放大的自发辐射

2021-02-23 09:22:47 浏览:1066

定义

自发辐射被放大的过程。

在增益比较大的激光介质中,自发辐射发光可以被放大到很高的功率。这些放大的辐射可以应用于需要低时间相干性、高空间相干性的领域(下面有介绍)。当工作在激光阈值以下时,激光器中也会发生这种现象。

由于辐射发生在各个方向,当增益介质具有很大的宽高比时,ASE的方向性会很强。考虑极限情形,对于光纤激光器或者光纤放大器来说,在光纤中的ASE比无定向的辐射发光要强很多。

在激光器中,尤其是高增益的放大器中,自发辐射放大是需要消除的效应。它限制了单级光纤放大器的增益因子为40-50dB。要获得更高的增益则需要采用多级放大,各级之间由滤波器、法拉第隔离器和光学调制器(光开关)间隔开。在有些光纤激光器中,如果在其它波长处增益足够产生强的ASE的话,那么在特定频率则不能产生激光。可以通过优化激光器设计来解决这个问题,例如通过优化光纤长度、掺杂程度等。并且在不需要的波长处产生的ASE也可以通过使用一些特殊光纤(例如光子晶体光纤)来消除,这些光纤在特定的光谱区域意外传播损耗很大。在体激光器中也存在类似的问题,例如Nd:YAG激光器的工作波长为946nm,在1064nm处存在强的ASE抑制946nm激光强度。

尽管在一个光纤放大器中放大的自发辐射没有强到能从中获取很多能量,但是它对放大信号产生很大的噪声。光纤放大器的噪声系数是受限于ASE效应的。需要指出的是,准三能级增益介质中的ASE效应是强于四能级介质的。

图 1 在前向泵浦的掺镱光纤放大器中的前向ASE光谱和后向ASE光谱,是采用RP光子学中的RP光纤功率计算软件计算出来的。尤其在准三能级增益介质中,ASE光谱与自发辐射光谱有明显的不同,并且它强烈依赖于传播方向。

如图1所示,稀土掺杂光纤放大器输出的ASE光谱与光纤纵向辐射的荧光差别很大。这是因为放大和重吸收过程是依赖于波长的。(后者仅在准三能级增益介质中存在。)另外,光纤放大器中辐射的前向和后向ASE光功率也是不同的。一般来说,在与泵浦光相反方向的ASE更强一些。最后一点,ASE光谱形状依赖于泵浦光强度(如图2所示)。

图 2 在图1中相同的光纤放大器中产生的背向ASE光谱,采用了不同的泵浦功率值。随着泵浦功率的增加,光谱朝着短波方向移动(增益系数迅速变大)并且谱线变得更窄。

当ASE在诸如光纤等波导结构中产生时,存在许多有意思的现象。例如,单模光纤纤芯中的ASE强度与波导参数无关(如纤芯直径和数值孔径)。不同于一般的情况,ASE功率仅仅依赖于模式数量,而与某一模式的特性无关(传输损耗除外)。自发辐射的捕获率由全反射条件来决定,仅仅在多模波导的情况下适宜考虑这一参数,而对于单模或者很少模式的情况则不适宜考虑。(具体可参照2007-08-06的Photonic Spotlight)从这个角度看很多光纤放大器模型都是错误的。

ASE有时也被称为超辐射,而产生超辐射的光源也对应的被称为超辐射光源(即ASE光源或者白光光源)。这些宽带光源(但是通常具有空间相干性)在一些领域具有很重要的应用。

在自由电子激光器章节中,自放大自发辐射(SASE)这一名词被提到了好多次。自放大是为了强调放大同时发生在产生自发辐射的同一装置中。

另外还有一个现象与ASE相关,但是在物理上它们又有非常重要的差别,那就是超荧光。

自发辐射放大的相干特性

ASE的时间相干性很弱。在时间域中,相关电场存在非常快的随机涨落,也就是说,它具有非常短的相干时间和相干长度。在频率域,这对应的是大的带宽。这一带宽可以与增益带宽具有相同的量级,但是它通常远远小于增益带宽,尤其是在高增益的情况。

放大的自发辐射的空间相干性对环境的依赖很强。一个小的激光晶体收到具有比较大的模式面积的光泵浦时产生的ASE的空间相干性很低,因为有效激光增益值在不同的方向是类似的。然而在稀土掺杂的单模激光器中产生的ASE则具有很好的空间相干性。也就说如果采用合适的聚焦光学手段(低象差),这种ASE可以聚焦于一个非常小的点上。

自发辐射放大是不可避免的么?

由于ASE来源于量子效应(自发辐射),是不可避免的放大器噪声。任何对相位不敏感的放大器中的额外噪声与理想四能级激光放大器信号中对应的ASE强度可以比拟。然而,如果采用准三能级放大器系统或者放大器中存在额外的传输损耗时(来源于吸收或散射),ASE可以大于量子力学极限。

参考文献

[1] N. P. Barnes and B. M. Walsh, “Amplified spontaneous emission-application to Nd:YAG lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 35 (1), 101 (1999)
[2] M. Blazek et al., “Unifying intensity noise and second-order coherence properties of amplified spontaneous emission sources”, Opt. Lett. 36 (17), 3455 (2011)
[3] R. Paschotta, tutorial on "Fiber Amplifiers", part 4 on amplified spontaneous emission

参阅:自发辐射、放大器、激光器噪声、超辐射光源、超辐射二极管、超发光、白光光源、激光器、量子光学

放大器

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/203

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交