Ultra rýchly zosilňovač

Definícia: Zosilňovač, ktorý zosilňuje ultrakrátke optické impulzy.
Ultrarýchle zosilňovače sú optické zosilňovače používané na zosilnenie ultrakrátkych impulzov. Niektoré ultrarýchle zosilňovače sa používajú na zosilnenie sledov impulzov s vysokou frekvenciou opakovania, aby sa dosiahol veľmi vysoký priemerný výkon, zatiaľ čo energia impulzu je stále na strednej úrovni, v iných prípadoch impulzy s nižšou frekvenciou opakovania získajú väčší zisk a získajú veľmi vysokú energiu impulzov a relatívne veľký špičkový výkon. Keď sú tieto intenzívne impulzy zamerané na niektoré ciele, získajú sa veľmi vysoké intenzity svetla, niekedy dokonca vyššie ako 1016âW/cm2.
Ako príklad uvažujme výstup lasera s uzamknutým režimom s frekvenciou opakovania impulzov 100 MHz, dĺžkou 100 fs a priemerným výkonom 0,1 W. Energia impulzu je teda 0,1 W/100 MHz = 1 nJ a špičkový výkon je menší ako 10 kW (vzťahuje sa na tvar impulzu). Vysokovýkonný zosilňovač, pôsobiaci na celý impulz, môže zvýšiť svoj priemerný výkon na 10W, čím sa zvýši energia impulzu na 100nJ. Alternatívne je možné použiť impulzný snímač pred zosilňovačom na zníženie frekvencie opakovania impulzov na 1 kHz. Ak vysokovýkonný zosilňovač stále zvyšuje priemerný výkon na 10 W, potom je energia impulzu v tomto čase 10 mJ a špičkový výkon môže dosiahnuť 100 GW.

Špeciálne požiadavky na ultrarýchle zosilňovače:
Okrem bežných technických detailov optických zosilňovačov čelia ultrarýchle zariadenia aj ďalším problémom:
Najmä pre vysokoenergetické systémy musí byť zisk zosilňovača veľmi veľký. Vo vyššie diskutovaných iónoch je potrebný zisk až 70 dB. Pretože jednopriechodové zosilňovače majú obmedzený zisk, zvyčajne sa používa viackanálová prevádzka. Veľmi vysoké zisky je možné dosiahnuť pomocou zosilňovačov s pozitívnou spätnou väzbou. Okrem toho sa často používajú viacstupňové zosilňovače (reťazce zosilňovačov), kde prvý stupeň poskytuje vysoký zisk a posledný stupeň je optimalizovaný pre vysokú energiu impulzov a efektívnu extrakciu energie.
Vysoký zisk tiež vo všeobecnosti znamená väčšiu citlivosť na spätne odrazené svetlo (s výnimkou zosilňovačov s pozitívnou spätnou väzbou) a väčšiu tendenciu vytvárať zosilnenú spontánnu emisiu (ASE). Do určitej miery možno ASE potlačiť umiestnením optického prepínača (akusticko-optického modulátora) medzi dva stupne zosilňovačov. Tieto spínače sa otvárajú len na veľmi krátke časové intervaly okolo vrcholu zosilneného impulzu. Tento časový interval je však v porovnaní s dĺžkou impulzu stále dlhý, takže potlačenie šumu pozadia ASE v blízkosti impulzu je nepravdepodobné. Optické parametrické zosilňovače sú v tomto ohľade lepšie, pretože poskytujú zosilnenie iba vtedy, keď cez nich prechádza impulz pumpy. Spätne sa šíriace svetlo nie je zosilnené.
Ultrakrátke impulzy majú významnú šírku pásma, ktorá môže byť znížená efektom zúženia zisku v zosilňovači, čo vedie k dlhším dĺžkam zosilnených impulzov. Keď je dĺžka impulzu menšia ako desiatky femtosekúnd, je potrebný ultraširokopásmový zosilňovač. Zúženie zisku je obzvlášť dôležité v systémoch s vysokým ziskom.
Najmä pri systémoch s vysokými energiami impulzov môžu rôzne nelineárne efekty skresliť časový a priestorový tvar impulzu a dokonca poškodiť zosilňovač v dôsledku samozaostrovacích efektov. Účinným spôsobom potlačenia tohto efektu je použitie zosilňovača chirpovaných impulzov (CPA), kde sa impulz najprv disperzne rozšíri na dĺžku napríklad 1 ns, potom sa zosilní a nakoniec sa disperzia stlačí. Ďalšou menej častou alternatívou je použitie subpulzného zosilňovača. Ďalšou dôležitou metódou je zväčšenie oblasti režimu zosilňovača, aby sa znížila intenzita svetla.
Pri jednopriechodových zosilňovačoch je efektívna extrakcia energie možná len vtedy, ak je dĺžka impulzu dostatočne dlhá na to, aby tok impulzu mohol dosiahnuť úrovne saturačného toku bez toho, aby spôsobil silné nelineárne efekty.
Rôzne požiadavky na ultrarýchle zosilňovače sa odrážajú v rozdieloch v energii impulzu, dĺžke impulzu, frekvencii opakovania, priemernej vlnovej dĺžke atď. Preto je potrebné prijať rôzne zariadenia. Nižšie sú uvedené niektoré typické metriky výkonu získané pre rôzne typy systémov:
Zosilňovač vlákien dopovaný ytterbiom môže zosilniť sled impulzov 10ps pri 100MHz na priemerný výkon 10W. (Systém s touto schopnosťou je niekedy označovaný ako ultrarýchly vláknový laser, aj keď je to v skutočnosti hlavný oscilátorový výkonový zosilňovač.) Špičkový výkon 10 kW sa dá relatívne ľahko dosiahnuť pomocou vláknových zosilňovačov s veľkými oblasťami režimu. Ale s femtosekundovými impulzmi by takýto systém mal veľmi silné nelineárne účinky. Počnúc femtosekundovými impulzmi, po ktorých nasleduje cvrlikavé zosilnenie impulzov, možno ľahko získať energie niekoľkých mikrojoulov alebo v extrémnych prípadoch viac ako 1 mJ. Alternatívnym prístupom je zosilnenie parabolického impulzu vo vlákne s normálnou disperziou, po ktorom nasleduje disperzná kompresia impulzu.
Viacpriechodový hromadný zosilňovač, ako je zosilňovač na báze Ti:Sapphire, môže poskytnúť veľkú oblasť režimu, čo vedie k výstupným energiám rádovo 1 J, s relatívne nízkou frekvenciou opakovania impulzov, ako je 10 Hz. Natiahnutie impulzu o niekoľko nanosekúnd je potrebné na potlačenie nelineárnych efektov. Neskôr stlačený povedzme na 20fs môže špičkový výkon dosiahnuť desiatky terawattov (TW); najpokročilejšie veľké systémy môžu dosiahnuť špičkový výkon väčší ako 1 PW, čo je rádovo v pikowattoch. Menšie systémy môžu napríklad generovať impulzy 1 mJ pri 10 kHz. Zisk viacpriechodového zosilňovača je zvyčajne rádovo 10 dB.
V zosilňovači s kladnou spätnou väzbou možno dosiahnuť vysoký zisk desiatok dB. Napríklad impulz 1 nJ možno zosilniť na 1 mJ pomocou zosilňovača s pozitívnou spätnou väzbou Ti:Sapphire. Okrem toho je potrebný zosilňovač impulzov na potlačenie nelineárnych efektov.
Pomocou zosilňovača s pozitívnou spätnou väzbou založeného na laserovej hlave s tenkým diskom dopovaným ytterbiom možno impulzy s dĺžkou menšou ako 1 ps zosilniť na niekoľko stoviek mikrojoulov bez potreby CPA.
Vláknové parametrické zosilňovače čerpané nanosekundovými impulzmi generovanými lasermi s prepínaním Q môžu zosilniť energiu natiahnutých impulzov na niekoľko milijoulov. Pri jednokanálovej prevádzke je možné dosiahnuť vysoký zisk niekoľkých decibelov. Pre špeciálne štruktúry fázového prispôsobenia je šírka pásma zosilnenia veľmi veľká, takže po disperznej kompresii možno získať veľmi krátky impulz.
Výkonové špecifikácie komerčných ultrarýchlych zosilňovacích systémov sú často hlboko pod najlepším výkonom získaným vo vedeckých experimentoch. V mnohých prípadoch je hlavným dôvodom to, že zariadenia a techniky použité v experimentoch sa často nedajú použiť na komerčné zariadenia kvôli ich nedostatočnej stabilite a robustnosti. Napríklad komplexné systémy optických vlákien obsahujú viaceré prechodové procesy medzi optickými vláknami a optikou voľného priestoru. Je možné skonštruovať celovláknové zosilňovače, ale tieto systémy nedosahujú výkon systémov využívajúcich objemovú optiku. Existujú aj iné prípady, keď optika funguje blízko svojich prahov poškodenia; v prípade komerčných zariadení sa však vyžadujú vyššie bezpečnostné záruky. Ďalším problémom je, že sú potrebné niektoré špeciálne materiály, ktoré je veľmi ťažké získať.

Aplikácia:
Ultrarýchle zosilňovače majú mnoho aplikácií:
Na základný výskum sa používa veľa zariadení. Môžu poskytovať silné impulzy pre silné nelineárne procesy, ako je generovanie harmonických s vysokým rádom, alebo na urýchlenie častíc na veľmi vysoké energie.
Veľké ultrarýchle zosilňovače sa používajú pri výskume laserom indukovanej fúzie (inerciálna fúzia, rýchle zapálenie).
Pikosekundové alebo femtosekundové impulzy s energiami v milijouloch sú prospešné pri presnom obrábaní. Napríklad veľmi krátke impulzy umožňujú veľmi jemné a presné rezanie tenkých plechov.
Ultrarýchle zosilňovacie systémy sa ťažko implementujú v priemysle kvôli ich zložitosti a vysokej cene a niekedy kvôli ich nedostatočnej robustnosti. V tomto prípade je na zlepšenie situácie potrebný technologicky vyspelejší vývoj.