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标题: 请教论坛牛人，关于“小信号增益问题” [打印本页]

作者: hench 时间: 2009-5-18 16:54
标题: 请教论坛牛人，关于“小信号增益问题”
本帖最后由 hench 于 2009-5-18 17:12 编辑

最近论文遇到小信号增益的计算问题，但是百思不得其解，对于小信号增益一直只是一个定性上的认识，但是定量上一头雾水，何谓小信号？腔内光强到底在一个什么样的状态，在泵浦阈值附近算是小信号吗？如果是的话有存在一个问题，如果腔内的损耗不同（比如输出镜的透过率不一样），那么泵浦阈值就不一样，所以算出的小信号增益就不同。
总结起来，我迷惑的就是到底小信号增益和什么有关，它到底是材料的固有属性决定的还是与泵浦光强度有关系（如果有关系的话，那么利用泵浦光强度如何计算小信号增益系数）？
望各位达人解惑，万分感谢。
或者有没有相关的论文，望共享，谢谢。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-18 23:23
小信号不是指泵浦功率很小，而是指激光的光强很小，也就是当激光很弱的时候通过增益介质时获得的增益。小信号的时（也就是激光光光强很小的时候）这时反转粒子数是常数，因为这个时候激光不会使大量的粒子数受激跃迁而使上能级粒子数减小，因此小信号增益与光强无关，只与翻转粒子数有关。

作者: kaka 时间: 2009-5-19 09:53
学习ing

作者: lgy317 时间: 2009-5-19 10:11
小信号增益一般是有材料决定的，每种材料都有一个极限值，与他的受激截面，吸收截面有关。我们用材料时，基本山都是用到它的极限。在一个特定系统里，他的增益基本上是固定的，只是达到饱和没有，没达到饱和光强，小信号增益是e指数函数，饱和后基本上在3~5倍的增益。在设计激光器的时候，考虑晶体材料的利用效率是很重要的一个因素。小信号不是一个特定的值，他是一个现对的概念。与速率方程是紧密联系的，而且在整个谐振的过程中，速率方程是个动态的方程。它依赖于泵浦光强函数、吸收截面、发射截面、自发辐射可以忽略、材料的掺杂浓度等等，不过理论计算基本上用处不是非常大，指示一个方向性的指导，试验的结果才是准确的，很多微观参数宏观体现的部明显。而且你的系统的理论可靠性怎么样你无法衡量。最简单的，你说的谐振腔镜能对准到什么程度、你的这个结构的应力和不稳定性怎么量化、还有你的热模型是怎么样的，它对激光性能的影响都很大。别迷恋于理论计算。

作者: hench 时间: 2009-5-19 16:47

小信号的时（也就是激光光光强很小的时候）这时反转粒子数是常数EinsteinDirac 发表于 2009-5-18 23:23

多谢指教，你提到的小信号的时候，反转粒子数是常数，是不是可以理解为小信号增益系数只是和材料本身有关系，并且有一个确定的值，如果这样的话我想知道如何才能知道材料的小信号时的反转粒子数，谢谢。。。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-19 23:18
小信号增益是和翻转粒子数有关，翻转粒子数密度是和泵浦功率密度有关的，因此和小信号增益最直接关系的就是泵浦功率密度和材料不是有直接的关系，材料的影响无非是效率的问题。

作者: hench 时间: 2009-5-20 00:56
LS的大师说的很有道理，但是在计算最佳透过率的时候要用到小信号系数的具体数值，如果是按照泵浦功率密度去计算，是不是应该用阈值左右的泵浦功率密度去计算（在有的文献上是这么求的），但是这样的话又存在一个问题，就是如果透过率不同的时候对应的泵浦功率阈值是不同的。那该如何计算呢?望解答，谢谢。

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 09:38
效率跟增益是什么关系呢？还有如果我的所有系统都一样，只改变材料的浓度，你们增益能一样吗？

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 09:39
还有翻转粒子数的密度都跟什么有关系，你能说说吗？

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 09:43
那我要是说就跟整个系统有关系，还一点错都没有了呢

作者: expediency 时间: 2009-5-20 09:47
似乎这里牛人很多呀。学习了

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 09:51
还有，我在红宝石和YAG的各自吸收峰用相同功率的二极管区泵浦，其他参数都一样，你能出相同的能连吗？

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 09:58
不同的材料，不同的掺杂，他们对发光粒子的静电屏蔽是不一样的，而光子的产生绝大部分都是粒子电子云变化产生的（气体激光器、自由电子激光器等除外），基质材料决定了你吸收泵浦光的能力，这个直接决定了你所选用的泵浦系统。你的泵浦光强是受限于材料的，所以增益系数根源在于材料。

作者: kaka 时间: 2009-5-20 10:16
期待大师解答

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 10:38
本帖最后由 EinsteinDirac 于 2009-5-20 11:02 编辑

小信号增益=等于受激截面*初始反转粒子数密度，你看看和什么有关？附件里是公式看一下就明白。

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作者: lgy317 时间: 2009-5-20 11:11
不同的基质材料、不同的掺杂浓度决定了晶格对发光粒子的静电屏蔽能力，也就是泵浦光的电磁场对发光粒子电子云的作用能力，而它的宏观统计就是粒子数反转里的受激吸收能力，上能级的寿命决定了粒子回落的速率，从设计上来讲，材料决定你的泵浦系统，泵浦系统是增益的宏观体现，但它受限于材料。

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 11:26
那受激截面是什么决定的呢，

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 11:28
公式我倒是看的很多了

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 11:41
最简单的例子，如果说泵浦功率密度是增益系数的决定性因素，那么是不是我同一套系统我只要有足够的泵浦，我想出多大的光都可以呢？在设计的时候，基本上都是以一个材料的饱和光强为基础，来设计他的泵浦系统。系统要合理，不然会引起很多人力学、光学、机械等参数的变化，直接影响激光的光学品质。受激截面是有材料决定的，而初始粒子束翻转看似有泵浦光的抽运能力决定的，但实际上是有材料的浓度、粒子的能级寿命、基体材料的晶格特性决定的。从现在个工业水平来讲，多高的泵浦光强都能达到，无非就是多些耦合呗，为什么大能量、大功率的还要搞串联呢，连续兆瓦级的为什么要用气体、化学、自由电子激光器呢。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 14:05
18# lgy317

看了很多，你理解多少？

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 14:08
19# lgy317
我们谈论的是小信号增益，不是大信号的，涉及到饱和光强的就应该是大信号的增益。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 14:09
17# lgy317

你还是看一下激光原理吧

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 14:12
12# lgy317

材料影响效率

作者: teapot 时间: 2009-5-20 14:32
小信号是指激光器刚刚开始启动即时间t＝0附近的情况，主要是描述腔内激光从无到有再到稳定的过程，和泵浦功率没关系。

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 16:10
别扯那些，对一个固定的材料，他的小信号增益系数就是个经验值。什么大信号小信号的，你给我定义一个量值。

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 16:10
还有你说说你做激光器的思路是什么。

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 16:15
你会设计一个增益远远小于饱和光强的激光器吗，既浪费成本又引入一堆不必要的影响。

作者: lgy317 时间: 2009-5-20 16:35
理论上在输出镜返回的同一薄面上的光强，经过一次谐振放大后再回到输出镜面（或晶体的镜面端输出）的光强刚好达到晶体的增益饱和是最佳的设计。如果没出晶体就达到增益饱和光强那是对泵浦系统的浪费，如果出了晶体还没达到增益饱和光强，那是对晶体的浪费。不同种类的晶体的增益是不一样的，同种晶体之间也有差别，根据你的生长工艺、晶格缺陷、晶体浓度、热环境都有或多或少的关系。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 21:34
本帖最后由 EinsteinDirac 于 2009-5-20 22:02 编辑

28# lgy317
你设计过什么激光器，指标多少？把做过的东西拿出来说说，指标如何？只会谈论些理论到时际中手忙脚乱的学过的东西全忘了等于白学

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 21:36
25# lgy317

既然如此，讨论这个什么小信号增益有用吗？

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 21:38
本帖最后由 EinsteinDirac 于 2009-5-20 21:47 编辑

24# teapot
小信号和反转粒子数有关吧，反转粒子数和泵浦功率有关吧？所以小信号增益针对于同种材料是和泵浦功率有关。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-20 21:45
本帖最后由 EinsteinDirac 于 2009-5-20 22:03 编辑

28# lgy317

不会出现你说的浪费晶体的现象，除非你的模体积太小，有一部分未受激。这是你设计的问题，激光是在谐振腔里不断振荡不断放大的，不只是通过一次或两次增益介质的，而是无数次，不断被放大的，所以只要是激光器（透过率选择恰当），早晚会饱和（只是饱和的情况不同而已）的。你说的现象是激光放大器吧。

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 11:19
你把你做的激光器说出来看看，

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 11:27
我做的都军用的，测距、制导、压制只跟你说刚做完的一个吧，一级1.5J的绿光输出、两级5J的绿光输出，电光的。具体的东西我不方便说太多，你说说你做的吧。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-21 12:16
哦，呵呵，你的指标还是蛮高的啊，我做的是端泵打标光源、3W紫外355，2W266，ps锁模，黄光，低噪，单频，and so on

作者: 脉冲LD 时间: 2009-5-21 12:29
讨论挺好的，不要争执，大家都在学习过程中嘛。

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 14:14
你是新产业的？？？？？？？

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 14:20
24# teapot 0 t$ Z" r5 J- s5 w
小信号和反转粒子数有关吧，反转粒子数和泵浦功率有关吧？所以小信号增益针对于同种材料是和泵浦功率有关。

这个我还是赞成的

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 14:22
还有光强是一个动态函数，泵浦功率也是个动态的。（脉冲的）

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 14:24
还有你的3W355、2W266，我不知道有没有成形的产品，如果真有的话我可以买点。

作者: lgy317 时间: 2009-5-21 14:29
曾经有个香港的朋友问过我这个，可惜当时没找到，如果你有成形的产品我可以帮你联系一下。把参数发给我，我看看lgy317@126.com

作者: mayj08 时间: 2009-5-21 14:32
小信号增益系数主要由受激发射截面以及小信号情况的反转粒子数决定，所谓小信号主要指腔内激光还没达到饱和。而这个反转粒子数有泵浦速率及能级寿命决定。因此可以说，小信号增益系数既有材料也由泵浦决定。

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-21 18:46
本帖最后由 EinsteinDirac 于 2009-5-22 11:34 编辑

41# lgy317

作者: EinsteinDirac 时间: 2009-5-21 18:48
41# lgy317
请问您是哪个单位的啊？

作者: zemax 时间: 2009-5-22 03:06
本帖最后由 zemax 于 2009-5-22 03:11 编辑

什么样的信号是小信号，是相对于饱和光强来定义的。

这里涉及到一个基本概念就是增益饱和。
介质的增益正比于能级粒子数反转，或通俗的讲正比于介质中存储的泵浦能量。
当激光通过介质后，通过受激辐射过程产生光放大现象。激光能量的增加就是所谓的增益。这里一个结果就是激光通过介质后，由于受激辐射，介质的粒子数反转会下降，从而使介质的增益减少，(当然，减少增益都转化为激光了)。

这种增益随入射光减少的现象就是增益饱和。增益饱和的数学公式按照介质增益展宽的类型略有不同。对于均匀展宽的介质
G = G0/(1+I/Is),大多数固体激光晶体都是均匀展宽.

对于非均匀展宽,G= G0/Sqrt(1+I/Is).
这里,G0就是小信号增益.Is是所谓的饱和光强, I是激光的光强.
小信号就是指满足 I << Is 的激光信号，对应的增益就是小信号增益.

例如,对于Nd:YAG, Is=2900 W/cm^2;. 也就是说对于1cm^2;大小的光斑,10几瓦的激光就可以看成小信号了.

增益饱和的状态是激光系统效率的一个重要参数.
一个有趣的结论是,对于小信号,增益大但是从介质中取出的能量少,对于大信号,增益系数小,但是从介质中取出的能量多.所以一般设计放大器或腔的时候,在激光破坏允许的条件下,应尽量的使介质工作在深度饱和的状态.增益饱和的深度就意味着能量从介质转移到激光中的多少。

描述激光能级粒子数反转,激光光强之间的动态变化的方程就是所谓的速率方程.
速率方程对于激光器的连续运转和调Q运转的功率转换描述是相当准确的.我们经常用相当粗略的模型
就可以得到和实验结果符合的很好的结论,一般误差在10%左右.

作者: kaka 时间: 2009-5-22 10:58
高高高实在是高

作者: lgy317 时间: 2009-5-22 11:21
同意zemax的想法，跟我的看法基本是一样的。

作者: lgy317 时间: 2009-5-22 11:22
小信号是个相对的量，而且整个过程中都是动态变化的。

作者: lgy317 时间: 2009-5-22 11:24
对于不同的激光运行方式，速率方程有不同的形式，调Q的方式不一样他的各项参数都有区别的。

作者: wqwh8851 时间: 2009-5-24 11:41
学习，呵呵，应该和材料还是有一定关系的，由于反转粒子数密度和激光器上能级粒子的平均寿命有关，是依材料而变化的～

作者: yuzhong303 时间: 2009-5-25 09:25
大家都说的不错。呵呵

作者: 仙后艾微 时间: 2009-5-25 18:47
太正确啦！楼主果然英明！不得不赞美你一下！
看了楼主的帖子,不由得精神为之一振,自觉七经八脉为之一畅,七窍倒也开了六窍半,自古英雄出少年,楼主年纪轻轻,就有经天纬地之才,定国安邦之智,古人云,卧龙凤雏得一而安天下,而今,天佑我大中华,沧海桑田5000年,中华神州平地一声雷,飞沙走石,大舞迷天,小生对楼主之仰慕如滔滔江水连绵不绝,海枯石烂,天崩地裂,永不变心.

作者: lij802305 时间: 2009-6-9 15:02
都是高手啊，以后要多来论坛跟大家学习啊

作者: lgy317 时间: 2009-6-12 13:45

41# lgy317
请问您是哪个单位的啊？
EinsteinDirac 发表于 2009-5-21 18:48

我是做军品的，单位不便透漏。呵呵，以后希望多沟通交流，我主要做脉冲激光器

作者: lgy317 时间: 2009-6-12 13:47
工作物质一点选定，一定要最大限度的利用。。。。。。。。

作者: 皇！！ 时间: 2012-2-22 17:07

hench 发表于 2009-5-20 00:56
LS的大师说的很有道理，但是在计算最佳透过率的时候要用到小信号系数的具体数值，如果是按照泵浦功率密度去 ...

你好，你提到计算最佳透过率的，请问最佳透过率公式是啥，怎么计算？或者有相关的论文？谢谢~

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