饱和功率 Saturation power

2022-10-27 11:29:24 浏览:305

定义

测量实现吸收器或增益介质显著饱和所需的入射光功率。

激光增益介质的饱和功率是输入信号的光功率,在稳态下导致增益降低到其小信号值的一半。类似地,可饱和吸收体的饱和功率是定义的,尽管可饱和吸收体通常不是在稳定状态下操作的。

饱和强度是相应的光学强度,即单位面积的饱和功率。

通常假设增益很小,即输入和输出功率相似。对于高增益,通常是指输出功率。

对于低增益激光放大器,饱和强度和功率可以根据

其中h ν是信号波长处的光子能量,σ嗯和σ腹肌是发射波长处的发射和吸收截面,τ是上状态寿命,A是有效模面积。数量σ腹肌对于四电平增益介质为零,但对于准三电平增益介质,不应忘记。

图 1:激光增益对光功率的依赖性,计算为稳态。当功率等于饱和功率时,增益降低到小信号增益的一半。

与饱和能量方程的比较表明,饱和功率可以计算为饱和能量除以上状态寿命。

饱和功率的重要性

饱和功率在激光物理和激光或放大器设计的各个领域都起着重要作用。下面是一些示例:

  • 它决定了实现大部分可能输出功率所需的放大器输入功率。
  • 如果泵浦功率是阈值泵浦功率的两倍,则四能级激光器增益介质中的激光强度等于饱和强度。这是非常了不起的,因为在这种情况下,激光强度仅由增益介质的特性决定,而不是由谐振器损耗等决定。
  • 对于可饱和吸收体,例如在锁模激光器中使用,连续波腔内功率与饱和功率的比值是初始脉冲形成过程的重要参数。

饱和功率不应与饱和输出功率混淆,饱和输出功率通常没有精确定义,但表示输入信号功率所达到的输出功率会导致放大器明显饱和。显然,饱和输出功率(饱和功率除外)取决于泵浦功率。

泵饱和度

一个微妙的细节是,如果增益介质的泵浦强度与泵浦饱和功率相当或更高(定义如上所述,但基于泵浦波长处的光子能量和跃迁截面),则可以修改饱和特性。在这种情况下,对于等于饱和强度(如上所述)的强度,增益减少2倍的规则不再成立。

然而,由于两个原因,在大多数情况下,泵浦饱和效应对于激光器和放大器来说不是很重要:

  • 在许多固态体激光器中,泵浦强度远低于泵浦饱和强度,因此不会发生这种效应。(另一方面,在某些光纤激光器中,这种效果可能非常强烈。
  • 即使泵浦饱和度在激光晶体或放大器内的某个位置显著,只要整个增益介质内的泵浦吸收完成,则总体上可能并不重要。在这种情况下,局部泵饱和仅意味着一些泵功率被同一介质内的另一个位置吸收,实际上不会改变整体饱和特性。

基础光学

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