Ultrasnabb förstärkare

Definition: En förstärkare som förstärker ultrakorta optiska pulser.
Ultrasnabba förstärkare är optiska förstärkare som används för att förstärka ultrakorta pulser. Vissa ultrasnabba förstärkare används för att förstärka pulståg med hög repetitionshastighet för att få mycket hög medeleffekt medan pulsenergin fortfarande är på måttliga nivåer, i andra fall får pulser med lägre repetitionshastighet mer förstärkning och får mycket hög pulsenergi och relativt stor toppeffekt. När dessa intensiva pulser fokuseras på vissa mål erhålls mycket höga ljusintensiteter, ibland till och med större än 1016âW/cm2.
Som ett exempel, betrakta utsignalen från en lägeslåst laser med en pulsrepetitionshastighet på 100 MHz, en längd på 100 fs och en medeleffekt på 0,1 W. Så pulsenergin är 0,1W/100MHz=1nJ, och toppeffekten är mindre än 10kW (relaterat till pulsformen). En högeffektsförstärkare, som verkar på hela pulsen, kan öka sin medeleffekt till 10W, vilket ökar pulsenergin till 100nJ. Alternativt kan en pulsupptagning användas före förstärkaren för att minska pulsrepetitionsfrekvensen till 1 kHz. Om högeffektsförstärkaren fortfarande ökar medeleffekten till 10W, är pulsenergin 10mJ vid denna tidpunkt, och toppeffekten kan nå 100GW.

Särskilda krav för ultrasnabba förstärkare:
Utöver de vanliga tekniska detaljerna för optiska förstärkare, möter ultrasnabba enheter ytterligare problem:
Speciellt för högenergisystem måste förstärkarens förstärkning vara mycket stor. I jonerna som diskuterats ovan krävs en förstärkning på upp till 70dB. Eftersom enkelpassförstärkare har begränsad förstärkning, används vanligtvis flerkanalsdrift. Mycket höga förstärkningar kan uppnås med positiva återkopplingsförstärkare. Dessutom används ofta flerstegsförstärkare (förstärkarkedjor), där det första steget ger hög förstärkning och det sista steget är optimerat för hög pulsenergi och effektiv energiutvinning.
Hög förstärkning innebär också generellt sett mer känslighet för bakåtreflekterat ljus (med undantag för positiv återkopplingsförstärkare) och en större tendens att producera förstärkt spontan emission (ASE). Till viss del kan ASE undertryckas genom att placera en optisk omkopplare (akusto-optisk modulator) mellan de två stegen av förstärkare. Dessa omkopplare öppnar endast under mycket korta tidsintervall runt toppen av den förstärkta pulsen. Detta tidsintervall är dock fortfarande långt jämfört med pulslängden, så att undertrycka ASE-bakgrundsbruset nära pulsen är osannolikt. Optiska parametriska förstärkare presterar bättre i detta avseende eftersom de bara ger förstärkning när pumppulsen passerar igenom. Bakåtspridande ljus förstärks inte.
Ultrakorta pulser har betydande bandbredd, som kan reduceras genom den förstärkningsavsmalnande effekten i förstärkaren, vilket resulterar i längre förstärkta pulslängder. När pulslängden är mindre än tiotals femtosekunder krävs en ultrabredbandsförstärkare. Förstärkningsavsmalning är särskilt viktig i system med hög förstärkning.
Speciellt för system med hög pulsenergi kan olika icke-linjära effekter förvränga pulsens temporala och rumsliga form, och till och med skada förstärkaren på grund av självfokuserande effekter. Ett effektivt sätt att undertrycka denna effekt är att använda en chirped pulse amplifier (CPA), där pulsen först sprids till en längd av till exempel 1 ns, sedan förstärks och slutligen dispersionskomprimeras. Ett annat mindre vanligt alternativ är att använda en subpulsförstärkare. En annan viktig metod är att öka förstärkarens lägesarea för att minska ljusintensiteten.
För enkelpasssförstärkare är effektiv energiutvinning endast möjlig om pulslängden är tillräckligt lång för att tillåta pulsflödet att nå mättnadsflödesnivåer utan att orsaka starka olinjära effekter.
De olika kraven på ultrasnabba förstärkare återspeglas i skillnader i pulsenergi, pulslängd, repetitionshastighet, medelvåglängd etc. Följaktligen måste olika anordningar användas. Nedan följer några typiska prestandamått som erhållits för olika typer av system:
Den ytterbiumdopade fiberförstärkaren kan förstärka pulståget på 10ps vid 100MHz till en medeleffekt på 10W. (Ett system med denna förmåga kallas ibland för en ultrasnabb fiberlaser, även om det faktiskt är en masteroscillatoreffektförstärkarenhet.) Toppeffekter på 10 kW är relativt lätta att uppnå med fiberförstärkare med stora modytor. Men med femtosekundpulser skulle ett sådant system ha mycket starka olinjära effekter. Med utgångspunkt från femtosekundpulser, följt av kvittrade pulsförstärkning, kan energier på några mikrojoule lätt erhållas, eller i extrema fall större än 1 mJ. Ett alternativt tillvägagångssätt är att förstärka en parabolisk puls i en fiber med normal dispersion, följt av dispersionskomprimering av pulsen.
En flerpasss bulkförstärkare, såsom en Ti:Sapphire-baserad förstärkare, kan ge en stor modarea, vilket resulterar i uteffekter i storleksordningen 1 J, med relativt låga pulsrepetitionshastigheter, såsom 10 Hz. Pulssträckning med några nanosekunder är nödvändig för att undertrycka olinjära effekter. Senare komprimerad till att säga 20fs kan toppeffekten nå tiotals terawatt (TW); de mest avancerade stora systemen kan uppnå toppeffekt större än 1PW, vilket är i storleksordningen pikowatt. Mindre system kan till exempel generera 1 mJ pulser vid 10 kHz. Förstärkningen hos en multipassförstärkare är vanligtvis i storleksordningen 10dB.
En hög förstärkning på tiotals dB kan erhållas i en positiv återkopplingsförstärkare. Till exempel kan en 1 nJ puls förstärkas till 1 mJ med hjälp av en Ti:Sapphire positiv återkopplingsförstärkare. Dessutom krävs en pipande pulsförstärkare för att undertrycka icke-linjära effekter.
Med hjälp av en positiv återkopplingsförstärkare baserad på ett ytterbiumdopat tunn-disklaserhuvud kan pulser mindre än 1 ps i längd förstärkas till flera hundra mikrojoule utan behov av CPA.
Parametriska fiberförstärkare pumpade med nanosekundspulser genererade av Q-switchade lasrar kan förstärka den utsträckta pulsenergin till flera millijoule. Hög förstärkning på flera decibel kan uppnås i enkanalsdrift. För speciella fasmatchningsstrukturer är förstärkningsbandbredden mycket stor, så en mycket kort puls kan erhållas efter dispersionskomprimering.
Prestandaspecifikationerna för kommersiella ultrasnabba förstärkarsystem ligger ofta långt under den bästa prestanda som erhållits i vetenskapliga experiment. I många fall är huvudorsaken att de anordningar och tekniker som används i experimenten ofta inte kan tillämpas på kommersiella anordningar på grund av deras bristande stabilitet och robusthet. Till exempel innehåller komplexa optiska fibersystem flera övergångsprocesser mellan optiska fibrer och optik med fritt utrymme. Helfiberförstärkarsystem kan konstrueras, men dessa system uppnår inte prestanda hos system som använder bulkoptik. Det finns andra fall där optik fungerar nära sina skadetrösklar; För kommersiella enheter krävs dock högre säkerhetsgarantier. Ett annat problem är att det krävs en del specialmaterial, som är mycket svåra att få tag på.

Ansökan:
Ultrasnabba förstärkare har många applikationer:
Många enheter används för grundforskning. De kan ge starka pulser för starka olinjära processer, såsom generering av övertoner av hög ordning, eller för att accelerera partiklar till mycket höga energier.
Stora ultrasnabba förstärkare används i forskning för laserinducerad fusion (tröghetsinneslutningsfusion, snabb tändning).
Picosecond- eller femtosekundpulser med energier i millijoule är fördelaktiga vid precisionsbearbetning. Till exempel tillåter mycket korta pulser mycket fin och exakt skärning av tunna metallplåtar.
Ultrasnabba förstärkarsystem är svåra att implementera i industrin på grund av deras komplexitet och höga pris, och ibland på grund av deras bristande robusthet. I det här fallet behövs mer tekniskt avancerad utveckling för att förbättra situationen.