增益介质

2021-02-23 10:01:46 浏览:947

定义

激光放大的介质。

在激光物理中,激光增益介质就是能放大光功率的介质(一般以光束的形式)。在激光中介质需要补偿掉谐振腔的损耗,也通常被称为激光活性介质。它也可以被应用到光纤放大器中。增益是指被放大的程度。

由于增益介质使被放大的光束的能量增加,介质本身也需要接收能量,也就是通过泵浦过程,一般是设计到电流(电泵浦)或者输入光波(光泵浦),并且泵浦的波长要小于信号光的波长。

激光增益介质的种类

有许多种的增益介质,常见的有以下几种:

1、一些直接带隙半导体,例如GaAs, AlGaAs, InGaAs,它们通常是由电流泵浦,以量子阱的形式(参阅半导体激光器)

2、激光晶体或者玻璃,例如Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石,参阅钇铝石榴石激光器),Yb:YAG(掺镱YAG),Yb:玻璃,Er:YAG(掺铒YAG),或者钛蓝宝石,以固体片状形式(参阅体激光器)或者光学玻璃光纤(光纤激光器,光纤放大器)。这些晶体或者玻璃掺杂了一些激光活性离子(大多数情况下为三价稀土元素离子,有时为过渡金属离子),并且用光波泵浦。采用这些介质的激光器通常被称为掺杂绝缘体激光器。

3、陶瓷增益介质,通常也掺杂稀土元素离子。

4、在染料激光器中采用激光染料,通常是液体溶液。

5、气体激光器是采用一些气体或者气体混合物,通常采用放电器泵浦(如CO2激光器和受激准分子激光器)。

6、一些特殊的增益介质,如化学增益介质(将化学能转化成光能),核能泵浦介质,还有自由电子激光器中的波荡器(将快电子束中的能量转移到光束中)。

相比于大多数的晶体材料,离子掺杂的玻璃具有更大的放大带宽,允许大的波长调谐以及产生超短脉冲。缺点则是稍差的温度特性(限制得到的输出功率)和小的激光截面,导致大的泵浦功率阈值(对于无源锁模激光器)以及调Q不稳定性。可以参阅词条激光晶体与玻璃的对比来获得更多的信息。

晶体、陶瓷和玻璃的掺杂浓度通常需要小心的进行优化。在短波长处存在强泵浦吸收的情况下需要掺杂浓度比较高,但是这也会引起与淬灭过程相关的能量损耗,例如由于激光活性离子团簇引起的上转换过程和能量转移到缺陷。

重要的物理效应

大多数情况下,放大过程的物理基础为受激辐射,也就是入射的光子引发更多的光子辐射,这是激发的激光活性离子先跃迁一个稍低能量的激发态。四能级增益介质和三能级增益介质的过程是有差别的。

不经常发生的放大过程是受激拉曼散射,涉及到将一些高能量的泵浦光子变为低能级的光子和声子(与晶格振动相关)。 如果入射光功率很高,增益介质达到增益饱和后,增益会降低。也就是说,在有限的泵浦功率时,放大器不能将任意多的功率加到入射光束中。在激光放大器中,饱和情况下上能级离子数降低,由于受激辐射的原因。

增益介质中存在热效应,由于一部分泵浦光功率被转化成热量。产生的温度梯度和随之而来的机械应力会引起棱镜效应,使放大的光束发生畸变。这些效应会毁掉激光器的光束质量,降低效率,优势甚至摧毁增益介质(热破裂)。

激光增益介质的相关物理性质

在激光应用中,许多增益介质的物理性质都很重要。主要包括:

1、在需要波长区域的激光跃迁过程,最好峰值增益发生在此区域

2、在工作波长区域基底介质具有高度的透明度

3、好的泵浦光源,高效的泵浦吸收

4、合适的上能级寿命:在调Q开关应用时要足够长,需要对功率进行很快调制时需要足够短

5、高的量子效率,由低淬灭效应,激发态吸收和类似过程得到,或者从有利效应,如多光子跃迁或能量转移得到

6、理想的四能级行为,因为准三能级行为引入一些其它额外的限制

7、高强度和长寿命,化学稳定性

8、对于固态增益介质:基地介质需要具有好的光学质量,可以切割或者抛光的很高质量(合适的硬度),允许掺杂高浓度的激光活性离子而不会形成团簇,化学稳定性好,好的热传导性和低热光系数(高功率工作时弱的热棱镜效应),抗机械应力,光学各向同性通常需要,但有时双折射(减小热去极化效应)和与偏振相关的增益也会需要(参阅激光辐射的偏振)

9、高增益时的低泵浦功率阈值:辐射截面与上能级寿命的乘积比较大

10、对泵浦光源的光束质量要求低:高的泵浦吸收是需要的

11、波长调谐:需要大的增益带宽

12、超短脉冲产生:增益谱宽并且平坦;合适的色散和非线性

13、无需调Q稳定性的无源锁模激光器:足够大的激光截面

14、高能脉冲放大(正反馈放大器):高的光学损伤阈值和不太高的饱和对增益的影响

注意在有些情况下需要一些相互冲突的要求。例如,非常低的量子缺陷是与四能级系统不符合的。大的增益带宽对应的激光截面与理想状况下相比较小,并且这样量子缺陷不会很小。固态增益介质中的无序性提高了增益带宽,但是同时也降低了热传导性。短的泵浦吸收长度是有利的,但是这会加剧热效应。

不同的情况下对增益介质的要求不同。因此,很多增益介质对于应用还是非常重要,在优化激光器的设计时选择合适的增益介质是非常必要的。

参阅:增益、增益带宽、增益饱和、激光跃迁、量子缺陷、激光晶体、稀土掺杂增益介质、过渡金属掺杂增益介质、陶瓷增益介质、激光晶体与玻璃比较、固态激光器、四能级和三能级增益介质、放大器、跃迁界面、掺杂浓度、材料

放大器

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