Amplificator ultrarapid

Definiție: un amplificator care amplifică impulsuri optice ultrascurte.
Amplificatoarele ultrarapide sunt amplificatoare optice utilizate pentru a amplifica impulsuri ultrascurte. Unele amplificatoare ultrarapide sunt folosite pentru a amplifica trenurile de impulsuri cu rată mare de repetiție pentru a obține o putere medie foarte mare, în timp ce energia pulsului este încă la niveluri moderate, în alte cazuri, impulsurile cu rată de repetiție mai mică obțin mai mult câștig și obțin energie de impulsuri foarte mare și putere de vârf relativ mare. Când aceste impulsuri intense sunt focalizate pe unele ținte, se obțin intensități luminoase foarte mari, uneori chiar mai mari de 1016âW/cm2.
Ca exemplu, luați în considerare ieșirea unui laser blocat în mod cu o rată de repetare a pulsului de 100 MHz, o lungime de 100 fs și o putere medie de 0,1 W. Deci, energia impulsului este de 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, iar puterea de vârf este mai mică de 10 kW (relativ cu forma pulsului). Un amplificator de mare putere, care actioneaza asupra intregului puls, isi poate creste puterea medie la 10W, crescand astfel energia pulsului la 100nJ. Alternativ, o captare a impulsurilor poate fi utilizată înaintea amplificatorului pentru a reduce rata de repetare a pulsului la 1 kHz. Dacă amplificatorul de mare putere crește în continuare puterea medie la 10W, atunci energia pulsului este de 10mJ în acest moment, iar puterea de vârf poate ajunge la 100GW.

Cerințe speciale pentru amplificatoare ultrarapide:
Pe lângă detaliile tehnice obișnuite ale amplificatoarelor optice, dispozitivele ultrarapide se confruntă cu probleme suplimentare:
În special pentru sistemele de înaltă energie, câștigul amplificatorului trebuie să fie foarte mare. În ionii discutați mai sus, este necesar un câștig de până la 70dB. Deoarece amplificatoarele cu o singură trecere sunt limitate în câștig, de obicei se utilizează operarea multicanal. Câștiguri foarte mari pot fi obținute cu amplificatoare cu feedback pozitiv. În plus, sunt adesea folosite amplificatoare cu mai multe trepte (lanțuri de amplificatoare), unde prima treaptă oferă un câștig mare, iar ultima treaptă este optimizată pentru energie de impuls mare și extracție eficientă a energiei.
Câștig ridicat înseamnă, în general, mai multă sensibilitate la lumina reflectată în spate (cu excepția amplificatoarelor cu feedback pozitiv) și o tendință mai mare de a produce emisie spontană amplificată (ASE). Într-o anumită măsură, ASE poate fi suprimat prin plasarea unui comutator optic (modulator acusto-optic) între cele două trepte ale amplificatoarelor. Aceste comutatoare se deschid doar pentru intervale de timp foarte scurte în jurul vârfului pulsului amplificat. Cu toate acestea, acest interval de timp este încă lung în comparație cu lungimea pulsului, astfel încât suprimarea zgomotului de fond ASE lângă puls este puțin probabilă. Amplificatoarele optice parametrice funcționează mai bine în acest sens, deoarece oferă câștig numai atunci când pulsul pompei este trecut. Lumina de retropropagare nu este amplificată.
Impulsurile ultrascurte au o lățime de bandă semnificativă, care poate fi redusă prin efectul de îngustare a câștigului din amplificator, rezultând astfel lungimi de impuls mai mari amplificate. Când lungimea impulsului este mai mică de zeci de femtosecunde, este necesar un amplificator cu bandă ultra-largă. Îngustarea câștigului este deosebit de importantă în sistemele cu câștig ridicat.
În special pentru sistemele cu energii mari ale impulsului, diferite efecte neliniare pot distorsiona forma temporală și spațială a pulsului și chiar pot deteriora amplificatorul din cauza efectelor de autofocalizare. O modalitate eficientă de a suprima acest efect este utilizarea unui amplificator de puls ciripit (CPA), în care pulsul este mai întâi lărgit cu dispersia la o lungime de, de exemplu, 1 ns, apoi amplificat și, în final, comprimat cu dispersie. O altă alternativă mai puțin obișnuită este utilizarea unui amplificator sub-puls. O altă metodă importantă este creșterea zonei de mod a amplificatorului pentru a reduce intensitatea luminii.
Pentru amplificatoarele cu o singură trecere, extracția eficientă a energiei este posibilă numai dacă lungimea impulsului este suficient de mare pentru a permite fluxului de impuls să atingă niveluri de flux de saturație fără a provoca efecte neliniare puternice.
Cerințele diferite pentru amplificatoarele ultrarapide se reflectă în diferențele de energie a impulsului, lungimea impulsului, rata de repetiție, lungimea medie de undă etc. În consecință, trebuie adoptate diferite dispozitive. Mai jos sunt câteva metrici tipice de performanță obținute pentru diferite tipuri de sisteme:
Amplificatorul cu fibră dopată cu iterbiu poate amplifica trenul de impulsuri de 10ps la 100MHz la o putere medie de 10W. (Un sistem cu această capacitate este denumit uneori un laser cu fibră ultrarapidă, chiar dacă este de fapt un dispozitiv de amplificare de putere a oscilatorului principal.) Puterile de vârf de 10 kW sunt relativ ușor de atins folosind amplificatoare cu fibră cu suprafețe mari de mod. Dar cu impulsuri de femtosecundă, un astfel de sistem ar avea efecte neliniare foarte puternice. Începând cu impulsuri de femtosecundă, urmate de amplificarea pulsului ciripit, se pot obține cu ușurință energii de câțiva microjouli sau, în cazuri extreme, mai mari de 1 mJ. O abordare alternativă este amplificarea unui impuls parabolic într-o fibră cu dispersie normală, urmată de compresia de dispersie a pulsului.
Un amplificator în vrac cu mai multe treceri, cum ar fi un amplificator pe bază de Ti:Sapphire, poate oferi o zonă mare de mod, rezultând energii de ieșire de ordinul a 1 J, cu rate de repetare a impulsurilor relativ scăzute, cum ar fi 10 Hz. Întinderea pulsului cu câteva nanosecunde este necesară pentru a suprima efectele neliniare. Comprimată ulterior pentru a spune 20fs, puterea de vârf poate atinge zeci de terawatts (TW); cele mai avansate sisteme mari pot atinge o putere de vârf mai mare de 1PW, care este de ordinul picowaților. Sistemele mai mici, de exemplu, pot genera impulsuri de 1 mJ la 10 kHz. Câștigul unui amplificator multipass este de obicei de ordinul a 10dB.
Un câștig mare de zeci de dB poate fi obținut într-un amplificator cu feedback pozitiv. De exemplu, un impuls de 1 nJ poate fi amplificat la 1 mJ folosind un amplificator de feedback pozitiv Ti:Sapphire. În plus, este necesar un amplificator de puls ciripit pentru a suprima efectele neliniare.
Folosind un amplificator cu feedback pozitiv bazat pe un cap laser cu disc subțire dopat cu itterbiu, impulsurile cu o lungime mai mică de 1 ps pot fi amplificate la câteva sute de microjouli fără a fi nevoie de CPA.
Amplificatoarele parametrice cu fibre pompate cu impulsuri de nanosecunde generate de laserele Q-switched pot amplifica energia impulsului întins la câțiva milijouli. Un câștig mare de câțiva decibeli poate fi obținut în funcționarea cu un singur canal. Pentru structurile speciale de potrivire a fazelor, lățimea de bandă a câștigului este foarte mare, astfel încât un impuls foarte scurt poate fi obținut după comprimarea dispersiei.
Specificațiile de performanță ale sistemelor comerciale de amplificare ultrarapide sunt adesea mult sub cele mai bune performanțe obținute în experimentele științifice. În multe cazuri, motivul principal este că dispozitivele și tehnicile folosite în experimente nu pot fi aplicate dispozitivelor comerciale din cauza lipsei de stabilitate și robustețe. De exemplu, sistemele complexe de fibre optice conțin procese multiple de tranziție între fibrele optice și optica în spațiu liber. Pot fi construite sisteme de amplificare cu fibre integrale, dar aceste sisteme nu ating performanța sistemelor care utilizează optica în vrac. Există și alte cazuri în care optica funcționează în apropierea pragurilor lor de deteriorare; cu toate acestea, pentru dispozitivele comerciale, sunt necesare asigurări mai mari de siguranță. O altă problemă este că sunt necesare niște materiale speciale, care sunt foarte greu de obținut.

Aplicație:
Amplificatoarele ultrarapide au multe aplicații:
Multe dispozitive sunt folosite pentru cercetarea de bază. Ele pot furniza impulsuri puternice pentru procese neliniare puternice, cum ar fi generarea de armonici de ordin înalt, sau pentru a accelera particulele la energii foarte mari.
Amplificatoarele ultrarapide mari sunt utilizate în cercetarea fuziunii induse de laser (fuziune inerțială de confinare, aprindere rapidă).
Impulsurile de picosecundă sau femtosecundă cu energii în milijouli sunt benefice în prelucrarea de precizie. De exemplu, impulsurile foarte scurte permit tăierea foarte fină și precisă a tablelor subțiri de metal.
Sistemele de amplificatoare ultrarapide sunt dificil de implementat în industrie datorită complexității și prețului ridicat și, uneori, din cauza lipsei de robustețe. În acest caz, sunt necesare dezvoltări mai avansate din punct de vedere tehnologic pentru a îmbunătăți situația.