Ultrahurtig forstærker

Definition: En forstærker, der forstærker ultrakorte optiske impulser.
Ultrahurtige forstærkere er optiske forstærkere, der bruges til at forstærke ultrakorte impulser. Nogle ultrahurtige forstærkere bruges til at forstærke pulstog med høj gentagelseshastighed for at få meget høj gennemsnitseffekt, mens pulsenergien stadig er på moderate niveauer, i andre tilfælde får pulser med lavere gentagelseshastighed mere forstærkning og får meget høj pulsenergi og relativt stor spidseffekt. Når disse intense pulser fokuseres på nogle mål, opnås meget høje lysintensiteter, nogle gange endda større end 1016âW/cm2.
Som et eksempel kan du overveje outputtet fra en tilstandslåst laser med en pulsgentagelseshastighed på 100 MHz, en længde på 100 fs og en gennemsnitlig effekt på 0,1 W. Så pulsenergien er 0,1W/100MHz=1nJ, og spidseffekt er mindre end 10kW (relateret til pulsformen). En højeffektforstærker, der virker på hele pulsen, kan øge sin gennemsnitlige effekt til 10W og dermed øge pulsenergien til 100nJ. Alternativt kan en pulsoptagelse bruges før forstærkeren for at reducere pulsgentagelseshastigheden til 1 kHz. Hvis højeffektforstærkeren stadig øger den gennemsnitlige effekt til 10W, så er pulsenergien 10mJ på dette tidspunkt, og spidseffekten kan nå 100GW.

Særlige krav til ultrahurtige forstærkere:
Ud over de sædvanlige tekniske detaljer om optiske forstærkere, står ultrahurtige enheder over for yderligere problemer:
Især for højenergisystemer skal forstærkerens forstærkning være meget stor. I de ovenfor diskuterede ioner kræves en forstærkning på op til 70dB. Da enkeltpasforstærkere er begrænset i forstærkning, anvendes der sædvanligvis multikanaldrift. Meget høje gevinster kan opnås med positive feedback-forstærkere. Derudover anvendes ofte flertrinsforstærkere (forstærkerkæder), hvor første trin giver høj forstærkning og sidste trin er optimeret til høj pulsenergi og effektiv energiudvinding.
Høj forstærkning betyder generelt også mere følsomhed over for tilbagereflekteret lys (med undtagelse af positive feedback-forstærkere) og en større tendens til at producere forstærket spontan emission (ASE). Til en vis grad kan ASE undertrykkes ved at placere en optisk switch (akusto-optisk modulator) mellem de to trin af forstærkere. Disse kontakter åbner kun i meget korte tidsintervaller omkring toppen af ​​den forstærkede puls. Dette tidsinterval er dog stadig langt sammenlignet med pulslængden, så det er usandsynligt at undertrykke ASE-baggrundsstøjen nær pulsen. Optiske parametriske forstærkere yder bedre i denne henseende, fordi de kun giver forstærkning, når pumpeimpulsen føres igennem. Bagudspredende lys forstærkes ikke.
Ultrakorte pulser har betydelig båndbredde, som kan reduceres af den forstærkningsindsnævrende effekt i forstærkeren, hvilket resulterer i længere forstærkede pulslængder. Når pulslængden er mindre end snesevis af femtosekunder, kræves en ultrabredbåndsforstærker. Forstærkningsindsnævring er især vigtig i højforstærkningssystemer.
Især for systemer med høje pulsenergier kan forskellige ikke-lineære effekter forvrænge pulsens tidsmæssige og rumlige form og endda beskadige forstærkeren på grund af selvfokuserende effekter. En effektiv måde at undertrykke denne effekt på er at bruge en chirped pulse amplifier (CPA), hvor pulsen først spredes til en længde på for eksempel 1 ns, derefter forstærkes og til sidst dispersionskomprimeres. Et andet mindre almindeligt alternativ er at bruge en sub-pulsforstærker. En anden vigtig metode er at øge forstærkerens tilstandsareal for at reducere lysintensiteten.
For enkeltpasforstærkere er effektiv energiudvinding kun mulig, hvis pulslængden er lang nok til at tillade pulsfluxen at nå mætningsfluxniveauer uden at forårsage stærke ikke-lineære effekter.
De forskellige krav til ultrahurtige forstærkere afspejles i forskelle i pulsenergi, pulslængde, gentagelseshastighed, gennemsnitlig bølgelængde osv. Derfor er det nødvendigt at anvende forskellige enheder. Nedenfor er nogle typiske præstationsmålinger opnået for forskellige typer systemer:
Den ytterbium-doterede fiberforstærker kan forstærke pulstoget på 10ps ved 100MHz til en gennemsnitlig effekt på 10W. (Et system med denne egenskab omtales nogle gange som en ultrahurtig fiberlaser, selvom det faktisk er en master-oscillator effektforstærker-enhed.) Spidseffekter på 10 kW er relativt nemme at opnå ved brug af fiberforstærkere med store tilstandsområder. Men med femtosekundpulser ville et sådant system have meget stærke ikke-lineære effekter. Startende med femtosekundpulser, efterfulgt af chirped pulsforstærkning, kan energier på nogle få mikrojoule let opnås, eller i ekstreme tilfælde større end 1 mJ. En alternativ fremgangsmåde er at forstærke en parabolsk puls i en fiber med normal dispersion, efterfulgt af dispersionskomprimering af pulsen.
En multi-pas bulk-forstærker, såsom en Ti:Sapphire-baseret forstærker, kan give et stort modusområde, hvilket resulterer i udgangsenergier i størrelsesordenen 1 J, med relativt lave pulsgentagelseshastigheder, såsom 10 Hz. Pulsstrækning med et par nanosekunder er nødvendig for at undertrykke ikke-lineære effekter. Senere komprimeret til at sige 20fs, kan spidseffekten nå op på snesevis af terawatt (TW); de mest avancerede store systemer kan opnå spidseffekt større end 1PW, hvilket er i størrelsesordenen pikowatt. Mindre systemer kan for eksempel generere 1 mJ pulser ved 10 kHz. Forstærkningen af ​​en multipasforstærker er normalt i størrelsesordenen 10dB.
En høj forstærkning på titusinder af dB kan opnås i en positiv feedback-forstærker. For eksempel kan en 1 nJ puls forstærkes til 1 mJ ved hjælp af en Ti:Sapphire positiv feedback forstærker. Derudover kræves der en kvidrende pulsforstærker for at undertrykke ikke-lineære effekter.
Ved at bruge en positiv feedback-forstærker baseret på et ytterbium-doteret tyndskivelaserhoved kan pulser på mindre end 1 ps i længden forstærkes til flere hundrede mikrojoule uden behov for CPA.
Fiberparametriske forstærkere pumpet med nanosekundpulser genereret af Q-switched lasere kan forstærke den strakte pulsenergi til adskillige millijoule. Høj forstærkning på flere decibel kan opnås i enkeltkanalsdrift. For specielle fasetilpasningsstrukturer er forstærkningsbåndbredden meget stor, så en meget kort puls kan opnås efter dispersionskomprimering.
Ydeevnespecifikationerne for kommercielle ultrahurtige forstærkersystemer er ofte langt under den bedste ydeevne opnået i videnskabelige eksperimenter. I mange tilfælde er hovedårsagen, at de enheder og teknikker, der anvendes i eksperimenterne, ofte ikke kan anvendes på kommercielle enheder på grund af deres manglende stabilitet og robusthed. For eksempel indeholder komplekse optiske fibersystemer flere overgangsprocesser mellem optiske fibre og frirumsoptik. All-fiber forstærker systemer kan konstrueres, men disse systemer opnår ikke ydeevnen af ​​systemer, der anvender bulk optik. Der er andre tilfælde, hvor optik fungerer tæt på deres skadestærskler; for kommercielle enheder kræves der dog højere sikkerhedsgarantier. Et andet problem er, at der kræves nogle specielle materialer, som er meget svære at skaffe.

Ansøgning:
Ultrahurtige forstærkere har mange anvendelsesmuligheder:
Mange enheder bruges til grundforskning. De kan give stærke impulser til stærke ikke-lineære processer, såsom generering af harmoniske af høj orden, eller til at accelerere partikler til meget høje energier.
Store ultrahurtige forstærkere bruges i forskningen til laser-induceret fusion (inertial indeslutningsfusion, hurtig tænding).
Picosecond- eller femtosecond-impulser med energier i millijoule er gavnlige ved præcisionsbearbejdning. For eksempel muliggør meget korte pulser meget fin og nøjagtig skæring af tynde metalplader.
Ultrahurtige forstærkersystemer er vanskelige at implementere i industrien på grund af deres kompleksitet og høje pris, og nogle gange på grund af deres manglende robusthed. I dette tilfælde er der behov for mere teknologisk avanceret udvikling for at forbedre situationen.