Ултрабрзо појачало

Дефиниција: Појачало које појачава ултракратке оптичке импулсе.
Ултрабрзи појачивачи су оптички појачивачи који се користе за појачавање ултракратких импулса. Неки ултрабрзи појачивачи се користе за појачавање низова импулса са великом брзином понављања да би се добила веома висока просечна снага док је енергија импулса још увек на умереним нивоима, у другим случајевима импулси са нижом стопом понављања добијају више појачања и добијају веома високу енергију импулса и релативно велику вршну снагу. Када се ови интензивни импулси фокусирају на неке мете, добијају се веома високи интензитети светлости, понекад чак и већи од 1016аВ/цм2.
Као пример, размотрите излаз ласера ​​са закључавањем мода са стопом понављања импулса од 100 МХз, дужином од 100 фс и просечном снагом од 0,1 В. Дакле, енергија импулса је 0,1В/100МХз=1нЈ, а вршна снага је мања од 10кВ (везано за облик импулса). Појачавач велике снаге, који делује на цео импулс, може повећати своју просечну снагу на 10В, повећавајући тако енергију импулса на 100нЈ. Алтернативно, пулсни пријемник се може користити пре појачала да се смањи стопа понављања импулса на 1 кХз. Ако појачало велике снаге и даље повећава просечну снагу на 10В, тада је енергија импулса 10мЈ у овом тренутку, а вршна снага може достићи 100ГВ.

Посебни захтеви за ултра брза појачала:
Поред уобичајених техничких детаља оптичких појачала, ултрабрзи уређаји се суочавају са додатним проблемима:
Посебно за системе високе енергије, појачање појачала мора бити веома велико. У горе наведеним јонима, потребно је појачање до 70 дБ. Пошто су појачала са једним пролазом ограничена у појачању, обично се користи вишеканални рад. Веома високи добици се могу постићи са појачавачима са позитивном повратном спрегом. Поред тога, често се користе вишестепени појачивачи (ланци појачала), где први степен обезбеђује високо појачање, а последњи степен је оптимизован за високу енергију импулса и ефикасно извлачење енергије.
Високо појачање такође генерално значи већу осетљивост на позади рефлектовану светлост (са изузетком појачивача са позитивном повратном спрегом) и већу склоност ка стварању појачане спонтане емисије (АСЕ). У одређеној мери, АСЕ се може потиснути постављањем оптичког прекидача (акусто-оптичког модулатора) између два степена појачала. Ови прекидачи се отварају само у веома кратким временским интервалима око врха појачаног импулса. Међутим, овај временски интервал је и даље дуг у поређењу са дужином импулса, тако да је сузбијање позадинског шума АСЕ близу импулса мало вероватно. Оптички параметарски појачивачи раде боље у овом погледу јер дају појачање само када се прође импулс пумпе. Светлост која се шири уназад није појачана.
Ултракратки импулси имају значајан пропусни опсег, који се може смањити ефектом сужавања појачања у појачалу, што резултира дужим појачаним импулсима. Када је дужина импулса мања од десетина фемтосекунди, потребно је ултра-широкопојасно појачало. Сужавање појачања је посебно важно у системима са високим појачањем.
Посебно за системе са високим енергијама импулса, различити нелинеарни ефекти могу да искриве временски и просторни облик импулса, па чак и да оштете појачало услед ефеката самофокусирања. Ефикасан начин за сузбијање овог ефекта је коришћење појачавача импулса са чирпираним импулсима (ЦПА), где се импулс прво шири дисперзијом на дужину од, на пример, 1 нс, затим појачава и на крају дисперзију компресује. Друга мање уобичајена алтернатива је употреба суб-пулсног појачала. Још један важан метод је да се повећа област режима појачала да би се смањио интензитет светлости.
За појачиваче са једним пролазом, ефикасна екстракција енергије је могућа само ако је дужина импулса довољно дуга да омогући пулсном флуксу да достигне нивое флукса засићења без изазивања јаких нелинеарних ефеката.
Различити захтеви за ултрабрзе појачиваче се огледају у разликама у енергији импулса, дужини импулса, стопи понављања, просечној таласној дужини, итд. Сходно томе, потребно је усвојити различите уређаје. Испод су неке типичне метрике учинка добијене за различите типове система:
Појачало са влакнима са итербијумом може појачати низ импулса од 10пс на 100МХз до просечне снаге од 10В. (Систем са овом способношћу се понекад назива ултрабрзи ласер са влакнима, иако је заправо уређај за појачало снаге главног осцилатора.) Вршне снаге од 10 кВ релативно је лако постићи коришћењем оптичких појачала са великим површинама мода. Али са фемтосекундним импулсима, такав систем би имао веома јаке нелинеарне ефекте. Почевши од фемтосекундних импулса, праћених појачањем чирпованог импулса, лако се могу добити енергије од неколико микроџула, или у екстремним случајевима веће од 1 мЈ. Алтернативни приступ је појачавање параболичног импулса у влакну са нормалном дисперзијом, након чега следи дисперзиона компресија импулса.
Мулти-пасс булк појачало, као што је појачало засновано на Ти:Сафиру, може да обезбеди велику област мода, што резултира излазном енергијом реда величине 1 Ј, са релативно ниским стопама понављања импулса, као што је 10 Хз. Импулсно истезање за неколико наносекунди је неопходно да би се сузбили нелинеарни ефекти. Касније компримована на рецимо 20фс, вршна снага може да достигне десетине теравата (ТВ); најнапреднији велики системи могу постићи вршну снагу већу од 1ПВ, што је реда величине пиковата. Мањи системи, на пример, могу да генеришу импулсе од 1 мЈ на 10 кХз. Појачање вишепролазног појачала је обично реда величине 10 дБ.
Високо појачање од десетина дБ може се добити у појачавачу са позитивном повратном спрегом. На пример, импулс од 1 нЈ може се појачати на 1 мЈ коришћењем Ти:Сафирног појачивача са позитивном повратном спрегом. Поред тога, за сузбијање нелинеарних ефеката потребно је појачало чирпираних импулса.
Коришћењем појачавача са позитивном повратном спрегом заснованог на ласерској глави са танким диском допираном итербијумом, импулси дужине мање од 1 пс могу се појачати на неколико стотина микроџула без потребе за ЦПА.
Параметарски појачивачи влакана који се пумпају наносекундним импулсима генерисаним ласерима са преклопним К могу појачати енергију истегнутог импулса на неколико милиџула. Високо појачање од неколико децибела може се постићи у једноканалном раду. За специјалне структуре за усклађивање фаза, ширина опсега појачања је веома велика, тако да се после компресије дисперзије може добити веома кратак импулс.
Спецификације перформанси комерцијалних ултрабрзих система појачала често су знатно испод најбољих перформанси добијених у научним експериментима. У многим случајевима, главни разлог је тај што се уређаји и технике коришћене у експериментима често не могу применити на комерцијалне уређаје због недостатка стабилности и робусности. На пример, сложени системи оптичких влакана садрже вишеструке прелазне процесе између оптичких влакана и оптике слободног простора. Могу се конструисати системи за појачавање са целим влакнима, али ови системи не постижу перформансе система који користе оптику. Постоје и други случајеви када оптика ради близу својих прагова оштећења; међутим, за комерцијалне уређаје, потребна су већа сигурносна јамства. Други проблем је што су потребни неки посебни материјали које је веома тешко набавити.

Апликација:
Ултрабрза појачала имају много апликација:
Многи уређаји се користе за основна истраживања. Они могу да обезбеде снажне импулсе за јаке нелинеарне процесе, као што је генерисање хармоника високог реда, или да убрзају честице до веома високих енергија.
Велики ултрабрзи појачивачи се користе у истраживањима за ласерски индуковану фузију (фузија инерцијалног ограничења, брзо паљење).
Пикосекундни или фемтосекундни импулси са енергијама у милиџулима су корисни у прецизној машинској обради. На пример, веома кратки импулси омогућавају веома фино и прецизно сечење танких лимова.
Ултрабрзи системи појачала су тешко имплементирани у индустрији због њихове сложености и високе цене, а понекад и због недостатка робусности. У овом случају, потребни су технолошки напреднији развоји да би се ситуација побољшала.