Ultra hiter ojačevalnik

Opredelitev: ojačevalnik, ki ojača ultrakratke optične impulze.
Ultra hitri ojačevalniki so optični ojačevalniki, ki se uporabljajo za ojačanje ultrakratkih impulzov. Nekateri ultra hitri ojačevalniki se uporabljajo za ojačanje nizov impulzov z visoko hitrostjo ponovitve, da se doseže zelo visoka povprečna moč, medtem ko je energija impulza še vedno na zmernih ravneh, v drugih primerih pa impulzi z nižjo hitrostjo ponovitve pridobijo večjo moč in dobijo zelo visoko energijo impulzov ter relativno veliko konično moč. Ko so ti intenzivni impulzi osredotočeni na nekatere tarče, dobimo zelo visoke jakosti svetlobe, včasih celo večje od 1016âW/cm2.
Kot primer razmislite o izhodu načinno zaklenjenega laserja s hitrostjo ponavljanja impulza 100 MHz, dolžino 100 fs in povprečno močjo 0,1 W. Energija impulza je torej 0,1 W/100 MHz = 1 nJ in konična moč manjša od 10kW (glede na obliko impulza). Ojačevalnik visoke moči, ki deluje na celoten impulz, lahko poveča njegovo povprečno moč na 10 W in tako poveča energijo impulza na 100 nJ. Druga možnost je, da pred ojačevalnikom uporabite zajem impulza, da zmanjšate hitrost ponavljanja impulza na 1 kHz. Če visokozmogljivi ojačevalnik še vedno poveča povprečno moč na 10 W, potem je energija impulza v tem trenutku 10 mJ, konična moč pa lahko doseže 100 GW.

Posebne zahteve za ultra hitre ojačevalnike:
Ultra hitre naprave se poleg običajnih tehničnih podrobnosti optičnih ojačevalnikov srečujejo še z dodatnimi težavami:
Zlasti pri visokoenergijskih sistemih mora biti ojačanje ojačevalnika zelo veliko. Pri zgoraj obravnavanih ionih je potrebno ojačanje do 70 dB. Ker imajo enoprehodni ojačevalniki omejeno ojačanje, se običajno uporablja večkanalno delovanje. Z ojačevalniki s pozitivno povratno zvezo je mogoče doseči zelo visoke dobičke. Poleg tega se pogosto uporabljajo večstopenjski ojačevalniki (ojačevalne verige), kjer prva stopnja zagotavlja visoko ojačanje, zadnja stopnja pa je optimizirana za visoko impulzno energijo in učinkovito pridobivanje energije.
Visoko ojačenje na splošno pomeni tudi večjo občutljivost na nazaj odbito svetlobo (z izjemo ojačevalnikov s pozitivno povratno zvezo) in večjo nagnjenost k proizvajanju ojačane spontane emisije (ASE). ASE je mogoče do določene mere zatreti z namestitvijo optičnega stikala (akustično-optičnega modulatorja) med obe stopnji ojačevalnika. Ta stikala se odprejo le za zelo kratke časovne intervale okoli vrha ojačanega impulza. Vendar pa je ta časovni interval še vedno dolg v primerjavi z dolžino impulza, zato je dušenje hrupa ozadja ASE v bližini impulza malo verjetno. Optični parametrični ojačevalniki so v tem pogledu boljši, ker zagotavljajo ojačitev le, ko prehaja impulz črpalke. Svetloba, ki se širi nazaj, se ne ojača.
Ultrakratki impulzi imajo pomembno pasovno širino, ki jo je mogoče zmanjšati z učinkom zožitve ojačanja v ojačevalniku, kar ima za posledico daljše dolžine ojačenih impulzov. Ko je dolžina impulza manjša od desetin femtosekund, je potreben ultraširokopasovni ojačevalnik. Zoženje ojačanja je še posebej pomembno pri sistemih z visokim ojačanjem.
Zlasti pri sistemih z visoko energijo impulza lahko različni nelinearni učinki popačijo časovno in prostorsko obliko impulza ter celo poškodujejo ojačevalnik zaradi učinkov samofokusiranja. Učinkovit način za zatiranje tega učinka je uporaba ojačevalnika čirpiranih impulzov (CPA), kjer je impulz najprej disperzijsko razširjen na dolžino, na primer 1 ns, nato ojačan in na koncu disperzijsko stisnjen. Druga manj pogosta možnost je uporaba subpulznega ojačevalnika. Druga pomembna metoda je povečanje območja načina ojačevalnika, da se zmanjša intenzivnost svetlobe.
Pri enoprehodnih ojačevalnikih je učinkovita ekstrakcija energije možna le, če je dolžina impulza dovolj dolga, da omogoča impulznemu toku, da doseže nivoje nasičenega toka, ne da bi povzročil močne nelinearne učinke.
Različne zahteve za ultra hitre ojačevalnike se odražajo v razlikah v energiji impulza, dolžini impulza, stopnji ponavljanja, povprečni valovni dolžini itd. V skladu s tem je treba sprejeti različne naprave. Spodaj je nekaj tipičnih meritev uspešnosti, pridobljenih za različne vrste sistemov:
Ojačevalnik vlaken, dopiranih z iterbijem, lahko ojača niz impulzov 10ps pri 100MHz na povprečno moč 10W. (Sistem s to zmožnostjo se včasih imenuje ultrahitri optični laser, čeprav gre dejansko za napravo za ojačevanje moči z glavnim oscilatorjem.) Največje moči 10 kW je razmeroma enostavno doseči z uporabo ojačevalnikov z vlakni z velikimi območji načina. Toda s femtosekundnimi impulzi bi imel tak sistem zelo močne nelinearne učinke. Začenši s femtosekundnimi impulzi, ki jim sledi ojačitev čirpanih impulzov, je mogoče zlahka pridobiti energije nekaj mikrojoulov ali v skrajnih primerih več kot 1 mJ. Alternativni pristop je ojačanje paraboličnega impulza v vlaknu z normalno disperzijo, čemur sledi disperzijska kompresija impulza.
Večprehodni množični ojačevalnik, kot je ojačevalnik na osnovi Ti:Safirja, lahko zagotovi veliko območje načina, kar ima za posledico izhodne energije reda 1 J, z relativno nizkimi stopnjami ponavljanja impulzov, kot je 10 Hz. Raztezanje impulza za nekaj nanosekund je potrebno za zatiranje nelinearnih učinkov. Pozneje stisnjena na recimo 20 fs lahko največja moč doseže več deset teravatov (TW); najnaprednejši veliki sistemi lahko dosežejo konično moč, večjo od 1PW, kar je reda pikovatov. Manjši sistemi lahko na primer ustvarijo impulze 1 mJ pri 10 kHz. Dobiček večpasnega ojačevalnika je običajno reda 10 dB.
V ojačevalniku s pozitivno povratno zvezo je mogoče doseči visoko ojačenje več deset dB. Na primer, impulz 1 nJ je mogoče ojačati na 1 mJ z uporabo ojačevalnika s pozitivno povratno informacijo Ti:Sapphire. Poleg tega je za zatiranje nelinearnih učinkov potreben ojačevalnik čirpiranih impulzov.
Z uporabo ojačevalnika s pozitivno povratno zvezo, ki temelji na laserski glavi s tankim diskom, dopiranem z iterbijem, je mogoče impulze, dolžine manj kot 1 ps, ojačati na več sto mikrodžulov brez potrebe po CPA.
Parametrični ojačevalniki vlaken, ki jih črpajo z nanosekundnimi impulzi, ki jih generirajo laserji s preklopom Q, lahko ojačajo energijo raztegnjenega impulza na nekaj miljoulov. Pri enokanalnem delovanju je mogoče doseči visoko ojačanje več decibelov. Pri posebnih strukturah faznega ujemanja je pasovna širina ojačanja zelo velika, tako da je po disperzijski kompresiji mogoče dobiti zelo kratek impulz.
Specifikacije zmogljivosti komercialnih ultrahitrih ojačevalnih sistemov so pogosto precej pod najboljšimi zmogljivostmi, pridobljenimi v znanstvenih poskusih. V mnogih primerih je glavni razlog ta, da naprav in tehnik, uporabljenih v poskusih, pogosto ni mogoče uporabiti za komercialne naprave zaradi pomanjkanja stabilnosti in robustnosti. Na primer, kompleksni sistemi z optičnimi vlakni vsebujejo več prehodnih procesov med optičnimi vlakni in optiko prostega prostora. Lahko se izdelajo ojačevalni sistemi z vsemi vlakni, vendar ti sistemi ne dosegajo zmogljivosti sistemov, ki uporabljajo optiko v razsutem stanju. Obstajajo tudi drugi primeri, ko optika deluje blizu svojih pragov poškodb; vendar so za komercialne naprave potrebna višja varnostna zagotovila. Druga težava je, da so potrebni posebni materiali, ki jih je zelo težko dobiti.

Uporaba:
Ultra hitri ojačevalniki imajo veliko aplikacij:
Številne naprave se uporabljajo za osnovne raziskave. Zagotavljajo lahko močne impulze za močne nelinearne procese, kot je generiranje harmonikov visokega reda, ali za pospeševanje delcev do zelo visokih energij.
Veliki ultrahitri ojačevalniki se uporabljajo pri raziskavah za lasersko inducirano fuzijo (fuzija z inercijsko omejitvijo, hiter vžig).
Pikosekundni ali femtosekundni impulzi z energijami v milijoulih so koristni pri natančni obdelavi. Na primer, zelo kratki impulzi omogočajo zelo fino in natančno rezanje tankih kovinskih plošč.
Ultra hitre ojačevalne sisteme je težko implementirati v industriji zaradi njihove kompleksnosti in visoke cene, včasih pa tudi zaradi pomanjkanja robustnosti. V tem primeru je za izboljšanje stanja potreben tehnološko naprednejši razvoj.