CN2397514Y - 弱光信号的光强放大装置 - Google Patents

Abstract

一种弱光信号的光强放大装置,包括由非线性晶体构成的放大元件。由激光器作为信号光源和泵浦光源带有同一同步控制器。泵浦光的光强I_p大于信号光的光强I_s。泵浦光的波长λ_p小于信号光的波长λ_s。信号光光轴O₁O₁垂直于放大元件的入射面,并与泵浦光的光轴O₂O₂有不等于0的夹角α。信号光在放大元件内的传播方向与构成放大元件的晶体光轴方向的相位匹配角θ≠0。本实用新型的放大装置能使较弱的信号光的光强I_s放大1千倍以上。结构简单,操作方便。

Description

弱光信号的光强放大装置

本实用新型是一种弱光信号的光强放大装置。主要用来放大弱光学信号的光强。

已有技术中英国I.N.罗斯(I.N.Ross)等人在“光学参量啁啾脉冲放大原理和可行性”(Principles and possibilities for optical parameteric chirped pulse amplifies)一文中论述了关于光学参量的放大过程和理论，但没有提供一种放大倍率较高的实用的装置。

本实用新型的目的是提供一种将弱的激光信号光的光强能够放大的弱光信号的光强放大装置。而使用本实用新型的结构简单，容易操作的放大装置将能获得所期望的放大光强的信号光。

本实用新型的弱光信号的光强放大装置，如图1所示，包括，最核心的元件为放大元件4，置于放大元件4的入射面r之前有信号光源1和泵浦光源2，信号光源1和泵浦光源2连接有同一个同步控制器3。置于放大元件4的出射面c之后有第一探测器5和第二探测器6，第一探测器5和第二探测器6的输出同时连接到数据处理显示器7上。

所说的信号光源1和泵浦光源2同是以激光器构成的。泵浦光源2发射的泵浦光G_p的波长λ_p小于信号光源1发射的信号光G_s的波长λ_s，即λ_p＜λ_s。而泵浦光G_p的光强I_p必须大于信号光G_s的光强I_s，即I_p＞I_s。

泵浦光G_p和信号光G_s由同步控制器3控制，必须同时进入到放大元件4内。信号光G_s的光轴O₁O₁垂直于放大元件4的入射面r，而泵浦光G_p的光轴O₂O₂与信号光G_s的光轴O₁O₁之间有不等于0的夹角α，即α≠0。

所说的放大元件4是由非线性晶体构成的。非线性晶体是双轴晶体，如是磷酸钛氧钾晶体(KTP)，或是三硼酸锂晶体(LBO)；或者是负单轴晶体，如是磷酸氘钾晶体(KDP)，或是磷酸二氢铵晶体(ADP)，或是铌酸锂晶体(LiNO₃)，或是β-偏硼酸钡晶体(BBO)等；或者是正单轴晶体，如是镉锗砷晶体(CdGeAs₂)等。

本实用新型的放大装置中，要求入射到放大元件4内的信号光G_s的传播方向与构成放大元件4的晶体光轴方向之间的相位匹配角θ≠0。

所说的构成信号光源1和泵浦光源2的激光器是固体激光器，或者是气体激光器，或者是液体激光器。

所说的第一探测器5和第二探测器6都是CCD二极管列阵探测器，或者是光电二极管，或者是光电倍增管。

所说的数据处理显示器7是示波器，或者是计算机，或者是使用装置。所说的同步控制器3由延迟器构成的。

本实用新型的放大装置的工作过程是：当由同步控制器3控制的信号光源1和泵浦光源2发射的两束光信号光G_s和泵浦光G_p同时入射到放大元件4内，由于构成放大元件4的非线性晶体的耦合效应，使信号光G_s放大，由放大元件4输出的两束光，一束光是被放大的信号光G_s′，另一束光称为空闲光G_i。

信号光G_s在放大元件4内的放大增益为： $G=1+{\left(\mathrm{\γL}\right)}^2{\left(\frac{\sinh B}{B}\right)}^2----\left(1\right)$ 其中 $B=\sqrt{{\left(\mathrm{\γL}\right)}^2-{(\mathrm{\ΔkL}/2)}^2}$ L是作为放大元件4的晶体放大长度，Δk是相位失谐量。其中放大系数γ为： $\mathrm{\γ}=4\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{eff}}\sqrt{I_p/2{\mathrm{\ϵ}}_0{n}_p{n}_s{n}_i{\mathrm{c\λ}}_s{\mathrm{\λ}}_i}----\left(2\right)$ (2)式中d_eff作为放大元件4的晶体有效非线性系数，I_p为泵浦光G_p强度，ε₀为真空介电常数，n_p为泵浦光G_p折射率，n_s为信号光G_s折射率，n_i为空闲光G_i折射率，c为光速，λ_s为信号光G_s波长，λ_i为空闲光G_i波长。

光在作为放大元件4的晶体中传播时，与光轴形成不同的方向传播时有不同的折射率，相位匹配角与折射率物理量的关系如下 $\mathrm{tg\α}=\frac{1}{2}\frac{n_p^2-n_s^2}{(n_s^2\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\θ}+n_p^2{\cos }^2\mathrm{\θ})}\sin 2\mathrm{\θ}-----\left(3\right)$ 式中，α为信号光G_s光轴O₁O₁与泵浦光G_p光轴O₂O₂之间的夹角，θ为光束在晶体中传播方向与晶体光轴的相位匹配角。

由上述的结构及(1)、(2)、(3)式可以看出本实用新型的放大装置的结构是既简单又合理。

本实用新型的弱光信号的光强放大装置的优点：

1.使用本实用新型的放大装置能够实现弱信号光G_s的光强放大。而且放大倍率超过1千倍。

2.在放大元件4的晶体外部调整信号光G_s与泵浦光G_p两光轴O₁O₁与O₂O₂之间的夹角α容易操作，而且整个放大装置结构简单，操作方便。

3.放大元件4(非线性晶体)适用的种类较多，如上所述的BBO，KDP，LBO，KTP等晶体。

4.适用于较宽波带弱信号光G_s的放大，也就是说信号光源1的适用范围广。

5.可选用构成信号光源1和泵浦光源2的激光器的种类多，如固体激光器、液体激光器、气体激光器等。

附图说明：

图1是本实用新型的弱光信号的光强放大装置的示意图。

实施例：

如图1所示的装置，信号光源1是用氩(Ar)离子气体激光器泵浦固体的钛宝石激光器输出波长λ_s＝800nm～1.16μm的信号光G_s。泵浦光G_p是钇铝石榴石(YAG)固体激光器经倍频输出波长λ_p＝532nm，同步控制器3用两个脉冲延时器构成调整信号光G_s与泵浦光G_p同步，泵浦光G_p光强I_p＝380MW/cm²，放大元件4是负单轴KDP非线性晶体(长度L＝13mm)，信号光G_s波长λ_s＝1.06μm，信号光G_s与泵浦光G_p的两光轴O₁O₁与O₂O₂的夹角α＝0.0034rad，θ＝37°，信号光G_s能量E_s＝200pJ，到达放大元件4的非线性晶体的光斑直径为1mm，脉宽200ps，放大系数γ＝3.297×10²，增益G＝1.32×10³，放大信号光C_s′的能量E_s ^*＝264nJ。显然被放大的信号光G_s′是原来信号光G_s的1千倍以上。

Claims (5)

1.一种弱光信号的光强放大装置，包括

<1>在放大元件(4)的入射面(r)之前置有两者同时连接到同一同步控制器(3)上的信号光源(1)和泵浦光源(2)，在放大元件(4)的出射面(c)之后置有两者同时连接到数据处理显示器(7)上的第一探测器(5)和第二探测器(6)，

其特征在于：

<2>置于放大元件(4)入射面(r)之前的信号光源(1)和泵浦光源(2)同是以激光器构成的，泵浦光源(2)发射的泵浦光(G_p)的波长λ_p小于信号光源(1)发射的信号光(G_s)的波长λ_s，即λ_p＜λ_s，而且泵浦光(G_p)的光强I_p大于信号光(G_s)的光强I_s，即I_p＞I_s；

<3>与泵浦光G_p同时入射到放大元件(4)内的信号光G_s的光轴O₁O₁垂直于放大元件(4)的入射面(r)，泵浦光(G_p)的光轴(O₂O₂)与信号光(G_s)的光轴(O₁O₁)之间有夹角α≠0；

<4>放大元件(4)是由非线性晶体构成的，入射到放大元件(4)内的信号光(G_s)的传播方向与构成放大元件(4)的晶体光轴方向之间有相位匹配角θ≠0。

2.根据权利要求1所述的弱光信号的光强放大装置，其特征在于所说的构成放大元件(4)的非线性晶体是双轴晶体，如是磷酸钛氧钾晶体，或是三硼酸锂晶体；或者是负单轴晶体，如是磷酸氘钾晶体，或是磷酸二氢铵晶体；或是β-偏硼酸钡晶体；或者是正单轴晶体，如镉锗砷晶体。

3.根据权利要求1所述的弱光信号的光强放大装置，其特征在于所说的构成信号光源(1)和泵浦光源(2)的激光器是固体激光器，或者是气体激光器，或者是液体激光器。

4.根据权利要求1所述的弱光信号的光强放大装置，其特征在于所说的第一探测器(5)和第二探测器(6)是CCD二极管列阵探测器，或者是光电二极管，或者是光电倍增管。

5.根据权利要求1所述的弱光信号的光强放大装置，其特征在于所说的数据处理显示器(7)是示波器，或者是计算机，或者是使用装置。