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激光原理3-1


§3 激光放大器 Laser amplifier
§3.1 激光放大器的工作原理

激光器的输出能量常常与其它的指标参数发生矛盾,这些指标 参数指光束发散角,单色性,光脉冲脉宽等,为了保证高的指 标参数,人们不得不牺牲输出能量.激光放大技术的提出解决 了这个矛盾.

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

中国科学院上海光机所建成的6兆兆瓦(1012W)大型高功率激光系统— —神光Ⅱ装置,集中代表了我国激光技术的物理基础研究和工程技术 水平.实现可控核聚变,为人类提供理想的能源具有重大意义.
神光Ⅱ装置的同轴双程 神光 装置的同轴双程 组合式片状主放大系统

大型高功率激光系统——神光Ⅱ装置 终端输出能量为 6KJ / 1ns / 1.053μm 1.053μ
神光П装置的实验靶场 神光 装置的实验靶场

大型高功率激光系统——神光 Ⅱ装置,由激光器系统,靶场 系统,光路自准直系统,激光 参数测量系统及环境保障系统 等组成,是数百套各类激光器 单元的集成,并在空间排布成 8路激光放大链.

激光放大器与激光振荡器基于同一 物理过程——受激辐射的光放大, 其主要区别在于:激光放大器,没 有谐振腔.

激光放大器也称行波放大器,一个 去掉谐振腔的激光器,必须与激光 振荡器结合使用,振荡器充当被放 大的信号源.

全反

振荡级

部反

隔离器

放大级

电源

触发器

触发器

电源

延迟电路

激光放大器的原理图

当放大级的工作物质实现最大粒子数反转状态时,激光振 荡器输出激光至放大器,使放大器发生受激辐射,发射与输入 光性能完全相同的光子,从而使输入激光的能量得到放大,并 保持了原来激光束的良好性能不变 由振荡级决定激光脉冲宽度,谱线宽度,光束发散角等 由于激光是一次通过放大级,使放大级的工作物质的抗光 损伤阈值提高 实现振荡级和放大级触发同步,触发同步的延迟时间与工 作物质有关,与泵浦源的电路参数有关 放大级工作物质应有大的口径,增加放大级的泵浦能量, 泵浦源储能

1 2 E = cV 2

提高放大级泵浦能量的方法有以下四种: 1. 2. 3. 4. 采用与振荡级相同的电容 C,只提高电压 V

1 2 E = cV 2

采用多灯泵浦,振荡级一灯泵浦,放大级多灯泵浦,每只 灯的电容电压相同 增加电容 C,电压 V 不变 同时增加电容 C 和电压 V 当采用 1,2 方法来提高放大级泵浦源储能时,两级氙灯可 以同时点燃 当采用 3,4 方法来提高放大级泵浦源储能时,放大级氙灯 要先于振荡级点燃 氙灯放电时间

τ = Rc

C ~ 电容 R ~ 灯的阻抗

光学隔离器
插入光学隔离器的目的是为了消除级间的耦合.级间耦合会形 成自激振荡或经行波放大而产生超辐射. 降低放大器的增益 影响振荡级的稳定工作 光学隔离器一般采用法拉第光学隔离器,它利用某些介质的磁 光效应作成 磁光效应__在磁场作用下,介质的折射率发生变化的现象 法拉第效应是磁光效应的一种,又称磁致旋光效应,在磁场作 用下出现的一种与磁场有关的附加的旋光现象

法拉第效应__一束偏振光入射进磁场作用下的磁光介质,其偏 振方向将发生旋转,旋转的角度 φ 与沿光束传播方向的磁场强度 和样品通光方向的长度之积成正比

φ = VHL
H ~磁场强度在光束方向的投影值 L ~磁光介质通光方向的长度 V ~ 维尔德 (Verdet)常数,单位是弧度/厘米高斯,相当于单 位长度的磁光介质在单位磁场强度下偏振面转过的角度

φ
通光方向

某些材料关于 589.3 nm 的光的维尔德 (Verdet)常数

材料 重火石玻璃 石英 氯化钾 钡冕玻璃

维尔德 (Verdet)常数 (弧度/厘米高斯) 65.20 × 10-6 4.82 × 10-6 8.35 × 10-6 6.40 × 10-6

对于给定的磁光介质,偏振光振动面旋转的方向仅由磁场方向决 定,而与光束传播方向的正反无关,即当光往返通过介质时,只 要磁场方向不变,旋转的角度 φ 都朝一个方向增加

p

A
通光方向

p

A
45 °

让起偏器与检偏器的夹角为45°,工作时调整磁场强度,使φ= 45°

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