Υπερταχύς ενισχυτής

Ορισμός: Ενισχυτής που ενισχύει υπερμικρούς οπτικούς παλμούς.
Οι υπερταχείς ενισχυτές είναι οπτικοί ενισχυτές που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση υπερμικρών παλμών. Μερικοί υπερταχύτεροι ενισχυτές χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση παλμικών συρμών υψηλού ρυθμού επανάληψης για να λάβουν πολύ υψηλή μέση ισχύ ενώ η ενέργεια παλμού είναι ακόμα σε μέτρια επίπεδα, σε άλλες περιπτώσεις οι παλμοί χαμηλότερου ρυθμού επανάληψης αποκτούν μεγαλύτερο κέρδος και λαμβάνουν πολύ υψηλή ενέργεια παλμών και σχετικά μεγάλη ισχύ αιχμής. Όταν αυτοί οι έντονοι παλμοί εστιάζονται σε ορισμένους στόχους, επιτυγχάνονται πολύ υψηλές εντάσεις φωτός, μερικές φορές ακόμη και μεγαλύτερες από 1016âW/cm2.
Ως παράδειγμα, θεωρήστε την έξοδο ενός λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας με ρυθμό επανάληψης παλμού 100 MHz, μήκος 100 fs και μέση ισχύ 0,1 W. Άρα η ενέργεια παλμού είναι 0,1 W/100 MHz=1nJ και η Η μέγιστη ισχύς είναι μικρότερη από 10 kW (σχετικά με το σχήμα παλμού). Ένας ενισχυτής υψηλής ισχύος, που ενεργεί σε ολόκληρο τον παλμό, μπορεί να αυξήσει τη μέση ισχύ του στα 10 W, αυξάνοντας έτσι την ενέργεια του παλμού στα 100 nJ. Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια λήψη παλμού πριν από τον ενισχυτή για τη μείωση του ρυθμού επανάληψης παλμού στο 1 kHz. Εάν ο ενισχυτής υψηλής ισχύος εξακολουθεί να αυξάνει τη μέση ισχύ στα 10 W, τότε η ενέργεια παλμού είναι 10 mJ αυτή τη στιγμή και η μέγιστη ισχύς μπορεί να φτάσει τα 100 GW.

Ειδικές απαιτήσεις για υπερταχείς ενισχυτές:
Εκτός από τις συνήθεις τεχνικές λεπτομέρειες των οπτικών ενισχυτών, οι εξαιρετικά γρήγορες συσκευές αντιμετωπίζουν πρόσθετα προβλήματα:
Ειδικά για συστήματα υψηλής ενέργειας, το κέρδος του ενισχυτή πρέπει να είναι πολύ μεγάλο. Στα ιόντα που συζητήθηκαν παραπάνω, απαιτείται κέρδος έως και 70dB. Εφόσον οι ενισχυτές μονής διέλευσης έχουν περιορισμένο κέρδος, χρησιμοποιείται συνήθως η λειτουργία πολλαπλών καναλιών. Πολύ υψηλά κέρδη μπορούν να επιτευχθούν με ενισχυτές θετικής ανάδρασης. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται συχνά ενισχυτές πολλαπλών σταδίων (αλυσίδες ενισχυτών), όπου το πρώτο στάδιο παρέχει υψηλό κέρδος και το τελευταίο στάδιο βελτιστοποιείται για υψηλή ενέργεια παλμού και αποτελεσματική εξαγωγή ενέργειας.
Υψηλό κέρδος σημαίνει επίσης γενικά μεγαλύτερη ευαισθησία στο οπισθοανακλώμενο φως (με εξαίρεση τους ενισχυτές θετικής ανάδρασης) και μεγαλύτερη τάση παραγωγής ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής (ASE). Σε κάποιο βαθμό, το ASE μπορεί να κατασταλεί με την τοποθέτηση ενός οπτικού διακόπτη (ακουστο-οπτικός διαμορφωτής) μεταξύ των δύο σταδίων των ενισχυτών. Αυτοί οι διακόπτες ανοίγουν μόνο για πολύ μικρά χρονικά διαστήματα γύρω από την κορυφή του ενισχυμένου παλμού. Ωστόσο, αυτό το χρονικό διάστημα είναι ακόμη μεγάλο σε σύγκριση με το μήκος του παλμού, επομένως η καταστολή του θορύβου περιβάλλοντος ASE κοντά στον παλμό είναι απίθανη. Οι οπτικοί παραμετρικοί ενισχυτές αποδίδουν καλύτερα από αυτή την άποψη επειδή παρέχουν κέρδος μόνο όταν ο παλμός της αντλίας διέρχεται. Το φως πίσω διάδοσης δεν ενισχύεται.
Οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί έχουν σημαντικό εύρος ζώνης, το οποίο μπορεί να μειωθεί από το φαινόμενο στένωσης κέρδους στον ενισχυτή, με αποτέλεσμα μεγαλύτερα μήκη παλμών ενισχυμένων. Όταν το μήκος παλμού είναι μικρότερο από δεκάδες femtoseconds, απαιτείται ενισχυτής εξαιρετικά ευρείας ζώνης. Η στένωση του κέρδους είναι ιδιαίτερα σημαντική σε συστήματα υψηλού κέρδους.
Ειδικά για συστήματα με υψηλές παλμικές ενέργειες, διάφορα μη γραμμικά φαινόμενα μπορούν να παραμορφώσουν το χρονικό και χωρικό σχήμα του παλμού, ακόμη και να καταστρέψουν τον ενισχυτή λόγω των εφέ αυτοεστίασης. Ένας αποτελεσματικός τρόπος για την καταστολή αυτού του φαινομένου είναι η χρήση ενός ενισχυτή παλμού κελαηδίσματος (CPA), όπου ο παλμός διευρύνεται πρώτα η διασπορά σε μήκος, για παράδειγμα, 1 ns, στη συνέχεια ενισχύεται και τελικά συμπιέζεται η διασπορά. Μια άλλη λιγότερο κοινή εναλλακτική είναι η χρήση ενισχυτή υποπαλμικού. Μια άλλη σημαντική μέθοδος είναι να αυξήσετε την περιοχή λειτουργίας του ενισχυτή για να μειώσετε την ένταση του φωτός.
Για ενισχυτές μονής διέλευσης, η αποτελεσματική εξαγωγή ενέργειας είναι δυνατή μόνο εάν το μήκος του παλμού είναι αρκετά μεγάλο ώστε να επιτρέπει στη ροή παλμού να φτάσει τα επίπεδα ροής κορεσμού χωρίς να προκαλεί ισχυρά μη γραμμικά φαινόμενα.
Οι διαφορετικές απαιτήσεις για υπερταχείς ενισχυτές αντικατοπτρίζονται στις διαφορές στην ενέργεια παλμού, το μήκος παλμού, τον ρυθμό επανάληψης, το μέσο μήκος κύματος κ.λπ. Κατά συνέπεια, πρέπει να υιοθετηθούν διαφορετικές συσκευές. Ακολουθούν ορισμένες τυπικές μετρήσεις απόδοσης που λαμβάνονται για διαφορετικούς τύπους συστημάτων:
Ο ενισχυτής ινών με πρόσμειξη υττερβίου μπορεί να ενισχύσει τον παλμό των 10ps στα 100MHz σε μέση ισχύ 10W. (Ένα σύστημα με αυτή την ικανότητα αναφέρεται μερικές φορές ως λέιζερ υπερταχείας ίνας, παρόλο που είναι στην πραγματικότητα μια κύρια συσκευή ενισχυτή ισχύος ταλαντωτή.) Οι μέγιστες ισχύς των 10 kW είναι σχετικά εύκολο να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας ενισχυτές ινών με μεγάλες περιοχές λειτουργίας. Αλλά με παλμούς femtosecond, ένα τέτοιο σύστημα θα είχε πολύ ισχυρά μη γραμμικά αποτελέσματα. Ξεκινώντας με παλμούς femtosecond, ακολουθούμενο από ενίσχυση παλμού κελαηδίσματος, μπορούν εύκολα να ληφθούν ενέργειες λίγων microjoules ή σε ακραίες περιπτώσεις μεγαλύτερες από 1 mJ. Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η ενίσχυση ενός παραβολικού παλμού σε μια ίνα με κανονική διασπορά, ακολουθούμενη από συμπίεση διασποράς του παλμού.
Ένας ενισχυτής χύδην πολλαπλών περασμάτων, όπως ένας ενισχυτής που βασίζεται σε Ti:Sapphire, μπορεί να παρέχει μια μεγάλη περιοχή λειτουργίας, με αποτέλεσμα ενέργειες εξόδου της τάξης του 1 J, με σχετικά χαμηλούς ρυθμούς επανάληψης παλμών, όπως 10 Hz. Η διάταση του παλμού κατά μερικά νανοδευτερόλεπτα είναι απαραίτητη για την καταστολή των μη γραμμικών επιδράσεων. Αργότερα συμπιεσμένη στα 20fs, η μέγιστη ισχύς μπορεί να φτάσει δεκάδες τεραβάτ (TW). Τα πιο προηγμένα μεγάλα συστήματα μπορούν να επιτύχουν μέγιστη ισχύ μεγαλύτερη από 1 PW, η οποία είναι της τάξης των picowatt. Τα μικρότερα συστήματα, για παράδειγμα, μπορούν να παράγουν παλμούς 1 mJ στα 10 kHz. Το κέρδος ενός πολλαπλού ενισχυτή είναι συνήθως της τάξης των 10dB.
Ένα υψηλό κέρδος δεκάδων dB μπορεί να επιτευχθεί σε έναν ενισχυτή θετικής ανάδρασης. Για παράδειγμα, ένας παλμός 1 nJ μπορεί να ενισχυθεί σε 1 mJ χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή θετικής ανάδρασης Ti:Sapphire. Επιπλέον, απαιτείται ένας ενισχυτής παλμών με κελαηδήματα για την καταστολή των μη γραμμικών επιδράσεων.
Χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή θετικής ανάδρασης που βασίζεται σε κεφαλή λέιζερ λεπτού δίσκου με πρόσμειξη υττερβίου, παλμοί μήκους μικρότερου του 1 ps μπορούν να ενισχυθούν σε αρκετές εκατοντάδες μικροτζάουλ χωρίς την ανάγκη CPA.
Οι παραμετρικοί ενισχυτές ινών που αντλούνται με παλμούς νανοδευτερόλεπτου που παράγονται από λέιζερ με μεταγωγή Q μπορούν να ενισχύσουν την τεντωμένη παλμική ενέργεια σε αρκετά χιλιοστά του χιλιοστού. Υψηλό κέρδος πολλών ντεσιμπέλ μπορεί να επιτευχθεί σε λειτουργία ενός καναλιού. Για ειδικές δομές αντιστοίχισης φάσης, το εύρος ζώνης κέρδους είναι πολύ μεγάλο, επομένως μπορεί να επιτευχθεί ένας πολύ σύντομος παλμός μετά τη συμπίεση διασποράς.
Οι προδιαγραφές απόδοσης των εμπορικών συστημάτων υπερταχέων ενισχυτών είναι συχνά πολύ χαμηλότερες από την καλύτερη απόδοση που επιτυγχάνεται σε επιστημονικά πειράματα. Σε πολλές περιπτώσεις, ο κύριος λόγος είναι ότι οι συσκευές και οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται στα πειράματα συχνά δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε εμπορικές συσκευές λόγω της έλλειψης σταθερότητας και στιβαρότητας. Για παράδειγμα, πολύπλοκα συστήματα οπτικών ινών περιέχουν πολλαπλές διαδικασίες μετάβασης μεταξύ οπτικών ινών και οπτικών ελεύθερων χώρων. Μπορούν να κατασκευαστούν συστήματα ενισχυτών όλων των ινών, αλλά αυτά τα συστήματα δεν επιτυγχάνουν την απόδοση συστημάτων που χρησιμοποιούν μαζική οπτική. Υπάρχουν και άλλες περιπτώσεις όπου τα οπτικά λειτουργούν κοντά στα όρια ζημιάς τους. Ωστόσο, για τις εμπορικές συσκευές, απαιτούνται υψηλότερες εγγυήσεις ασφαλείας. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι απαιτούνται κάποια ειδικά υλικά, τα οποία είναι πολύ δύσκολο να αποκτηθούν.

Εφαρμογή:
Οι υπερταχείς ενισχυτές έχουν πολλές εφαρμογές:
Πολλές συσκευές χρησιμοποιούνται για βασική έρευνα. Μπορούν να παρέχουν ισχυρούς παλμούς για ισχυρές μη γραμμικές διεργασίες, όπως η παραγωγή αρμονικών υψηλής τάξης ή να επιταχύνουν τα σωματίδια σε πολύ υψηλές ενέργειες.
Μεγάλοι υπερταχύτεροι ενισχυτές χρησιμοποιούνται στην έρευνα για σύντηξη που προκαλείται από λέιζερ (αδρανειακή σύντηξη περιορισμού, γρήγορη ανάφλεξη).
Οι παλμοί Picosecond ή femtosecond με ενέργειες σε χιλιοστά του δευτερολέπτου είναι ωφέλιμοι στη μηχανική κατεργασία ακριβείας. Για παράδειγμα, οι πολύ σύντομοι παλμοί επιτρέπουν την πολύ λεπτή και ακριβή κοπή λεπτών μεταλλικών φύλλων.
Τα συστήματα υπερταχέων ενισχυτών είναι δύσκολο να εφαρμοστούν στη βιομηχανία λόγω της πολυπλοκότητας και της υψηλής τιμής τους και μερικές φορές λόγω της έλλειψης στιβαρότητας. Σε αυτή την περίπτωση, χρειάζονται πιο προηγμένες τεχνολογικά εξελίξεις για τη βελτίωση της κατάστασης.