计是高效均匀多灯泵浦的聚光腔及高效的光学耦合器，其中聚光腔采用漫反射６灯均匀泵浦结构，具备大能量注入和泵浦均匀等特点，管状介质中心部分没有冷却。&&&&采用简单的行波放大，单程行波激光放大是一种非反馈激光放大，入射信号光在处于粒子数反转的激光放大介质中随作用距离的增大而不断地被放十【２０】，１２１１／＼ Ｏ ２００３年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心王成程等人研制了一种新型高功率固体激光阵列式片状放大器，放大器泵浦腔结构采用了矩形的磷酸盐钕玻璃片作为放大器的增益介质，每个模块放置８片钕玻璃片，并沿通光１２径方向按布儒斯特角放置，每个４×２×１片状放大器模块中安装２０支脉冲氙灯，呈纵向排列。&&&&为了充分利用泵浦光能量，氙灯采用－〕”６２８２６方式排布，即两边灯箱分别安放６支氙灯，中间灯箱放置８支氙灯。&&&&每两支氙灯串联为一组。&&&&优化的放大器泵浦腔设计使得激光腔内尺寸较小，提高了激光 ３腔传输效率，和泵浦光的利用率【２２１。&&&& ２００５年，中国工程物理研究所高清松等人研制了二极管泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ棒双通放大器，它采用的是两个峰值功率６．５ｋＷ激光泵浦模块作为泵浦源。&&&&每个激光泵浦模块由８１个二极管激光器组成，Ｎｄ：ＹＡＧ棒直径为６ｍｍ，Ｎｄ掺杂质量分数１％。&&&&在两个封装方式和结构一致的激光泵浦模块之间采用光学像传递和插入９０。&&&&石英旋转片进行退偏补偿。&&&&在重复频率４００Ｈｚ，谐振腔输出单脉冲能量６ｍＪ时，双通输出４００ｍ．１，激光器光．光转换效率 １为１２．３％，光束质量４．６，脉宽１５ｎｓ。&&&&放大器利用÷撇片实现光束两次通过泵浦模块达到 ４双通输出。&&&&高功率激光泵浦模块的热致双折射效应引起退偏，很容易损坏谐振腔光学元件，因此振荡级与放大级之间需采用光隔离。&&&&由于泵浦模块的小信号增益系数和增益长度的乘积很大，隔离器对防止级间自激振荡和自发辐射放大，提高激光泵浦模块的储能 ‘有重要作用【２３１，【２４１。&&&& ２００６年，中科院北京物理研究所研制了具有六个放大级的二级管侧泵Ｎｄ：ＹＡＧＭＯＰＡ系统。&&&&主振荡为２２３ ｍＪ的能量输出，在六个放大阶段之后，得到最高脉冲能量为５．１Ｊ，脉冲宽度为２３０＃ｓ，光．光转换效率为３８．５％。&&&&我们知道，对二极管泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光棒的运作来讲这是最高的脉冲能量，具有高光束质量和数百微秒脉冲宽度，重复频率超过ｌＯＯＩ－Ｉｚ〔矧，【矧。&&&& §１．３论文研究内容及组织结构 由于激光电离科研项目的需求，为了获得更长的电离线，本论文采用闪光灯泵浦，利用双偏振调Ｑ技术构造一台大能量，窄脉冲，高功率的一级放大系统。&&&&设计了氙灯泵浦一级放大Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，对其输出特性进行了理论和实验研究，经过优化研究，使其功率密度大于大气击穿阈值，产生更长的电离线，为激光电离实验提供实用激光源。&&&& 论文共分为五章，各章的具体内容如下： 第一章固体激光放大器的国内外研究现状及其发展状况。&&&& 第二章主要介绍了激光放大基本原理、脉冲激光放大理论及激光放大特性。&&&& 第三章完成了激光空气电离所需的一级放大Ｎｄ：ＹＡＧ激光器设计，通过从各个方面的分析来决定一级放大Ｎｄ：ＹＡＧ激光器放大级的参数。&&&& 第四章搭建设计完成的氙灯泵浦的一级放大Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，进行实验研究，通过对本振级谐振腔的参数选择及电光调Ｑ效率研究，使放大器输出能量达到１Ｊ以上，使激光各项指标基本达到设计要求，满足激光空气电离的需要。&&&& 第五章设计具体实验方案，进行激光空气电离实验研究，并对实验结果进行讨论。&&&&最后对论文的主要研究结果进行总结。&&&& ４ 第二章Ｎｄ：ｒＡＧ脉冲激光放大器 研制高功率、大能量的激光器进行空气电离的研究是当今激光电离发展的一个重要方向。&&&&为了使激光放大后输出能量达到１Ｊ以上，我们需要研制一台一级放大激光器，以满足实验研究要求。&&&&此放大器由本振级和放大级两部分组成，本章主要介绍了本振级电光调Ｑ原理及放大级的理论知识。&&&&§２．１电光调Ｑ基本原理 Ｄｅｎｇａｎ曾推导出一个无量纲参数ｚ－２９一／Ｌ对调Ｑ激光器的运转参数进行优化。&&&&他推导的结果表明输出镜的最佳反射率、激光输出能量、抽取效率、脉冲宽度、峰值功率等激光参数都可以表示成为一个无量纲变量ｚ ｔ ２９。&&&&ｌ／Ｌ的函数，其中２９。&&&&Ｚ是小信号增益系数，Ｌ为腔内往返的光腔损耗。&&&&根据分析，最佳反射率可表示为： ％一〔也（警）】要得到最大的脉冲能量，输出镜的最佳透过率随着增益的增加而增大。&&&& 娩１， 当采用以上得出的最佳输出耦合镜透过率后，激光器输出脉冲能量为： （２．２） 瓦，一厶（ｚ－１－１ｎｚ）其中Ｅ是一个具有能量单位的比例因子，它由下列一些常数决定： （２．３） 瓦１ＡｈｖＬ／２刃６为谐振腔的损耗因子，ｙ为能级系统的衰减系数，当Ｚ值较大时，输出的脉冲能量接近于存储在增益介质内的总有效能量，即： Ｅ。&&&&―Ａｈｖ―Ａｎｆ『 （２．４）△，ｌ；为初始反转粒子数密度， 因此，能量抽取效率可以表示为： ”卜（半） 眨５， 呻（南） 脉冲宽度与ｚ的函数关系可表示如下： 娩？，其中口＝（ｚ一１）／（ｚｌｎｚ），利用这些参数的解析表达式并借助于一些图形和简单的计算，可以对激光的设计进行优化。&&&&根据调Ｑ激光器基本理论可知，调Ｑ激光器的峰值功率可表示为【明：． 己一去加虬ｓ乃 （２．７）‘虬。&&&&互１ Ａｎ。&&&&Ｉ（瓦Ａｎｉ山瓮以） 他∞式中，Ⅳ卅为腔内光子数最大值，ｙ为光在工作物质中传播的速度，Ｓ为工作物质横截面积，‰阈值反转粒子数密度，Ｔ为输出镜透过率。&&&& 由式（２．７）、式（２．８）可以看出，Ａｎｉ／瓴越大，则虬越大，因而峰值功率己越大。&&&&衄／峨值的大小关键在于：Ｑ开关关闭时腔的损耗如值越大，则允许达到的初始反转粒子数密度觚值越大；Ｑ开关打开后腔的损耗６越小，则阈值‰越小。&&&&因此为了提高觚／砜，希望“卢值越大越好。&&&&§２．２最佳透过率理论计算 四能级系统在短脉冲激励时，输出能量为【冽： （２．９） Ｅ＝（耳－Ｅ，ｈ），７ｖＶ：。&&&&／’，ＰＴＩ（Ｔ＋卢）式中毛＝ｂｙＰ呱％，Ａｎ，ｈ ｔ ６／（仃：，ｚ）。&&&& 当Ｔ《Ｌ２ａｌ《１时， ｌＩｌ（１／尺）ｔ１一Ｒ＝Ｔ （２．１０） 卢。&&&&１一ｅ一２删一２ａｌ （２．１１）则： Ａｎｒ，Ｉ＝（ａ＋Ｔ）／（２０２，ｆ） （２．１２） ６ 令Ｓ－Ｔｉｐ，则： （２．１３） 。&&&& Ｅ。&&&&【Ｅ－一占：（１＋ｓ）】，７，?’１＃２１／ｖｐ?ｓｌ（ｓ＋１）式中，或为ｒ一０时工作物质吸收的泵浦能量。&&&&Ｈｐ． 磁一加ｐ（峨）ｒ．。&&&&％／ｒ／ｐ （２．１４） 令ｄＥ／ｄ．Ｓ．０，可以求得输出能量最大时的Ｓ值为： ＆；（乓／或）％一１ （２．１５）所以： 乙叫（阮四“）〕 （２．１６）§２．３激光放大基本原理 固体激光放大器有单程行波放大和多程再生放大等结构形式【冽，单程行波放大对激光工作物质的尺寸要求不苛刻，结构简单、紧凑，故一般将Ｎｄ：ＹＡＧ激光放大器设计为单程行波放大结构形式。&&&&单程行波激光放大是一种非反馈激光放大，入射信号光’在处于粒子数反转的激光放大介质中随作用距离的增大而不断地被放大。&&&& 当一束频率为’，，光强为，０）的光，在与其相匹配的能级间实现粒子数反转分布的介质中传播距离ｚ后，其光强的变化可用下式表示 （２．１７） １０，）＝Ｉｏ（ｖ）ｅＧ（…）其中ＧⅣ）称为该介质的增益系数，通常把，（，，）与，ｏ◆）的比值‖ （２．１８） 声一，（’，）／Ｌ（’，）一口Ｇ（…）称为光通过该介质的放大率。&&&&上式可以改写为 （２．１９） Ｇ（ｖ）＝Ｉｎ ｆ，（ｙ）／气（’，）１ＩＩ显然，Ｇ（ｖ１的物理意义是：光在激活介质中传播单位长度的距离后光强增加的百分数。&&&& 然而，在实际问题中还必须考虑放大介质的吸收、散射等因素所造成的损耗，所以还必须加上损耗因子ａ，则（２．１７）式可以写为 ｌ（ｖ）＝Ｊ『。&&&&（１，）Ｐ降’叫 （２．２０）式中ａ称为损耗系数。&&&&于是可以得到 Ｇ（ｙ）乩〔，（ｙ）／，ｏ（ｙ）】／ｚ＋口 （２．２１） 当入射光的频率与放大介质谱线中心频率重合， 且入射光强很弱时，增益系数还可以表示为 （２．２２） Ｇ（’，）；Ｇ。&&&&／〔１ 】其中Ｇｏ为入射光强，一）《‘时的增益系数，称为小信号增益系数。&&&&可见增益.
【】【】【】【】【】
www.myeducs.cn All Rights Reserved 版权所有?网学网 提供大量原创论文 参考论文 论文资料 源代码 管理及投稿 E_mail：
郑重声明： 本网站论文均来自互联网，由本站会员上传或下载，仅供个人交流、学习、参考之用，版权归原作者所有
请下载完后24小时之内删除，任何人不得大幅抄录、在期刊上发表或作为商业之用。如涉及版权纠纷，本网站不承担任何法律及连带责任。