一网打尽全球光电产品
联系我们 注册 / 登录
放大器(amplifiers)

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光或者电泵浦的。 

目录

  • 激光放大器与基于光学非线性放大器的比较
  • 多通道装置,正反馈放大器和放大器链
  • 增益饱和
  • 有害效应
  • 超快放大器
  • 光学放大器的重要参数
  • 应用


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,如拉曼放大器和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。 

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 

  • 峰值增益,也被称作放大因子,由dB值表示 
  • 饱和功率,与增益效率相关 
  • 饱和输出功率(对应某一泵浦功率而言) 
  • 功率效率和泵浦功率 
  • 饱和能量 
  • 储存能量时间(上能态寿命) 
  • 增益带宽(增益谱的平滑度) 
  • 噪声系数和更详细的噪声指标 
  • 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: 

  • 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) 
  • 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。 
  • 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。 
  • 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。