激光放大器

利用光的受激辐射进行光的能量（功率）放大的器件

在许多实用的场合下，需要高质量的激光束，也就是单横模、单纵模的激光束，但工作在单模情况下的激光器，其输出功率或能量是不会太大的，这是因为腔的损耗大，且模体积小。为了提高功率或能量，就需要使用激光放大器。

介绍

简介

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。

激光放大器的特性

获得极高的输出能量和功率，保持振荡器的光束质量，降低光学元件的破坏和损伤。

分类

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，与锁模激光器一样有自己的特点。

1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。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：T1～10-3s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。

2脉冲放大器：

一般振荡级为调Q激光器～10-8s

T2<τ

T1：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，工作物质的反转粒子数和光子密度是随时间变化的。——非稳态过程

3超短脉冲放大器：

脉冲窄，是锁模激光器，输出的脉冲10-11～10-15s。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。

按照工作方式分类

行波激光放大器

再生激光放大器——做好模匹配

注入锁定放大器——模匹配+位相锁定

多程放大器

注意事项

图为一个固体激光放大系统，它可以对振荡器产生的激光脉冲进行放大。

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.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。

3.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。

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。

原理及发展现状

原理

放大器中的工作物质在泵浦源的作用下，大量的粒子数由低能级向高能级跃迁，是高能级存在大量粒子数，但是由于放大器没有谐振腔，故不能形成粒子数发转跃迁形成激光，在谐振腔中产生的激光光束通过放大器时，该激光作为光信号使放大器中的高能态粒子受激发向下跃迁形成高能量激光。

一般只有在低功率下谐振腔中会产生高品质的激光（线宽，脉宽，偏振等）为了使该激光还能用高功率的激光束，就用到了激光放大器。这两个工作物质有相同的能级系统目的是输出的激光保持高质量不变。

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，使用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。

发展现状

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，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。

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