增益介质

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定义:激光放大的介质。

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. 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. 增益时的低泵浦功率阈值:辐射截面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