Ultrafast amplifier

Kahulugan: Isang amplifier na nagpapalakas ng ultrashort optical pulses.
Ang mga ultrafast amplifier ay mga optical amplifier na ginagamit upang palakasin ang mga ultrashort na pulso. Ang ilang mga ultrafast amplifier ay ginagamit upang palakasin ang mataas na rate ng pag-uulit ng mga pulse train upang makakuha ng napakataas na average na kapangyarihan habang ang enerhiya ng pulso ay nasa katamtamang antas pa rin, sa ibang mga kaso ang mga mas mababang rate ng pag-uulit ay nakakakuha ng mas maraming pakinabang at nakakakuha ng napakataas na enerhiya ng mga pulso at medyo malaking peak power. Kapag ang mga matinding pulso na ito ay nakatuon sa ilang mga target, ang napakataas na intensity ng liwanag ay nakukuha, kung minsan ay mas malaki pa sa 1016âW/cm2.
Bilang halimbawa, isaalang-alang ang output ng isang mode-locked laser na may rate ng pag-uulit ng pulso na 100 MHz, isang haba na 100 fs, at isang average na kapangyarihan na 0.1 W. Kaya ang enerhiya ng pulso ay 0.1W/100MHz=1nJ, at ang ang peak power ay mas mababa sa 10kW (na may kaugnayan sa hugis ng pulso). Ang isang high power amplifier, na kumikilos sa buong pulso, ay maaaring tumaas ang average na kapangyarihan nito sa 10W, kaya tumataas ang enerhiya ng pulso sa 100nJ. Bilang kahalili, maaaring gumamit ng pulse pickup bago ang amplifier upang bawasan ang rate ng pag-uulit ng pulso sa 1 kHz. Kung ang high-power amplifier ay pinapataas pa rin ang average na kapangyarihan sa 10W, kung gayon ang enerhiya ng pulso ay 10mJ sa oras na ito, at ang peak power ay maaaring umabot sa 100GW.

Mga espesyal na kinakailangan para sa mga ultrafast amplifier:
Bilang karagdagan sa karaniwang mga teknikal na detalye ng mga optical amplifier, ang mga ultrafast na device ay nahaharap sa mga karagdagang problema:
Lalo na para sa mga sistema ng mataas na enerhiya, ang pakinabang ng amplifier ay dapat na napakalaki. Sa mga ion na tinalakay sa itaas, kailangan ng dagdag na hanggang 70dB. Dahil ang mga single-pass amplifier ay limitado sa pakinabang, ang multi-channel na operasyon ay karaniwang ginagamit. Maaaring makamit ang napakataas na mga pakinabang gamit ang mga positibong feedback amplifier. Bilang karagdagan, ang mga multi-stage na amplifier (mga chain ng amplifier) ​​ay madalas na ginagamit, kung saan ang unang yugto ay nagbibigay ng mataas na pakinabang at ang huling yugto ay na-optimize para sa mataas na pulso na enerhiya at mahusay na pagkuha ng enerhiya.
Sa pangkalahatan, ang mataas na nakuha ay nangangahulugan din ng higit na sensitivity sa back-reflected na ilaw (maliban sa mga positibong feedback amplifier) ​​at mas malaking tendensya na makagawa ng amplified spontaneous emission (ASE). Sa isang tiyak na lawak, maaaring pigilan ang ASE sa pamamagitan ng paglalagay ng optical switch (acousto-optical modulator) sa pagitan ng dalawang yugto ng mga amplifier. Ang mga switch na ito ay bukas lamang para sa napakaikling agwat ng oras sa paligid ng tuktok ng pinalakas na pulso. Gayunpaman, ang agwat ng oras na ito ay mahaba pa rin kumpara sa haba ng pulso, kaya hindi malamang na pigilan ang ingay sa background ng ASE malapit sa pulso. Ang mga optical parametric amplifier ay mas mahusay na gumaganap sa bagay na ito dahil nagbibigay lamang sila ng pakinabang kapag ang pump pulse ay dumaan. Ang backpropagating light ay hindi pinalaki.
Ang mga ultrashort pulse ay may makabuluhang bandwidth, na maaaring bawasan ng gain-narrowing effect sa amplifier, kaya nagreresulta sa mas mahabang amplified na haba ng pulso. Kapag ang haba ng pulso ay mas mababa sa sampu-sampung femtosecond, kinakailangan ang ultra-wideband amplifier. Ang pagpapaliit ng makakuha ay lalong mahalaga sa mga sistema ng mataas na kita.
Lalo na para sa mga system na may mataas na lakas ng pulso, ang iba't ibang mga nonlinear na epekto ay maaaring masira ang temporal at spatial na hugis ng pulso, at kahit na makapinsala sa amplifier dahil sa mga epekto na nakatuon sa sarili. Ang isang epektibong paraan upang sugpuin ang epektong ito ay ang paggamit ng chirped pulse amplifier (CPA), kung saan ang pulso ay unang pinalawak ang dispersion sa isang haba ng, halimbawa, 1 ns, pagkatapos ay pinalakas, at sa wakas ay na-compress ang dispersion. Ang isa pang hindi pangkaraniwang alternatibo ay ang paggamit ng sub-pulse amplifier. Ang isa pang mahalagang paraan ay ang pagtaas ng mode area ng amplifier upang mabawasan ang intensity ng liwanag.
Para sa mga single-pass amplifier, ang mahusay na pagkuha ng enerhiya ay posible lamang kung ang haba ng pulso ay sapat na ang haba upang payagan ang pulso flux na maabot ang mga antas ng saturation flux nang hindi nagdudulot ng malakas na mga nonlinear na epekto.
Ang iba't ibang mga kinakailangan para sa mga ultrafast amplifier ay makikita sa mga pagkakaiba sa enerhiya ng pulso, haba ng pulso, rate ng pag-uulit, average na haba ng daluyong, atbp. Alinsunod dito, kailangang gumamit ng iba't ibang mga aparato. Nasa ibaba ang ilang karaniwang sukatan ng pagganap na nakuha para sa iba't ibang uri ng mga system:
Maaaring palakasin ng ytterbium-doped fiber amplifier ang pulse train na 10ps sa 100MHz sa isang average na kapangyarihan na 10W. (Ang isang system na may ganitong kakayahan ay minsang tinutukoy bilang ultrafast fiber laser, kahit na ito ay talagang isang master oscillator power amplifier device.) Ang mga peak power na 10 kW ay medyo madaling makuha gamit ang mga fiber amplifiers na may malalaking mode area. Ngunit sa mga pulso ng femtosecond, ang ganitong sistema ay magkakaroon ng napakalakas na nonlinear na epekto. Simula sa mga femtosecond pulse, na sinusundan ng chirped pulse amplification, ang mga enerhiya ng ilang microjoules ay madaling makuha, o sa matinding mga kaso na higit sa 1 mJ. Ang isang alternatibong diskarte ay ang palakasin ang isang parabolic pulse sa isang fiber na may normal na dispersion, na sinusundan ng dispersion compression ng pulse.
Ang multi-pass na bulk amplifier, gaya ng Ti:Sapphire-based na amplifier, ay maaaring magbigay ng malaking mode area, na magreresulta sa mga output energies sa pagkakasunud-sunod ng 1 J, na may medyo mababang rate ng pag-uulit ng pulso, gaya ng 10 Hz. Ang pag-uunat ng pulso ng ilang nanosecond ay kinakailangan upang sugpuin ang mga hindi linear na epekto. Mamaya ay na-compress para sabihing 20fs, ang peak power ay maaaring umabot ng sampu-sampung terawatts (TW); ang pinaka-advanced na malalaking sistema ay maaaring makamit ang peak power na higit sa 1PW, na nasa pagkakasunud-sunod ng mga picowatts. Ang mga maliliit na sistema, halimbawa, ay maaaring makabuo ng 1 mJ pulse sa 10 kHz. Ang pakinabang ng isang multipass amplifier ay karaniwang nasa order na 10dB.
Ang isang mataas na pagtaas ng sampu-sampung dB ay maaaring makuha sa isang positibong feedback amplifier. Halimbawa, ang 1 nJ pulse ay maaaring palakihin sa 1 mJ gamit ang Ti:Sapphire positive feedback amplifier. Bilang karagdagan, ang isang chirped pulse amplifier ay kinakailangan upang sugpuin ang mga nonlinear na epekto.
Gamit ang isang positibong feedback amplifier batay sa isang ytterbium-doped thin-disk laser head, ang mga pulse na wala pang 1 ps ang haba ay maaaring palakihin sa ilang daang microjoules nang hindi nangangailangan ng CPA.
Ang mga fiber parametric amplifier na nabomba gamit ang nanosecond pulses na nabuo ng Q-switched lasers ay maaaring palakasin ang stretched pulse energy sa ilang millijoules. Ang mataas na pakinabang ng ilang decibel ay maaaring makamit sa single-channel na operasyon. Para sa mga espesyal na istruktura na tumutugma sa phase, ang gain bandwidth ay napakalaki, kaya ang isang napakaikling pulso ay maaaring makuha pagkatapos ng dispersion compression.
Ang mga detalye ng pagganap ng mga komersyal na ultrafast amplifier system ay kadalasang mas mababa sa pinakamahusay na pagganap na nakuha sa mga siyentipikong eksperimento. Sa maraming kaso, ang pangunahing dahilan ay ang mga device at diskarteng ginagamit sa mga eksperimento ay kadalasang hindi mailalapat sa mga komersyal na device dahil sa kawalan ng kanilang katatagan at katatagan. Halimbawa, ang mga kumplikadong optical fiber system ay naglalaman ng maraming proseso ng paglipat sa pagitan ng mga optical fiber at free-space optics. Ang mga all-fiber amplifier system ay maaaring itayo, ngunit ang mga system na ito ay hindi nakakamit ang pagganap ng mga system na gumagamit ng bulk optics. May iba pang mga kaso kung saan gumagana ang mga optika malapit sa kanilang mga limitasyon ng pinsala; gayunpaman, para sa mga komersyal na aparato, kinakailangan ang mas mataas na mga kasiguruhan sa kaligtasan. Ang isa pang problema ay ang ilang mga espesyal na materyales ay kinakailangan, na napakahirap makuha.

Application:
Ang mga ultrafast amplifier ay may maraming mga aplikasyon:
Maraming mga aparato ang ginagamit para sa pangunahing pananaliksik. Maaari silang magbigay ng malalakas na pulso para sa malalakas na nonlinear na proseso, tulad ng high-order harmonic generation, o para mapabilis ang mga particle sa napakataas na enerhiya.
Ang malalaking ultrafast amplifier ay ginagamit sa pananaliksik para sa laser-induced fusion (inertial confinement fusion, mabilis na pag-aapoy).
Ang mga picosecond o femtosecond pulse na may mga energies sa millijoules ay kapaki-pakinabang sa precision machining. Halimbawa, ang napakaikling mga pulso ay nagbibigay-daan sa napakahusay at tumpak na pagputol ng manipis na mga sheet ng metal.
Ang mga ultrafast amplifier system ay mahirap ipatupad sa industriya dahil sa kanilang pagiging kumplikado at mataas na presyo, at kung minsan dahil sa kanilang kakulangan ng tibay. Sa kasong ito, kailangan ang higit pang mga advanced na teknolohikal na pag-unlad upang mapabuti ang sitwasyon.