Ultranopea vahvistin

Määritelmä: Vahvistin, joka vahvistaa ultralyhyitä optisia pulsseja.
Ultrafast-vahvistimet ovat optisia vahvistimia, joita käytetään vahvistamaan ultralyhyitä pulsseja. Joitakin ultranopeita vahvistimia käytetään suuren toistotaajuuden pulssijonojen vahvistamiseen erittäin suuren keskimääräisen tehon saamiseksi pulssienergian ollessa edelleen kohtalaisella tasolla, toisissa tapauksissa pienemmän toistotaajuuden pulssit saavat enemmän vahvistusta ja saavat erittäin korkean pulssienergian ja suhteellisen suuren huipputehon. Kun nämä voimakkaat pulssit kohdistetaan joihinkin kohteisiin, saadaan erittäin korkea valovoimakkuus, joskus jopa suurempi kuin 1016âW/cm2.
Tarkastellaan esimerkkinä tilalukitun laserin lähtöä, jonka pulssin toistotaajuus on 100 MHz, pituus 100 fs ja keskimääräinen teho 0,1 W. Pulssin energia on siis 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, ja huipputeho on alle 10 kW (suhteessa pulssin muotoon). Suuritehoinen vahvistin, joka vaikuttaa koko pulssiin, voi nostaa keskimääräisen tehonsa 10 W:iin, jolloin pulssienergia nousee 100 nJ:iin. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää pulssinottoa ennen vahvistinta pulssin toistotaajuuden pienentämiseksi 1 kHz:iin. Jos suuritehoinen vahvistin nostaa edelleen keskitehon 10 W:iin, pulssienergia on tällä hetkellä 10 mJ ja huipputeho voi olla 100 GW.

Erityisvaatimukset ultranopeille vahvistimille:
Optisten vahvistimien tavanomaisten teknisten yksityiskohtien lisäksi ultranopeilla laitteilla on lisäongelmia:
Erityisesti korkean energian järjestelmissä vahvistimen vahvistuksen on oltava erittäin suuri. Yllä käsitellyistä ioneista vaaditaan jopa 70 dB:n vahvistus. Koska yksipäästövahvistimien vahvistus on rajoitettu, käytetään yleensä monikanavaista toimintaa. Positiivisilla palautevahvistimilla voidaan saavuttaa erittäin suuria voittoja. Lisäksi käytetään usein monivaiheisia vahvistimia (vahvistinketjuja), joissa ensimmäinen vaihe tuottaa suuren vahvistuksen ja viimeinen vaihe on optimoitu korkeaa pulssienergiaa ja tehokasta energianottoa varten.
Suuri vahvistus tarkoittaa yleensä myös suurempaa herkkyyttä takaisin heijastuneelle valolle (poikkeuksena positiivisen takaisinkytkentävahvistimet) ja suurempaa taipumusta tuottaa vahvistettu spontaani emissio (ASE). Tietyssä määrin ASE voidaan vaimentaa sijoittamalla optinen kytkin (akusto-optinen modulaattori) vahvistimien kahden asteen väliin. Nämä kytkimet avautuvat vain hyvin lyhyiksi aikaväleiksi vahvistetun pulssin huipun ympärillä. Tämä aikaväli on kuitenkin edelleen pitkä pulssin pituuteen verrattuna, joten ASE-taustakohinan vaimentaminen pulssin lähellä on epätodennäköistä. Optiset parametriset vahvistimet toimivat tässä suhteessa paremmin, koska ne antavat vahvistuksen vain, kun pumppupulssi kulkee läpi. Takaisin etenevää valoa ei vahvisteta.
Ultralyhyillä pulsseilla on merkittävä kaistanleveys, jota voidaan pienentää vahvistimen vahvistusta kaventavalla vaikutuksella, mikä johtaa pidempiin vahvistettujen pulssien pituuksiin. Kun pulssin pituus on alle kymmeniä femtosekunteja, tarvitaan ultralaajakaistavahvistin. Vahvistuksen kaventaminen on erityisen tärkeää korkean vahvistuksen järjestelmissä.
Erityisesti järjestelmissä, joissa on korkea pulssienergia, erilaiset epälineaariset efektit voivat vääristää pulssin ajallista ja spatiaalista muotoa ja jopa vahingoittaa vahvistinta itsetarkennusefektien takia. Tehokas tapa vaimentaa tämä vaikutus on käyttää chirped pulse amplifier (CPA), jossa pulssi ensin dispersio levennetään pituudeltaan esimerkiksi 1 ns, sitten vahvistetaan ja lopuksi dispersiokompressoidaan. Toinen vähemmän yleinen vaihtoehto on alipulssivahvistimen käyttö. Toinen tärkeä tapa on suurentaa vahvistimen tila-aluetta valon intensiteetin vähentämiseksi.
Yksipäästövahvistimissa tehokas energianotto on mahdollista vain, jos pulssin pituus on riittävän pitkä, jotta pulssivuo saavuttaa kyllästysvuon ilman, että se aiheuttaa voimakkaita epälineaarisia vaikutuksia.
Ultranopeiden vahvistimien erilaiset vaatimukset näkyvät pulssienergian, pulssin pituuden, toistotaajuuden, keskimääräisen aallonpituuden jne. eroina. Tämän mukaisesti on käytettävä erilaisia ​​laitteita. Alla on joitain tyypillisiä suorituskykymittareita, jotka on saatu erityyppisille järjestelmille:
Ytterbium-seostettu kuituvahvistin voi vahvistaa 10 ps:n pulssijonon 100 MHz:n keskimääräiseen tehoon 10 W. (Järjestelmää, jossa on tämä ominaisuus, kutsutaan joskus ultranopeiksi kuitulaseriksi, vaikka se onkin itse asiassa pääoskillaattoritehovahvistin.) 10 kW:n huipputehot ovat suhteellisen helppoja saavuttaa käyttämällä kuituvahvistimia, joilla on suuri tila. Mutta femtosekuntien pulsseilla tällaisella järjestelmällä olisi erittäin voimakkaita epälineaarisia vaikutuksia. Alkaen femtosekuntien pulsseista, jota seuraa sirkutettu pulssivahvistus, voidaan helposti saada muutaman mikrojoulen energiat, tai äärimmäisissä tapauksissa yli 1 mJ. Vaihtoehtoinen lähestymistapa on vahvistaa parabolista pulssia kuidussa normaalilla dispersiolla, mitä seuraa pulssin dispersiokompressio.
Monipäästöinen bulkkivahvistin, kuten Ti:Sapphire-pohjainen vahvistin, voi tarjota suuren tila-alueen, mikä johtaa luokkaa 1 J lähtöenergiaan suhteellisen alhaisilla pulssin toistotiheydillä, kuten 10 Hz. Pulssin venyttely muutaman nanosekunnin verran on välttämätöntä epälineaaristen vaikutusten vaimentamiseksi. Myöhemmin 20fs:iin pakattuna huipputeho voi nousta kymmeniin terawatteihin (TW); edistyneimmät suuret järjestelmät voivat saavuttaa yli 1 PW:n huipputehon, joka on piwattien luokkaa. Esimerkiksi pienemmät järjestelmät voivat tuottaa 1 mJ pulsseja 10 kHz:llä. Monipäästövahvistimen vahvistus on yleensä luokkaa 10 dB.
Positiivisella takaisinkytkentävahvistimella voidaan saavuttaa suuri kymmenien dB:ien vahvistus. Esimerkiksi 1 nJ:n pulssi voidaan vahvistaa 1 mJ:iin käyttämällä Ti:Sapphire-positiivista takaisinkytkentävahvistinta. Lisäksi tarvitaan sirkutettu pulssivahvistin epälineaaristen vaikutusten vaimentamiseen.
Ytterbium-seostettuun ohutlevylaserpäähän perustuvalla positiivisella takaisinkytkentävahvistimella alle 1 ps:n pituiset pulssit voidaan vahvistaa useisiin satoihin mikrojouleihin ilman CPA:ta.
Kuituparametriset vahvistimet, jotka pumpataan nanosekunnin pulsseilla Q-kytkentäisten lasereiden tuottamilla pulsseilla, voivat vahvistaa venytetyn pulssin energian useisiin millijouleihin. Yksikanavaisessa käytössä voidaan saavuttaa useiden desibelien suuri vahvistus. Erityisissä vaihesovitusrakenteissa vahvistuskaistanleveys on erittäin suuri, joten dispersiokompression jälkeen voidaan saada hyvin lyhyt pulssi.
Kaupallisten ultranopeiden vahvistinjärjestelmien suorituskykyvaatimukset ovat usein selvästi alle tieteellisissä kokeissa saavutetun parhaan suorituskyvyn. Monissa tapauksissa pääasiallinen syy on se, että kokeissa käytettyjä laitteita ja tekniikoita ei useinkaan voida soveltaa kaupallisiin laitteisiin niiden vakauden ja kestävyyden puutteen vuoksi. Esimerkiksi monimutkaiset optiset kuitujärjestelmät sisältävät useita siirtymäprosesseja optisten kuitujen ja vapaan tilan optiikan välillä. Täyskuituisia vahvistinjärjestelmiä voidaan rakentaa, mutta nämä järjestelmät eivät saavuta bulkkioptiikkaa käyttävien järjestelmien suorituskykyä. On myös muita tapauksia, joissa optiikka toimii lähellä vauriokynnystä; kaupallisilta laitteilta vaaditaan kuitenkin korkeampia turvallisuustakuita. Toinen ongelma on, että tarvitaan joitain erikoismateriaaleja, joita on erittäin vaikea saada.

Sovellus:
Ultranopeilla vahvistimilla on monia sovelluksia:
Perustutkimuksessa käytetään monia laitteita. Ne voivat tarjota voimakkaita pulsseja vahvoihin epälineaarisiin prosesseihin, kuten korkean kertaluokan harmonisten muodostumiseen, tai hiukkasten kiihdyttämiseen erittäin suuriin energioihin.
Suuria ultranopeita vahvistimia käytetään laser-indusoidun fuusion tutkimuksessa (inertiaalinen fuusio, nopea sytytys).
Piko- tai femtosekuntipulssit, joiden energia on millijoulea, ovat hyödyllisiä tarkkuuskoneistuksessa. Esimerkiksi erittäin lyhyet pulssit mahdollistavat erittäin hienon ja tarkan ohuiden metallilevyjen leikkaamisen.
Ultranopeita vahvistinjärjestelmiä on vaikea toteuttaa teollisuudessa niiden monimutkaisuuden ja korkean hinnan vuoksi, ja joskus niiden kestävyyden puutteen vuoksi. Tässä tapauksessa tarvitaan teknologisesti edistyneempää kehitystä tilanteen parantamiseksi.