Свръхбърз усилвател

Определение: усилвател, който усилва ултракъсите оптични импулси.
Свръхбързите усилватели са оптични усилватели, използвани за усилване на ултракъси импулси. Някои свръхбързи усилватели се използват за усилване на импулсни поредици с висока честота на повторение, за да се получи много висока средна мощност, докато импулсната енергия е все още на умерени нива, в други случаи импулсите с по-ниска честота на повторение получават повече печалба и получават много висока енергия на импулсите и относително голяма пикова мощност. Когато тези интензивни импулси се фокусират върху някои цели, се получават много високи интензитети на светлината, понякога дори по-големи от 1016âW/cm2.
Като пример, помислете за изхода на лазер със заключен режим с честота на повторение на импулса от 100 MHz, дължина от 100 fs и средна мощност от 0,1 W. Така че енергията на импулса е 0,1 W/100 MHz = 1nJ, а пиковата мощност е по-малка от 10kW (свързана с формата на импулса). Усилвател с висока мощност, действащ върху целия импулс, може да увеличи средната си мощност до 10W, като по този начин увеличи енергията на импулса до 100nJ. Като алтернатива може да се използва импулсен датчик преди усилвателя, за да се намали честотата на повторение на импулса до 1 kHz. Ако усилвателят с висока мощност все още увеличава средната мощност до 10 W, тогава импулсната енергия е 10 mJ в този момент, а пиковата мощност може да достигне 100 GW.

Специални изисквания за ултрабързи усилватели:
В допълнение към обичайните технически подробности за оптичните усилватели, свръхбързите устройства се сблъскват с допълнителни проблеми:
Особено за високоенергийни системи, усилването на усилвателя трябва да бъде много голямо. В йоните, обсъдени по-горе, е необходимо усилване до 70dB. Тъй като еднопроходните усилватели са с ограничено усилване, обикновено се използва многоканална работа. Много високи печалби могат да бъдат постигнати с усилватели с положителна обратна връзка. Освен това често се използват многостъпални усилватели (усилвателни вериги), където първият етап осигурява високо усилване, а последният етап е оптимизиран за висока импулсна енергия и ефективно извличане на енергия.
Високото усилване обикновено означава и по-голяма чувствителност към обратно отразена светлина (с изключение на усилвателите с положителна обратна връзка) и по-голяма склонност към производство на усилено спонтанно излъчване (ASE). До известна степен ASE може да бъде потисната чрез поставяне на оптичен превключвател (акустооптичен модулатор) между двата етапа на усилвателите. Тези ключове се отварят само за много кратки интервали от време около пика на усиления импулс. Въпреки това, този интервал от време все още е дълъг в сравнение с дължината на импулса, така че потискането на фоновия шум на ASE в близост до импулса е малко вероятно. Оптичните параметрични усилватели се представят по-добре в това отношение, тъй като осигуряват усилване само когато импулсът на помпата премине през тях. Обратно разпространяващата се светлина не се усилва.
Свръхкъсите импулси имат значителна честотна лента, която може да бъде намалена от ефекта на стесняване на усилването в усилвателя, което води до по-дълги усилени дължини на импулса. Когато дължината на импулса е по-малка от десетки фемтосекунди, е необходим ултрашироколентов усилвател. Стесняването на усилването е особено важно при системи с високо усилване.
Особено за системи с високи импулсни енергии, различни нелинейни ефекти могат да изкривят времевата и пространствена форма на импулса и дори да повредят усилвателя поради ефекти на самофокусиране. Ефективен начин за потискане на този ефект е да се използва усилвател на чирпирани импулси (CPA), където импулсът първо се разширява дисперсионно до дължина от, например, 1 ns, след това се усилва и накрая се компресира дисперсията. Друга по-рядко срещана алтернатива е използването на субимпулсен усилвател. Друг важен метод е да се увеличи областта на режима на усилвателя, за да се намали интензитета на светлината.
За еднопроходни усилватели ефективното извличане на енергия е възможно само ако дължината на импулса е достатъчно дълга, за да позволи на импулсния поток да достигне нивата на потока на насищане, без да причинява силни нелинейни ефекти.
Различните изисквания за свръхбързи усилватели се отразяват в разликите в импулсната енергия, дължината на импулса, честотата на повторение, средната дължина на вълната и т.н. Съответно, трябва да се използват различни устройства. По-долу са някои типични показатели за ефективност, получени за различни типове системи:
Усилвателят с влакна с добавка на итербий може да усили импулсната поредица от 10ps при 100MHz до средна мощност от 10W. (Система с тази способност понякога се нарича ултрабърз влакнест лазер, въпреки че всъщност е устройство за усилвател на мощност с главен осцилатор.) Пикови мощности от 10 kW са относително лесни за постигане, като се използват усилватели с влакна с големи области на режима. Но с фемтосекундни импулси, такава система би имала много силни нелинейни ефекти. Започвайки с фемтосекундни импулси, последвани от усилване на чирпирани импулси, могат лесно да се получат енергии от няколко микроджаула или в екстремни случаи по-големи от 1 mJ. Алтернативен подход е да се усили параболичен импулс във влакно с нормална дисперсия, последвано от дисперсионна компресия на импулса.
Многопроходен масов усилвател, като например базиран на Ti:Sapphire усилвател, може да осигури голяма площ на режима, което води до изходни енергии от порядъка на 1 J, с относително ниски честоти на повторение на импулса, като 10 Hz. Разтягането на импулса с няколко наносекунди е необходимо за потискане на нелинейните ефекти. По-късно компресирана до 20fs, пиковата мощност може да достигне десетки терават (TW); най-модерните големи системи могат да постигнат пикова мощност, по-голяма от 1PW, което е от порядъка на пиковата. По-малките системи, например, могат да генерират 1 mJ импулси при 10 kHz. Усилването на многопроходен усилвател обикновено е от порядъка на 10 dB.
Голямо усилване от десетки dB може да се получи в усилвател с положителна обратна връзка. Например, 1 nJ импулс може да бъде усилен до 1 mJ с помощта на Ti:Sapphire усилвател с положителна обратна връзка. Освен това е необходим усилвател на чирпирани импулси за потискане на нелинейните ефекти.
Използвайки усилвател с положителна обратна връзка, базиран на лазерна глава с тънък диск с добавка на итербий, импулсите с дължина под 1 ps могат да бъдат усилени до няколкостотин микроджаула без необходимост от CPA.
Оптични параметрични усилватели, изпомпвани с наносекундни импулси, генерирани от Q-switched лазери, могат да усилят енергията на разтегнатия импулс до няколко милиджаула. Високо усилване от няколко децибела може да се постигне при едноканална работа. За специални структури за фазово съвпадение честотната лента на усилването е много голяма, така че може да се получи много кратък импулс след дисперсионна компресия.
Спецификациите на производителността на търговски ултрабързи усилвателни системи често са доста под най-добрата производителност, получена при научни експерименти. В много случаи основната причина е, че устройствата и техниките, използвани в експериментите, често не могат да бъдат приложени към търговски устройства поради липсата им на стабилност и здравина. Например сложните системи с оптични влакна съдържат множество преходни процеси между оптични влакна и оптика за свободно пространство. Могат да бъдат конструирани изцяло влакнести усилвателни системи, но тези системи не постигат производителността на системите, използващи обемна оптика. Има и други случаи, при които оптиката работи близо до своите прагове на повреда; за търговски устройства обаче се изискват по-високи гаранции за безопасност. Друг проблем е, че са необходими някои специални материали, които се набавят много трудно.

Приложение:
Свръхбързите усилватели имат много приложения:
Много устройства се използват за основни изследвания. Те могат да осигурят силни импулси за силни нелинейни процеси, като генериране на хармоници от висок порядък, или за ускоряване на частици до много високи енергии.
Големи свръхбързи усилватели се използват в изследванията за лазерно индуциран термоядрен синтез (инерционен термоядрен синтез, бързо запалване).
Пикосекундни или фемтосекундни импулси с енергии в милиджаули са полезни при прецизна обработка. Например много късите импулси позволяват много фино и точно рязане на тънки метални листове.
Свръхбързите усилвателни системи са трудни за внедряване в индустрията поради тяхната сложност и висока цена, а понякога и поради липсата им на здравина. В този случай са необходими по-напреднали в технологично отношение разработки, за да се подобри ситуацията.