Ултрабрз засилувач

Дефиниција: Засилувач што ги засилува ултракратките оптички импулси.
Ултрабрзите засилувачи се оптички засилувачи кои се користат за засилување на ултракратки импулси. Некои ултрабрзи засилувачи се користат за засилување на импулсните возови со висока стапка на повторување за да се добие многу висока просечна моќност додека пулсната енергија е сè уште на умерени нивоа, во други случаи пулсирањата со помала брзина на повторување добиваат поголема добивка и добиваат многу висока пулсна енергија и релативно голема врвна моќност. Кога овие интензивни импулси се фокусирани на некои цели, се добиваат многу високи интензитети на светлина, понекогаш дури и поголеми од 1016âW/cm2.
Како пример, земете го излезот на ласер со заклучен режим со брзина на повторување на пулсот од 100 MHz, должина од 100 fs и просечна моќност од 0,1 W. Значи, енергијата на пулсот е 0,1W/100MHz=1nJ, а максималната моќност е помала од 10 kW (поврзана со обликот на пулсот). Засилувач со голема моќност, кој дејствува на целиот пулс, може да ја зголеми својата просечна моќност до 10 W, со што ја зголемува енергијата на пулсот до 100 nJ. Алтернативно, пулсот може да се користи пред засилувачот за да се намали стапката на повторување на пулсот на 1 kHz. Ако засилувачот со висока моќност сепак ја зголемува просечната моќност на 10W, тогаш пулсната енергија е 10mJ во овој момент, а максималната моќност може да достигне 100GW.

Посебни барања за ултрабрзи засилувачи:
Покрај вообичаените технички детали за оптичките засилувачи, ултрабрзите уреди се соочуваат со дополнителни проблеми:
Особено за високоенергетските системи, засилувањето на засилувачот мора да биде многу големо. Во јоните дискутирани погоре, потребно е засилување до 70 dB. Бидејќи засилувачите со еден премин се ограничени во засилување, обично се користи повеќеканална работа. Многу високи придобивки може да се постигнат со засилувачи со позитивни повратни информации. Дополнително, често се користат повеќестепени засилувачи (синџири на засилувачи), каде што првата фаза обезбедува висока добивка, а последната фаза е оптимизирана за висока пулсна енергија и ефикасно извлекување енергија.
Високото засилување, исто така, генерално значи поголема чувствителност на светлината што се рефлектира назад (со исклучок на засилувачите за позитивна повратна информација) и поголема тенденција за производство на засилена спонтана емисија (ASE). До одреден степен, ASE може да се потисне со поставување на оптички прекинувач (акусто-оптички модулатор) помеѓу двете фази на засилувачите. Овие прекинувачи се отвораат само за многу кратки временски интервали околу врвот на засилениот пулс. Сепак, овој временски интервал е сè уште долг во споредба со должината на пулсот, така што потиснувањето на позадинскиот шум на ASE во близина на пулсот е малку веројатно. Оптичките параметарски засилувачи работат подобро во овој поглед бидејќи тие обезбедуваат засилување само кога пулсот на пумпата се пропушта. Светлината што се шири назад не е засилена.
Ултракратките импулси имаат значителен пропусен опсег, кој може да се намали со ефектот на стеснување на засилувањето во засилувачот, што резултира со подолги засилени должини на пулсот. Кога должината на пулсот е помала од десетици фемтосекунди, потребен е засилувач со ултра широк опсег. Стеснувањето на јачината е особено важно кај системите со голема добивка.
Особено за системи со високи пулсни енергии, различни нелинеарни ефекти може да ја нарушат временската и просторната форма на пулсот, па дури и да го оштетат засилувачот поради ефектите на самофокусирање. Ефективен начин за сузбивање на овој ефект е да се користи засилувач на чукање на импулси (CPA), каде што пулсот најпрво се шири со дисперзија на должина од, на пример, 1 ns, потоа се засилува и на крајот се компресира со дисперзија. Друга поретка алтернатива е да се користи под-пулсен засилувач. Друг важен метод е да се зголеми областа на режимот на засилувачот за да се намали интензитетот на светлината.
За засилувачите со еден премин, ефикасното извлекување енергија е можно само ако должината на пулсот е доволно долга за да му овозможи на пулсниот флукс да достигне нивоа на флукс на заситеност без да предизвика силни нелинеарни ефекти.
Различните барања за ултрабрзи засилувачи се рефлектираат во разликите во енергијата на пулсот, должината на пулсот, брзината на повторување, просечната бранова должина итн. Според тоа, треба да се прифатат различни уреди. Подолу се дадени неколку типични показатели за перформансите добиени за различни типови системи:
Засилувачот со влакно допиран со итербиум може да го засили пулсот од 10ps на 100MHz до просечна моќност од 10W. (Систем со оваа способност понекогаш се нарекува ултрабрз ласер со влакна, иако тој всушност е главен уред за засилувач на моќноста на осцилаторот.) Максималните моќи од 10 kW се релативно лесно да се постигнат со помош на засилувачи со влакна со големи области на режим. Но, со фемтосекундните импулси, таков систем би имал многу силни нелинеарни ефекти. Почнувајќи со фемтосекундни пулсирања, проследени со засилување на ѕвонењето на пулсот, лесно може да се добијат енергија од неколку микроџули, или во екстремни случаи поголеми од 1 mJ. Алтернативен пристап е засилување на параболичен пулс во влакно со нормална дисперзија, проследено со дисперзивна компресија на пулсот.
Засилувач со повеќекратни премини, како што е засилувачот базиран на Ti:Sapphire, може да обезбеди голема површина на режимот, што резултира со излезни енергии од редот од 1 J, со релативно ниски стапки на повторување на пулсот, како што се 10 Hz. Истегнувањето на пулсот за неколку наносекунди е неопходно за да се потиснат нелинеарните ефекти. Подоцна компресирана на 20fs, максималната моќност може да достигне десетици теравати (TW); најнапредните големи системи можат да постигнат максимална моќност поголема од 1PW, што е од редот на пиковати. Помалите системи, на пример, можат да генерираат импулси од 1 mJ на 10 kHz. Зајакнувањето на повеќепропусниот засилувач е обично од редот на 10 dB.
Високо засилување од десетици dB може да се добие во засилувач со позитивна повратна информација. На пример, пулсот од 1 nJ може да се засили на 1 mJ со помош на засилувач за позитивни повратни информации Ti:Sapphire. Дополнително, потребен е чврчоречки пулсен засилувач за да се потиснат нелинеарните ефекти.
Користејќи засилувач за позитивна повратна информација базиран на ласерска глава со тенок диск со итербиум, пулсирањата помали од 1 ps во должина може да се засилат на неколку стотици микроџули без потреба од CPA.
Влакно параметарски засилувачи испумпани со наносекундни импулси генерирани од ласери со преклопување Q можат да ја засилат истегнатата пулсна енергија до неколку милиџули. Високо засилување од неколку децибели може да се постигне при едноканално работење. За специјални структури за усогласување на фазите, пропусниот опсег на засилување е многу голем, така што може да се добие многу краток пулс по дисперзивната компресија.
Спецификациите за изведба на комерцијалните ултрабрзи системи за засилувачи честопати се далеку под најдобрите перформанси добиени во научни експерименти. Во многу случаи, главната причина е тоа што уредите и техниките употребени во експериментите често не можат да се применат на комерцијални уреди поради нивниот недостаток на стабилност и робусност. На пример, сложените системи со оптички влакна содржат повеќекратни процеси на транзиција помеѓу оптичките влакна и оптиката на слободен простор. Може да се конструираат системи за засилувачи со сите влакна, но овие системи не ги постигнуваат перформансите на системите што користат оптика. Има и други случаи каде оптиката работи во близина на нивните прагови на оштетување; сепак, за комерцијални уреди, потребни се повисоки безбедносни гаранции. Друг проблем е што се потребни некои посебни материјали, кои се многу тешко да се добијат.

Апликација:
Ултрабрзите засилувачи имаат многу апликации:
Многу уреди се користат за основни истражувања. Тие можат да обезбедат силни импулси за силни нелинеарни процеси, како што е генерирање на хармоници од висок ред, или да ги забрзаат честичките до многу високи енергии.
Големи ултрабрзи засилувачи се користат во истражувањето за ласерски индуцирана фузија (инерцијално затворање фузија, брзо палење).
Пикосекунда или фемтосекунда пулсира со енергија во милиџули се корисни во прецизната обработка. На пример, многу кратки импулси овозможуваат многу фино и прецизно сечење на тенки метални листови.
Системите за ултрабрзи засилувачи тешко се имплементираат во индустријата поради нивната сложеност и високата цена, а понекогаш и поради недостатокот на робусност. Во овој случај, потребни се повеќе технолошки напредни случувања за да се подобри ситуацијата.