放大器

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定义:放大光束功率的装置。

光纤放大器是接受入射信号光,然后产生更高功率的输出信号的装置。通常输入和输出信号都是激光光束,是在自由空间或者光纤中传输的高斯光束。放大过程发生在增益介质中,需要外加光源泵浦(用来提供能量)。大多数的放大器是有或者电泵浦的。


目录

激光放大器与基于光学非线性放大器的比较

大部分放大器都是激光放大器,放大过程基于受激辐射。增益介质包含激发态的原子、粒子或者分子,受到信号光激发后辐射更多具有相同模式的光。有的增益介质为掺有激光活性离子的绝缘体,有的是半导体,这些介质可以被电或者光泵浦。用于激光放大器的掺杂绝缘体为激光晶体和体形式的玻璃,或者一些波导结构,例如光纤光纤放大器)。激光活性离子是稀土离子或者过渡金属离子(不常见)。掺铒光纤放大器是一种非常重要的激光放大器,它一般用于光纤通讯领域中。

在光纤放大过程中,除了受激辐射外,还存在其它的物理机制,这些物理过程基于各种不同的非线性效应光学参量放大器的原理是利用介质的二阶非线性效应,也有光纤参量装置是基于光纤中的三阶非线性过程。其它类型的非线性放大器,如拉曼放大器布里渊放大器利用介质的延迟非线性响应。


多通道装置,正反馈放大器和放大器链

光学体激光放大器通常只能提供中等程度的增益,一般只有几个dB。这可以应用于超短脉冲激光器,它们大多采用宽带增益介质,具有比较小的发射截面。有效增益可以通过在同一增益介质中设置多个通道的辐射(多通放大器)来提高,或者也可以采用一个放大器组成一个链的形式(放大器链)来提高增益。

Amplifier crystal.jpg

图1.多通飞秒放大器的示意图。

可以采用多个镜子(多个通道的方向之间存在夹角)的结合来实现多个通道工作,或者也可以采用正反馈放大器(通常用于超短脉冲)。

多级放大器(放大器链)更适宜于得到非常高的放大系数。例如,一个正反馈放大器可以将脉冲能量放大到几个mJ,然后多通放大器将脉冲能量继续放大到几百个mJ。在各级放大级之间,需要对脉冲进行空间滤波或者光谱滤波,从而得到更高的光束质量和更短的脉冲持续时间


增益饱和

如果输入光光强或者频率过高,增益介质的增益因子则会发生饱和现象,也就是说会变小(增益饱和)。这很自然,因为放大器不可能放大具有任意能量的输入光。然而,当激光放大器(尤其采用固态增益介质的)在增益介质中存贮了一些能量后,可以在非常短的时间内将这些能量提取出来。因此,输出光功率可以在很短时间间隔内比泵浦光功率高许多数量级。


有害效应

在高增益情况下,寄生的若反射光也可以产生寄生激光,也就是说即使没有输入信号,也可以产生震荡,也可以说是不由输入信号产生的额外输出信号。这种效应限制了可以得到的增益。即使不存在任何的寄生反射,自发辐射放大信号也从放大器中提取了相当的能量。

放大器通常也会在输出光束中加入一些附加噪声。这不仅在激光放大器中存在,其中自发辐射效应是附加噪声的部分来源,而且在非线性放大器中也存在。


超快放大器

有些放大器可以用来放大超短脉冲。有时需要放大的是高重复速率的脉冲列,这是得到了很高的平均输出功率但是脉冲能量强度是中等的。有时,低重复率的脉冲列经过更高的增益后得到了很高输出的脉冲能量,对应的峰值功率非常高。在超快放大器的词条中,介绍了这些装置的很多其它的细节。


光学放大器的重要参数

  1. 峰值增益,也被称作放大因子,由dB值表示
  2. 饱和功率,与增益效率相关
  3. 饱和输出功率(对应某一泵浦功率而言)
  4. 功率效率和泵浦功率
  5. 饱和能量
  6. 储存能量时间(上能态寿命
  7. 增益带宽(增益谱的平滑度)
  8. 噪声系数和更详细的噪声指标
  9. 背向散射灵敏度

不同种类的放大器差别很大,例如在饱和特性方面。例如,稀土掺杂增益介质可以储存相当多的能量,然而光学参量放大器则只有在泵浦光存在的情况下才能提供放大。半导体放大器储存的能量比光纤放大器少很多,这在光纤通信领域是非常重要的应用。


应用

光学放大器的典型应用包括:

  1. 放大器可以将激光器功率提高到很到的水平(主振荡功率放大器,MOPA)
  2. 可以得到非常高的峰值功率,尤其是对于超短脉冲,当储存的能量在很短的时间内提取出来时。
  3. 可以在光探测器之前放大弱信号,因此可以减小探测噪声,放大器噪声很大时例外。
  4. 光纤通信中长距离光纤链路传输中,在长距离光纤之间需要将光功率提高到某一值,以防信息淹没在噪声中。


参考文献

[1] P. Urquhart (ed.), Advances in Optical Amplifiers (open-access online edition available), InTech, Rijeka, Croatia (2011)

[2] R. Paschotta, tutorial on "Fiber Amplifiers"


参阅:多通放大器放大噪声放大的自发辐射放大系数光纤放大器拉曼放大器半导体放大器光学参量放大器正反馈放大器超快放大器功率振荡放大器啁啾脉冲放大器分脉冲放大器