Надшвидкий підсилювач

Визначення: підсилювач, який підсилює ультракороткі оптичні імпульси.
Надшвидкісні підсилювачі — це оптичні підсилювачі, що використовуються для посилення ультракоротких імпульсів. Деякі надшвидкісні підсилювачі використовуються для посилення серії імпульсів із високою частотою повторення, щоб отримати дуже високу середню потужність, у той час як енергія імпульсу залишається на помірних рівнях, в інших випадках імпульси з нижчою частотою повторення отримують більше посилення та отримують дуже високу енергію імпульсів і відносно високу пікову потужність. Коли ці інтенсивні імпульси фокусуються на деяких цілях, виходить дуже висока інтенсивність світла, іноді навіть більша ніж 1016âВт/см2.
Як приклад розглянемо вихідний сигнал лазера з синхронізованим режимом із частотою повторення імпульсів 100 МГц, довжиною 100 фс і середньою потужністю 0,1 Вт. Отже, енергія імпульсу становить 0,1 Вт/100 МГц = 1 нДж, а пікова потужність менше 10 кВт (відносно форми імпульсу). Підсилювач великої потужності, діючи на весь імпульс, може збільшити його середню потужність до 10 Вт, збільшуючи таким чином енергію імпульсу до 100 нДж. Крім того, перед підсилювачем можна використовувати датчик імпульсу, щоб зменшити частоту повторення імпульсів до 1 кГц. Якщо підсилювач великої потужності все ж збільшить середню потужність до 10 Вт, то енергія імпульсу в цей час становить 10 мДж, а пікова потужність може досягати 100 ГВт.

Особливі вимоги до надшвидких підсилювачів:
Крім звичайних технічних деталей оптичних підсилювачів, надшвидкісні пристрої стикаються з додатковими проблемами:
Особливо для високоенергетичних систем коефіцієнт посилення підсилювача повинен бути дуже великим. Для іонів, розглянутих вище, потрібне посилення до 70 дБ. Оскільки однопрохідні підсилювачі мають обмежене посилення, зазвичай використовується багатоканальна робота. За допомогою підсилювачів позитивного зворотного зв'язку можна досягти дуже високих коефіцієнтів підсилення. Крім того, часто використовуються багатокаскадні підсилювачі (ланцюги підсилювачів), де перший каскад забезпечує високе посилення, а останній каскад оптимізований для високої енергії імпульсу та ефективного вилучення енергії.
Високе посилення також зазвичай означає більшу чутливість до відбитого світла (за винятком підсилювачів позитивного зворотного зв’язку) і більшу тенденцію до посиленого спонтанного випромінювання (ASE). До певної міри ASE можна придушити, якщо розташувати оптичний перемикач (акустооптичний модулятор) між двома каскадами підсилювачів. Ці перемикачі відкриваються лише на дуже короткі проміжки часу навколо піку підсиленого імпульсу. Однак цей інтервал часу все ще великий порівняно з довжиною імпульсу, тому придушення фонового шуму ASE поблизу імпульсу малоймовірно. Оптичні параметричні підсилювачі працюють краще в цьому відношенні, оскільки вони забезпечують підсилення лише тоді, коли пропускається імпульс накачування. Зворотне світло не посилюється.
Ультракороткі імпульси мають значну ширину смуги, яка може бути зменшена ефектом звуження підсилення в підсилювачі, що призводить до більшої довжини посилених імпульсів. При тривалості імпульсу менше десятків фемтосекунд необхідний надширокосмуговий підсилювач. Звуження посилення особливо важливо в системах з високим коефіцієнтом посилення.
Особливо для систем з високою енергією імпульсу різні нелінійні ефекти можуть спотворювати часову та просторову форму імпульсу і навіть пошкоджувати підсилювач через ефекти самофокусування. Ефективним способом придушення цього ефекту є використання підсилювача чирпованих імпульсів (CPA), де імпульс спочатку дисперсійно розширюється до довжини, наприклад, 1 нс, потім посилюється і, нарешті, дисперсійно стискається. Інша менш поширена альтернатива - використання субімпульсного підсилювача. Інший важливий метод полягає у збільшенні зони режиму підсилювача для зменшення інтенсивності світла.
Для однопрохідних підсилювачів ефективне відбирання енергії можливе лише в тому випадку, якщо довжина імпульсу достатньо велика, щоб дозволити імпульсному потоку досягти рівня потоку насичення, не викликаючи сильних нелінійних ефектів.
Різні вимоги до надшвидких підсилювачів відображаються у відмінностях в енергії імпульсу, тривалості імпульсу, частоті повторення, середній довжині хвилі тощо. Відповідно, необхідно використовувати різні пристрої. Нижче наведено деякі типові показники продуктивності, отримані для різних типів систем.
Оптоволоконний підсилювач, легований ітербієм, може підсилювати серію імпульсів 10 пс на 100 МГц до середньої потужності 10 Вт. (Систему з такою можливістю іноді називають надшвидким волоконним лазером, хоча насправді це пристрій підсилювача потужності задаючого генератора.) Пікова потужність 10 кВт порівняно легко досягається за допомогою волоконних підсилювачів із великою площею мод. Але з фемтосекундними імпульсами така система мала б дуже сильні нелінійні ефекти. Починаючи з фемтосекундних імпульсів з наступним посиленням чирпованих імпульсів, можна легко отримати енергію в кілька мікроджоулів або, в крайніх випадках, більше 1 мДж. Альтернативним підходом є посилення параболічного імпульсу у волокні з нормальною дисперсією з подальшим дисперсійним стисненням імпульсу.
Багатопрохідний об’ємний підсилювач, такий як підсилювач на основі Ti:Sapphire, може забезпечити велику площу моди, що призводить до вихідної енергії порядку 1 Дж з відносно низькою частотою повторення імпульсів, наприклад 10 Гц. Розтягнення імпульсу на кілька наносекунд необхідно для придушення нелінійних ефектів. Пізніше, скажімо, 20fs, пікова потужність може досягати десятків терават (ТВт); найдосконаліші великі системи можуть досягти пікової потужності понад 1 ПВт, що становить близько піковат. Менші системи, наприклад, можуть генерувати імпульси 1 мДж на 10 кГц. Коефіцієнт посилення багатопрохідного підсилювача зазвичай становить близько 10 дБ.
У підсилювачі з позитивним зворотним зв'язком можна отримати високе посилення в десятки дБ. Наприклад, імпульс 1 нДж можна посилити до 1 мДж за допомогою підсилювача позитивного зворотного зв’язку Ti:Sapphire. Крім того, для придушення нелінійних ефектів необхідний підсилювач чирпованих імпульсів.
Використовуючи підсилювач із позитивним зворотним зв’язком на основі тонкодискової лазерної головки, легованої ітербієм, імпульси довжиною менше 1 пс можна посилити до кількох сотень мікроджоулів без потреби в CPA.
Волоконні параметричні підсилювачі, що накачуються наносекундними імпульсами, створеними лазерами з модуляцією добротності, можуть посилювати енергію розтягнутого імпульсу до кількох міліджоулів. Високого посилення в кілька децибел можна досягти в одноканальній роботі. Для спеціальних структур фазового узгодження смуга посилення дуже велика, тому після стиснення дисперсії можна отримати дуже короткий імпульс.
Технічні характеристики комерційних надшвидких підсилювачів часто значно нижчі за найкращі характеристики, отримані в наукових експериментах. У багатьох випадках основною причиною є те, що пристрої та методи, які використовуються в експериментах, часто не можуть бути застосовані до комерційних пристроїв через їх недостатню стабільність і надійність. Наприклад, складні волоконно-оптичні системи містять кілька перехідних процесів між оптичними волокнами та оптикою вільного простору. Можна сконструювати повністю волоконні системи підсилювача, але ці системи не досягають продуктивності систем, що використовують об’ємну оптику. Є й інші випадки, коли оптика працює поблизу своїх порогів пошкодження; однак для комерційних пристроїв потрібні вищі гарантії безпеки. Інша проблема полягає в тому, що потрібні якісь спеціальні матеріали, які дуже важко дістати.

застосування:
Надшвидкісні підсилювачі мають багато застосувань:
Багато пристроїв використовуються для фундаментальних досліджень. Вони можуть створювати потужні імпульси для сильних нелінійних процесів, таких як генерація гармонік високого порядку, або для прискорення частинок до дуже високих енергій.
Великі надшвидкісні підсилювачі використовуються в дослідженнях лазерного термоядерного синтезу (інерційний термоядерний синтез, швидке запалювання).
Пікосекундні або фемтосекундні імпульси з енергією в міліджоулях є корисними в прецизійній обробці. Наприклад, дуже короткі імпульси дозволяють дуже тонко і точно розрізати тонкі металеві листи.
Надшвидкісні системи підсилювачів важко реалізувати в промисловості через їх складність і високу ціну, а іноді через недостатню надійність. У цьому випадку для покращення ситуації потрібні більш технологічні розробки.