Ultraszybki wzmacniacz

Definicja: Wzmacniacz, który wzmacnia ultrakrótkie impulsy optyczne.
Ultraszybkie wzmacniacze to wzmacniacze optyczne stosowane do wzmacniania ultrakrótkich impulsów. Niektóre ultraszybkie wzmacniacze są używane do wzmacniania ciągów impulsów o wysokiej częstotliwości powtarzania, aby uzyskać bardzo wysoką średnią moc, podczas gdy energia impulsu jest wciąż na umiarkowanym poziomie, w innych przypadkach impulsy o niższej częstotliwości powtarzania uzyskują większe wzmocnienie i bardzo wysoką energię impulsów oraz stosunkowo dużą moc szczytową. Kiedy te intensywne impulsy skupiają się na niektórych celach, uzyskuje się bardzo wysokie natężenia światła, czasem nawet większe niż 1016 μW/cm2.
Jako przykład rozważmy moc wyjściową lasera z synchronizacją modów z częstotliwością powtarzania impulsów 100 MHz, długością 100 fs i średnią mocą 0,1 W. Zatem energia impulsu wynosi 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, a moc szczytowa jest mniejsza niż 10kW (w odniesieniu do kształtu impulsu). Wzmacniacz dużej mocy, działając na cały impuls, może zwiększyć swoją średnią moc do 10W, zwiększając tym samym energię impulsu do 100nJ. Alternatywnie przed wzmacniaczem można zastosować przetwornik impulsów, aby zmniejszyć częstotliwość powtarzania impulsów do 1 kHz. Jeśli wzmacniacz dużej mocy nadal zwiększa średnią moc do 10 W, to energia impulsu wynosi w tym czasie 10 mJ, a moc szczytowa może osiągnąć 100 GW.

Specjalne wymagania dla ultraszybkich wzmacniaczy:
Oprócz zwykłych szczegółów technicznych wzmacniaczy optycznych ultraszybkie urządzenia napotykają dodatkowe problemy:
Zwłaszcza w systemach wysokoenergetycznych wzmocnienie wzmacniacza musi być bardzo duże. W jonach omówionych powyżej wymagane jest wzmocnienie do 70dB. Ponieważ wzmacniacze jednoprzebiegowe mają ograniczone wzmocnienie, zwykle stosuje się działanie wielokanałowe. Bardzo wysokie wzmocnienia można osiągnąć za pomocą wzmacniaczy z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Ponadto często stosuje się wzmacniacze wielostopniowe (łańcuchy wzmacniaczy), w których pierwszy stopień zapewnia wysokie wzmocnienie, a ostatni stopień jest zoptymalizowany pod kątem wysokiej energii impulsu i wydajnego pozyskiwania energii.
Wysokie wzmocnienie oznacza również ogólnie większą czułość na światło odbite (z wyjątkiem wzmacniaczy z dodatnim sprzężeniem zwrotnym) i większą tendencję do wytwarzania wzmocnionej emisji spontanicznej (ASE). Do pewnego stopnia ASE można stłumić, umieszczając przełącznik optyczny (modulator akustyczno-optyczny) między dwoma stopniami wzmacniaczy. Przełączniki te otwierają się tylko w bardzo krótkich odstępach czasu wokół szczytu wzmocnionego impulsu. Jednak ten przedział czasu jest nadal długi w porównaniu z długością impulsu, więc tłumienie szumu tła ASE w pobliżu impulsu jest mało prawdopodobne. Optyczne wzmacniacze parametryczne działają lepiej pod tym względem, ponieważ zapewniają wzmocnienie tylko wtedy, gdy przepuszczany jest impuls pompy. Światło wstecznie propagujące nie jest wzmacniane.
Ultrakrótkie impulsy mają znaczną szerokość pasma, którą można zmniejszyć przez efekt zwężenia wzmocnienia we wzmacniaczu, co skutkuje dłuższymi wzmocnionymi długościami impulsów. Gdy długość impulsu jest mniejsza niż dziesiątki femtosekund, wymagany jest ultraszerokopasmowy wzmacniacz. Zawężenie wzmocnienia jest szczególnie ważne w systemach o wysokim wzmocnieniu.
Szczególnie w przypadku systemów o dużej energii impulsu różne efekty nieliniowe mogą zniekształcić czasowy i przestrzenny kształt impulsu, a nawet uszkodzić wzmacniacz z powodu efektów samoogniskowania. Skutecznym sposobem na stłumienie tego efektu jest użycie wzmacniacza impulsowego (CPA), w którym impuls jest najpierw rozszerzany dyspersyjnie do długości np. 1 ns, następnie wzmacniany, a na koniec kompresowany. Inną mniej powszechną alternatywą jest użycie wzmacniacza podimpulsowego. Inną ważną metodą jest zwiększenie obszaru trybu wzmacniacza w celu zmniejszenia natężenia światła.
W przypadku wzmacniaczy jednoprzebiegowych wydajna ekstrakcja energii jest możliwa tylko wtedy, gdy długość impulsu jest wystarczająco długa, aby strumień impulsu osiągnął poziomy strumienia nasycenia bez powodowania silnych efektów nieliniowych.
Różne wymagania dotyczące ultraszybkich wzmacniaczy znajdują odzwierciedlenie w różnicach w energii impulsu, długości impulsu, częstotliwości powtarzania, średniej długości fali itp. W związku z tym należy zastosować różne urządzenia. Poniżej przedstawiono kilka typowych wskaźników wydajności uzyskanych dla różnych typów systemów:
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany iterbem może wzmocnić ciąg impulsów 10 ps przy 100 MHz do średniej mocy 10 W. (System z takimi możliwościami jest czasami określany jako ultraszybki laser światłowodowy, mimo że w rzeczywistości jest to urządzenie wzmacniające moc oscylatora głównego). Moce szczytowe 10 kW są stosunkowo łatwe do osiągnięcia przy użyciu wzmacniaczy światłowodowych o dużych obszarach modów. Ale w przypadku impulsów femtosekundowych taki system miałby bardzo silne efekty nieliniowe. Rozpoczynając od impulsów femtosekundowych, po których następuje wzmocnienie impulsu ćwierkającego, można łatwo uzyskać energie rzędu kilku mikrodżuli, aw skrajnych przypadkach większe niż 1 mJ. Alternatywnym podejściem jest wzmocnienie impulsu parabolicznego we włóknie o normalnej dyspersji, a następnie kompresja dyspersji impulsu.
Wieloprzebiegowy wzmacniacz masowy, taki jak wzmacniacz oparty na Ti:Sapphire, może zapewnić duży obszar modów, co skutkuje energiami wyjściowymi rzędu 1 J, przy stosunkowo niskich częstotliwościach powtarzania impulsów, takich jak 10 Hz. Rozciągnięcie impulsu o kilka nanosekund jest konieczne do stłumienia efektów nieliniowych. Później skompresowany do powiedzmy 20fs, moc szczytowa może osiągnąć dziesiątki terawatów (TW); najbardziej zaawansowane duże systemy mogą osiągnąć moc szczytową większą niż 1 PW, czyli rzędu pikowatów. Na przykład mniejsze systemy mogą generować impulsy o energii 1 mJ przy częstotliwości 10 kHz. Wzmocnienie wzmacniacza wieloprzebiegowego jest zwykle rzędu 10 dB.
Wysokie wzmocnienie rzędu kilkudziesięciu dB można uzyskać we wzmacniaczu z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Na przykład impuls 1 nJ można wzmocnić do 1 mJ za pomocą wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym Ti:Sapphire. Ponadto do tłumienia efektów nieliniowych wymagany jest ćwierkający wzmacniacz impulsowy.
Wykorzystując wzmacniacz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym oparty na głowicy lasera cienkodyskowego domieszkowanego iterbem, impulsy o długości mniejszej niż 1 ps można wzmocnić do kilkuset mikrodżuli bez potrzeby stosowania CPA.
Parametryczne wzmacniacze światłowodowe zasilane nanosekundowymi impulsami generowanymi przez lasery z przełączaniem dobroci mogą zwiększyć energię rozciągniętego impulsu do kilku milidżuli. Wysokie wzmocnienie na poziomie kilku decybeli można osiągnąć w trybie pracy jednokanałowej. W przypadku specjalnych struktur z dopasowaniem fazowym szerokość pasma wzmocnienia jest bardzo duża, dzięki czemu po kompresji dyspersyjnej można uzyskać bardzo krótki impuls.
Specyfikacje wydajności komercyjnych systemów ultraszybkich wzmacniaczy są często znacznie poniżej najlepszych wyników uzyskanych w eksperymentach naukowych. W wielu przypadkach głównym powodem jest to, że urządzeń i technik wykorzystywanych w eksperymentach często nie można zastosować w urządzeniach komercyjnych ze względu na ich brak stabilności i wytrzymałości. Na przykład złożone systemy światłowodowe obejmują wiele procesów przejściowych między światłowodami a optyką w wolnej przestrzeni. Można zbudować systemy wzmacniaczy całkowicie światłowodowych, ale systemy te nie osiągają wydajności systemów wykorzystujących optykę masową. Istnieją inne przypadki, w których optyka działa w pobliżu progów uszkodzeń; jednak w przypadku urządzeń komercyjnych wymagane są wyższe gwarancje bezpieczeństwa. Innym problemem jest to, że wymagane są specjalne materiały, które są bardzo trudne do zdobycia.

Aplikacja:
Ultraszybkie wzmacniacze mają wiele zastosowań:
Wiele urządzeń jest używanych do badań podstawowych. Mogą dostarczać silne impulsy do silnych procesów nieliniowych, takich jak generowanie harmonicznych wysokiego rzędu lub do przyspieszania cząstek do bardzo wysokich energii.
Duże ultraszybkie wzmacniacze są wykorzystywane w badaniach nad syntezą indukowaną laserem ( synteza jądrowa w uwięzieniu bezwładnościowym , szybki zapłon ).
Impulsy pikosekundowe lub femtosekundowe o energiach w milidżulach są korzystne w obróbce precyzyjnej. Na przykład bardzo krótkie impulsy umożliwiają bardzo precyzyjne i dokładne cięcie cienkich blach.
Systemy ultraszybkich wzmacniaczy są trudne do wdrożenia w przemyśle ze względu na ich złożoność i wysoką cenę, a czasami z powodu braku solidności. W tym przypadku potrzebne są bardziej zaawansowane technologicznie rozwiązania, aby poprawić sytuację.