Ultrarychlý zesilovač

Definice: Zesilovač, který zesiluje ultrakrátké optické pulsy.
Ultrarychlé zesilovače jsou optické zesilovače používané k zesílení ultrakrátkých pulzů. Některé ultrarychlé zesilovače se používají k zesílení pulsů s vysokou opakovací frekvencí, aby se dosáhlo velmi vysokého průměrného výkonu, zatímco energie pulsu je stále na středních úrovních, v jiných případech pulsy s nižší opakovací frekvencí získají větší zisk a získají velmi vysokou energii pulsů a relativně velký špičkový výkon. Když jsou tyto intenzivní pulzy zaměřeny na některé cíle, jsou získány velmi vysoké intenzity světla, někdy dokonce vyšší než 1016âW/cm2.
Jako příklad uvažujme výstup laseru s uzamčeným režimem s opakovací frekvencí pulsů 100 MHz, délkou 100 fs a průměrným výkonem 0,1 W. Energie pulsu je tedy 0,1 W/100 MHz = 1 nJ a špičkový výkon je menší než 10 kW (vztaženo na tvar pulsu). Vysokovýkonový zesilovač, působící na celý puls, může zvýšit svůj průměrný výkon na 10W, a tím zvýšit energii pulsu na 100nJ. Alternativně lze použít pulzní snímač před zesilovačem pro snížení opakovací frekvence pulzu na 1 kHz. Pokud vysokovýkonový zesilovač stále zvyšuje průměrný výkon na 10 W, pak je energie impulsu v tomto okamžiku 10 mJ a špičkový výkon může dosáhnout 100 GW.

Speciální požadavky na ultrarychlé zesilovače:
Kromě obvyklých technických detailů optických zesilovačů čelí ultrarychlá zařízení dalším problémům:
Zejména u vysokoenergetických systémů musí být zisk zesilovače velmi velký. U výše diskutovaných iontů je vyžadován zisk až 70 dB. Protože jednoprůchodové zesilovače mají omezený zisk, obvykle se používá vícekanálový provoz. Velmi vysokých zisků lze dosáhnout pomocí zesilovačů s kladnou zpětnou vazbou. Kromě toho se často používají vícestupňové zesilovače (řetězce zesilovačů), kde první stupeň poskytuje vysoký zisk a poslední stupeň je optimalizován pro vysokou energii impulsu a účinnou extrakci energie.
Vysoký zisk také obecně znamená větší citlivost na zpětně odražené světlo (s výjimkou zesilovačů s kladnou zpětnou vazbou) a větší tendenci produkovat zesílenou spontánní emisi (ASE). ASE lze do určité míry potlačit umístěním optického přepínače (akusticko-optického modulátoru) mezi dva stupně zesilovačů. Tyto spínače se otevírají pouze na velmi krátké časové intervaly kolem vrcholu zesíleného impulsu. Tento časový interval je však ve srovnání s délkou pulzu stále dlouhý, takže potlačení šumu pozadí ASE v blízkosti pulzu je nepravděpodobné. Optické parametrické zesilovače si v tomto ohledu vedou lépe, protože poskytují zisk pouze při průchodu čerpacího impulsu. Zpětně se šířící světlo není zesíleno.
Ultrakrátké pulsy mají významnou šířku pásma, která může být snížena efektem zužování zisku v zesilovači, což má za následek delší zesílené délky pulsů. Když je délka pulzu menší než desítky femtosekund, je nutný ultraširokopásmový zesilovač. Zúžení zisku je zvláště důležité v systémech s vysokým ziskem.
Zejména u systémů s vysokými energiemi pulzu mohou různé nelineární efekty zkreslit časový a prostorový tvar pulzu a dokonce poškodit zesilovač vlivem samozaostřovacích efektů. Účinným způsobem, jak tento efekt potlačit, je použití zesilovače chirped pulse (CPA), kdy se puls nejprve disperzně rozšíří na délku např. 1 ns, poté se zesílí a nakonec se disperze zkomprimuje. Další méně častou alternativou je použití subpulzního zesilovače. Další důležitou metodou je zvětšení oblasti režimu zesilovače pro snížení intenzity světla.
U jednoprůchodových zesilovačů je účinná extrakce energie možná pouze tehdy, je-li délka pulsu dostatečně dlouhá, aby umožnila pulsnímu toku dosáhnout úrovní saturačního toku bez způsobení silných nelineárních efektů.
Rozdílné požadavky na ultrarychlé zesilovače se odrážejí v rozdílech v energii pulzu, délce pulzu, opakovací frekvenci, průměrné vlnové délce atd. V souladu s tím je třeba přijmout různá zařízení. Níže jsou uvedeny některé typické metriky výkonu získané pro různé typy systémů:
Vláknový zesilovač dopovaný ytterbiem může zesílit sled pulsů 10ps při 100MHz na průměrný výkon 10W. (Systém s touto schopností je někdy označován jako ultrarychlý vláknový laser, i když se ve skutečnosti jedná o zařízení hlavního oscilátoru výkonového zesilovače.) Špičkových výkonů 10 kW lze relativně snadno dosáhnout pomocí vláknových zesilovačů s velkými oblastmi režimu. Ale s femtosekundovými pulzy by takový systém měl velmi silné nelineární účinky. Počínaje femtosekundovými pulzy, následovanými cvrlikáním pulzního zesílení, lze snadno získat energie několika mikrojoulů nebo v extrémních případech vyšší než 1 mJ. Alternativním přístupem je zesílení parabolického pulzu ve vláknu s normální disperzí, po kterém následuje disperzní komprese pulzu.
Víceprůchodový hromadný zesilovač, jako je zesilovač na bázi Ti:Safír, může poskytnout velkou oblast režimu, což má za následek výstupní energie v řádu 1 J, s relativně nízkou frekvencí opakování pulzů, jako je 10 Hz. Natažení pulsu o několik nanosekund je nutné k potlačení nelineárních efektů. Později komprimovaný na řekněme 20fs může špičkový výkon dosáhnout desítek terawattů (TW); nejpokročilejší velké systémy mohou dosáhnout špičkového výkonu většího než 1 PW, což je řádově pikowatt. Menší systémy mohou například generovat pulsy 1 mJ při 10 kHz. Zisk víceprůchodového zesilovače je obvykle řádově 10 dB.
V zesilovači s kladnou zpětnou vazbou lze dosáhnout vysokého zisku v řádu desítek dB. Například puls 1 nJ lze zesílit na 1 mJ pomocí zesilovače s kladnou zpětnou vazbou Ti:Sapphire. K potlačení nelineárních jevů je navíc nutný cvrlikavý pulzní zesilovač.
Pomocí zesilovače s kladnou zpětnou vazbou založeného na ytterbiem dopované laserové hlavě s tenkým diskem lze pulsy o délce menší než 1 ps zesílit na několik stovek mikrojoulů bez potřeby CPA.
Vláknové parametrické zesilovače čerpané nanosekundovými pulzy generovanými Q-spínanými lasery mohou zesílit energii nataženého pulzu na několik milijoulů. V jednokanálovém provozu lze dosáhnout vysokého zesílení několika decibelů. U speciálních struktur fázového přizpůsobení je šířka pásma zesílení velmi velká, takže po disperzní kompresi lze získat velmi krátký impuls.
Výkonové specifikace komerčních ultrarychlých zesilovacích systémů jsou často hluboko pod nejlepším výkonem získaným při vědeckých experimentech. V mnoha případech je hlavním důvodem to, že zařízení a techniky používané v experimentech často nemohou být aplikovány na komerční zařízení kvůli jejich nedostatečné stabilitě a robustnosti. Například komplexní systémy optických vláken obsahují mnohonásobné přechodové procesy mezi optickými vlákny a optikou volného prostoru. Lze zkonstruovat celovláknové zesilovací systémy, ale tyto systémy nedosahují výkonu systémů využívajících hromadnou optiku. Existují i ​​další případy, kdy optika pracuje blízko svých prahů poškození; u komerčních zařízení jsou však vyžadovány vyšší bezpečnostní záruky. Dalším problémem je, že jsou vyžadovány některé speciální materiály, které je velmi obtížné získat.

Aplikace:
Ultrarychlé zesilovače mají mnoho aplikací:
Pro základní výzkum se používá mnoho zařízení. Mohou poskytovat silné pulzy pro silné nelineární procesy, jako je generování harmonických vyšších řádů, nebo pro urychlení částic na velmi vysoké energie.
Velké ultrarychlé zesilovače se používají ve výzkumu pro laserem indukovanou fúzi (inerciální fúze, rychlé zapálení).
Pikosekundové nebo femtosekundové pulzy s energiemi v milijoulech jsou výhodné při přesném obrábění. Například velmi krátké pulzy umožňují velmi jemné a přesné řezání tenkých plechů.
Ultrarychlé zesilovací systémy je obtížné implementovat v průmyslu kvůli jejich složitosti a vysoké ceně a někdy kvůli jejich nedostatečné robustnosti. V tomto případě je ke zlepšení situace zapotřebí technologicky vyspělejšího vývoje.