Ultrarask forsterker

Definisjon: En forsterker som forsterker ultrakorte optiske pulser.
Ultraraske forsterkere er optiske forsterkere som brukes til å forsterke ultrakorte pulser. Noen ultraraske forsterkere brukes til å forsterke pulstog med høy repetisjonshastighet for å få svært høy gjennomsnittseffekt mens pulsenergien fortsatt er på moderate nivåer, i andre tilfeller får pulser med lavere repetisjonshastighet mer forsterkning og får veldig høy pulsenergi og relativt stor toppeffekt. Når disse intense pulsene fokuseres på noen mål, oppnås svært høye lysintensiteter, noen ganger til og med større enn 1016âW/cm2.
Som et eksempel kan du vurdere utgangen til en moduslåst laser med en pulsrepetisjonshastighet på 100 MHz, en lengde på 100 fs og en gjennomsnittlig effekt på 0,1 W. Så pulsenergien er 0,1W/100MHz=1nJ, og toppeffekt er mindre enn 10kW (relatert til pulsformen). En høyeffektforsterker, som virker på hele pulsen, kan øke sin gjennomsnittlige effekt til 10W, og dermed øke pulsenergien til 100nJ. Alternativt kan en puls pickup brukes før forsterkeren for å redusere pulsrepetisjonshastigheten til 1 kHz. Hvis høyeffektforsterkeren fortsatt øker gjennomsnittseffekten til 10W, er pulsenergien 10mJ på dette tidspunktet, og toppeffekten kan nå 100GW.

Spesielle krav til ultraraske forsterkere:
I tillegg til de vanlige tekniske detaljene til optiske forsterkere, møter ultraraske enheter ytterligere problemer:
Spesielt for høyenergisystemer må forsterkeren til forsterkeren være veldig stor. I ionene diskutert ovenfor kreves en forsterkning på opptil 70dB. Siden enkeltpassforsterkere er begrenset i forsterkning, brukes vanligvis flerkanalsdrift. Svært høye gevinster kan oppnås med positive tilbakemeldingsforsterkere. I tillegg benyttes ofte flertrinnsforsterkere (forsterkerkjeder), hvor det første trinnet gir høy forsterkning og det siste trinnet er optimalisert for høy pulsenergi og effektiv energiutvinning.
Høy forsterkning betyr også generelt mer følsomhet for tilbakereflektert lys (med unntak av positive feedback-forsterkere) og en større tendens til å produsere forsterket spontan emisjon (ASE). Til en viss grad kan ASE undertrykkes ved å plassere en optisk bryter (akusto-optisk modulator) mellom de to trinnene til forsterkere. Disse bryterne åpner kun i svært korte tidsintervaller rundt toppen av den forsterkede pulsen. Imidlertid er dette tidsintervallet fortsatt langt sammenlignet med pulslengden, så det er usannsynlig å undertrykke ASE-bakgrunnsstøyen nær pulsen. Optiske parametriske forsterkere yter bedre i denne forbindelse fordi de bare gir forsterkning når pumpepulsen passeres gjennom. Bakoverforplantende lys forsterkes ikke.
Ultrakorte pulser har betydelig båndbredde, som kan reduseres av forsterkningsinnsnevringseffekten i forsterkeren, og dermed resultere i lengre forsterkede pulslengder. Når pulslengden er mindre enn titalls femtosekunder, kreves en ultrabredbåndsforsterker. Innsnevring av forsterkning er spesielt viktig i systemer med høy forsterkning.
Spesielt for systemer med høy pulsenergi kan ulike ikke-lineære effekter forvrenge den tidsmessige og romlige formen til pulsen, og til og med skade forsterkeren på grunn av selvfokuserende effekter. En effektiv måte å undertrykke denne effekten på er å bruke en chirped pulse amplifier (CPA), hvor pulsen først er spredning utvidet til en lengde på for eksempel 1 ns, deretter forsterket, og til slutt dispersjonskomprimert. Et annet mindre vanlig alternativ er å bruke en sub-pulsforsterker. En annen viktig metode er å øke modusområdet til forsterkeren for å redusere lysintensiteten.
For enkeltpassforsterkere er effektiv energiutvinning bare mulig hvis pulslengden er lang nok til at pulsfluksen kan nå metningsfluksnivåer uten å forårsake sterke ikke-lineære effekter.
De forskjellige kravene til ultraraske forsterkere gjenspeiles i forskjeller i pulsenergi, pulslengde, repetisjonshastighet, gjennomsnittlig bølgelengde osv. Følgelig må forskjellige enheter tas i bruk. Nedenfor er noen typiske ytelsesberegninger oppnådd for forskjellige typer systemer:
Den ytterbium-dopete fiberforsterkeren kan forsterke pulstoget på 10ps ved 100MHz til en gjennomsnittlig effekt på 10W. (Et system med denne egenskapen blir noen ganger referert til som en ultrarask fiberlaser, selv om det faktisk er en master oscillator effektforsterkerenhet.) Toppeffekter på 10 kW er relativt enkle å oppnå ved bruk av fiberforsterkere med store modusområder. Men med femtosekundpulser ville et slikt system ha veldig sterke ikke-lineære effekter. Starter med femtosekundpulser, etterfulgt av kvitrende pulsforsterkning, kan energier på noen få mikrojoule enkelt oppnås, eller i ekstreme tilfeller større enn 1 mJ. En alternativ tilnærming er å forsterke en parabolsk puls i en fiber med normal dispersjon, etterfulgt av dispersjonskomprimering av pulsen.
En multipass bulkforsterker, slik som en Ti:Sapphire-basert forsterker, kan gi et stort modusområde, noe som resulterer i utgangsenergier i størrelsesorden 1 J, med relativt lave pulsrepetisjonshastigheter, slik som 10 Hz. Pulsstrekking med noen få nanosekunder er nødvendig for å undertrykke ikke-lineære effekter. Senere komprimert til å si 20fs, kan toppeffekten nå titalls terawatt (TW); de mest avanserte store systemene kan oppnå toppeffekt større enn 1PW, som er i størrelsesorden pikowatt. Mindre systemer kan for eksempel generere 1 mJ pulser ved 10 kHz. Forsterkningen til en flerpassforsterker er vanligvis i størrelsesorden 10dB.
En høy forsterkning på titalls dB kan oppnås i en positiv tilbakekoblingsforsterker. For eksempel kan en 1 nJ puls forsterkes til 1 mJ ved å bruke en Ti:Sapphire positiv tilbakemeldingsforsterker. I tillegg kreves det en kvitrende pulsforsterker for å undertrykke ikke-lineære effekter.
Ved å bruke en positiv tilbakemeldingsforsterker basert på et ytterbium-dopet tynnskivelaserhode, kan pulser mindre enn 1 ps i lengde forsterkes til flere hundre mikrojoule uten behov for CPA.
Fiberparametriske forsterkere pumpet med nanosekundpulser generert av Q-svitsjede lasere kan forsterke den strakte pulsenergien til flere millijoule. Høy forsterkning på flere desibel kan oppnås i enkanalsdrift. For spesielle fasetilpasningsstrukturer er forsterkningsbåndbredden veldig stor, så en veldig kort puls kan oppnås etter dispersjonskomprimering.
Ytelsesspesifikasjonene til kommersielle ultraraske forsterkersystemer er ofte godt under den beste ytelsen oppnådd i vitenskapelige eksperimenter. I mange tilfeller er hovedårsaken at enhetene og teknikkene som brukes i eksperimentene ofte ikke kan brukes på kommersielle enheter på grunn av deres manglende stabilitet og robusthet. For eksempel inneholder komplekse optiske fibersystemer flere overgangsprosesser mellom optiske fibre og ledig plassoptikk. Helfiberforsterkersystemer kan konstrueres, men disse systemene oppnår ikke ytelsen til systemer som bruker bulkoptikk. Det er andre tilfeller der optikk opererer nær skadeterskler; For kommersielle enheter kreves det imidlertid høyere sikkerhetsgarantier. Et annet problem er at det kreves noen spesielle materialer, som er svært vanskelige å få tak i.

Applikasjon:
Ultraraske forsterkere har mange bruksområder:
Mange enheter brukes til grunnforskning. De kan gi sterke pulser for sterke ikke-lineære prosesser, for eksempel generering av harmoniske av høy orden, eller for å akselerere partikler til svært høye energier.
Store ultraraske forsterkere brukes i forskning for laserindusert fusjon (inertial confinement fusion, rask tenning).
Pikosekund- eller femtosekundpulser med energier i millijoule er fordelaktige ved presisjonsbearbeiding. For eksempel gir svært korte pulser svært fin og nøyaktig kutting av tynne metallplater.
Ultraraske forsterkersystemer er vanskelige å implementere i industrien på grunn av deres kompleksitet og høye pris, og noen ganger på grunn av deres mangel på robusthet. I dette tilfellet er det nødvendig med mer teknologisk avansert utvikling for å forbedre situasjonen.