增益带宽

2021-02-23 10:12:09 浏览:247

定义

放大器可以放大的频率范围宽度。

光学放大只发生于有限的光学频率范围内。增益带宽就是指这个频率范围。

其它定义

在定义增益带宽(也被称为放大带宽)时存在许多异议,因为例如一个光纤放大器的增益降低的非常平缓,还存在其它方式来量化增益,所以它没有一个直接的定义。一些定义包括:

1、对数增益的半高全宽(FWHM),单位是分贝
2、放大系数的半高全宽
3、对数增益或者放大器书的宽度,在不同的位置处测量(例如增益衰减到最大增益的1/e即约36.8%或者10%处的宽度)

由于存在很多种定义,对应不同的值,只有在特定情况的定义下增益带宽的具体值才是有意义的。当增益谱形状很复杂时,例如存在多个峰值时,增益带宽更难获得。

在有些情况下(锁模产生超短脉冲时),相关的量不是增益区域的总宽度,而是增益曲线在峰值处的曲率值。对于给定的光谱形状,这一曲率与增益带快直接相关,所以可以定义有效增益带宽为刚提到的曲率值。这一值可以用于Haus主方程。

增益带宽的重要性

激光或者光学参量放大器中增益介质的增益带宽在下列方面非常重要:

1、限制波长调谐范围
2、限制锁模激光器的脉冲宽度。(脉冲宽度依赖于在脉冲光谱范围内增益介质的曲率和增益的幅值。)
3、在稳态单频工作时所需的增益带宽比较小。
4、为了在增益介质中获得大的 σ−τ 值和高增益效率,小的增益带宽是必要条件。

对于光学放大器的情况,例如光纤通信系统中的,增益带宽会限制可用传输带宽因而影响数据速率。

在锁模激光器和短脉冲放大器中,有限的增益带宽导致光谱压缩的现象称为增益变窄。

增益带宽的物理学观点

即使最简单的激光跃迁过程,即不受外界影响时,在相同原子或离子中的两个不同能级之间发生的跃迁过程,也具有有限的增益宽度。由于上能级具有一定的寿命(下能级也有寿命),因此存在寿命展宽。

在具有强均匀或者非均匀展宽的增益介质中可以得到更大的增益宽度。下面是一些例子:

1、在气体激光器中,不同的气体原子和分子在放大光束方向的速度不同,由于多普勒效应引起非均匀展宽。
2、玻璃的无序性使不同的激光活性离子所处位置的电场或磁场不同,因此不同离子的窄线宽贡献被抵消掉,得到了宽增益谱。
3、即使不存在任何无序性,固态增益介质的跃迁也远远比预测的寿命展宽要宽。这是由于声子在不同的子能级中跃迁很快,于是自能及的寿命变得小很多。
4、基于过渡金属离子跃迁的固态增益介质中,晶体晶格与激光活性离子之间的相互作用非常强,产生宽的增益谱。(电声激光器)
5、燃料激光器也具有大的增益带宽,由于它存在许多能级还有与液体环境之间相互作用很强。

参量放大器具有有限的增益带宽,它依赖于色散,相位匹配条件,晶体长度等。经常采用的方程是在一些理想情况下(如0泵浦带宽时)泵浦光、信号光和闲散光的群速度。在一些特殊的相位匹配结构中,增益带宽会很大。

增益带宽的测量

测量激光介质的光学增益谱通常采用直接测量的方式,调谐激光器提供信号输入,然后测量不同波长时的放大系数。但是,这种方法需要昂贵的装置。

在四能级增益介质的情况,激发态吸收可以忽略,测量荧光光谱的宽度更加容易。对数增益是与荧光的功率谱密度成正比的。但是这种方法不适用于三能级增益介质,因为冲吸收过程会降低有效增益的同时不会显著影响荧光光谱。对于存在激发态吸收的介质也是一样的。

参阅:增益、带宽、增益变窄、激光晶体、激光晶体与玻璃、参量放大、波长调谐、锁模、钛蓝宝石激光器、电声激光器

放大器

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