Itin greitas stiprintuvas

Apibrėžimas: stiprintuvas, stiprinantis itin trumpus optinius impulsus.
Itin greiti stiprintuvai yra optiniai stiprintuvai, naudojami ultratrumpiems impulsams stiprinti. Kai kurie itin greiti stiprintuvai naudojami stiprinti didelio pasikartojimo dažnio impulsų traukinius, kad būtų gauta labai didelė vidutinė galia, kol impulsų energija vis dar yra vidutinio lygio, kitais atvejais mažesnio pasikartojimo dažnio impulsai įgyja daugiau stiprinimo ir gauna labai didelę impulsų energiją bei santykinai didelę didžiausią galią. Kai šie intensyvūs impulsai sufokusuojami į kai kuriuos taikinius, gaunamas labai didelis šviesos intensyvumas, kartais net didesnis nei 1016 × W/cm2.
Kaip pavyzdį apsvarstykite fiksuoto režimo lazerio, kurio impulsų pasikartojimo dažnis yra 100 MHz, ilgis 100 fs ir vidutinė galia 0,1 W, išvestį. Taigi impulso energija yra 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, o didžiausia galia yra mažesnė nei 10 kW (atsižvelgiant į impulso formą). Didelės galios stiprintuvas, veikiantis visą impulsą, gali padidinti savo vidutinę galią iki 10W, taip padidindamas impulso energiją iki 100nJ. Arba prieš stiprintuvą galima naudoti impulsų ėmiklį, kad sumažintumėte impulsų pasikartojimo dažnį iki 1 kHz. Jei didelės galios stiprintuvas vis tiek padidina vidutinę galią iki 10 W, tada impulso energija šiuo metu yra 10 mJ, o didžiausia galia gali siekti 100 GW.

Specialūs reikalavimai itin greitiems stiprintuvams:
Be įprastų techninių optinių stiprintuvų detalių, itin greiti įrenginiai susiduria su papildomomis problemomis:
Ypač didelės energijos sistemose stiprintuvo stiprinimas turi būti labai didelis. Aukščiau aptartuose jonuose reikalingas iki 70 dB stiprinimas. Kadangi vieno praėjimo stiprintuvų stiprinimas yra ribotas, dažniausiai naudojamas kelių kanalų veikimas. Labai didelį pelną galima pasiekti naudojant teigiamo grįžtamojo ryšio stiprintuvus. Be to, dažnai naudojami kelių pakopų stiprintuvai (stiprintuvų grandinės), kur pirmoji pakopa užtikrina didelį stiprinimą, o paskutinė pakopa yra optimizuota didelei impulsų energijai ir efektyviam energijos išgavimui.
Didelis stiprinimas taip pat paprastai reiškia didesnį jautrumą atgal atspindėtai šviesai (išskyrus teigiamo grįžtamojo ryšio stiprintuvus) ir didesnę tendenciją sukelti sustiprintą spontanišką emisiją (ASE). Tam tikru mastu ASE galima nuslopinti tarp dviejų stiprintuvų pakopų įdedant optinį jungiklį (akustinį-optinį moduliatorių). Šie jungikliai atsidaro tik labai trumpais laiko intervalais aplink sustiprinto impulso piką. Tačiau šis laiko intervalas vis dar yra ilgas, palyginti su impulso trukme, todėl mažai tikėtina, kad bus slopinamas ASE foninis triukšmas šalia impulso. Šiuo atžvilgiu optiniai parametriniai stiprintuvai veikia geriau, nes jie sustiprina tik tada, kai perduodamas siurblio impulsas. Atgal sklindanti šviesa nėra sustiprinta.
Itin trumpi impulsai turi didelį dažnių juostos plotį, kurį galima sumažinti dėl stiprinimo susiaurėjimo efekto stiprintuve, todėl stiprinamas impulsas yra ilgesnis. Kai impulso ilgis yra mažesnis nei dešimtys femtosekundžių, reikalingas itin plačiajuostis stiprintuvas. Stiprinimo susiaurėjimas ypač svarbus didelio stiprumo sistemose.
Ypač sistemoms, turinčioms didelę impulsų energiją, įvairūs netiesiniai efektai gali iškraipyti laikiną ir erdvinę impulso formą ir netgi sugadinti stiprintuvą dėl savaiminio fokusavimo efektų. Veiksmingas būdas nuslopinti šį efektą yra naudoti čirškinto impulso stiprintuvą (CPA), kai impulsas pirmiausia dispersija praplečiama iki, pavyzdžiui, 1 ns, tada sustiprinama ir galiausiai dispersija suspaudžiama. Kita mažiau paplitusi alternatyva yra naudoti subimpulsinį stiprintuvą. Kitas svarbus būdas – padidinti stiprintuvo režimo sritį, kad būtų sumažintas šviesos intensyvumas.
Vieno praėjimo stiprintuvuose efektyvus energijos išgavimas įmanomas tik tuo atveju, jei impulso ilgis yra pakankamai ilgas, kad impulsų srautas pasiektų soties srauto lygį, nesukeliant stiprių netiesinių efektų.
Skirtingi reikalavimai itin greitiems stiprintuvams atsispindi skirtinguose impulsų energijos, impulsų ilgio, pasikartojimo dažnio, vidutinio bangos ilgio ir kt. Toliau pateikiami kai kurie tipiniai našumo rodikliai, gauti įvairių tipų sistemoms:
Iterbiu legiruotas skaidulinis stiprintuvas gali sustiprinti 10 ps impulsų seką esant 100 MHz iki vidutinės 10 W galios. (Šią funkciją turinti sistema kartais vadinama ypač greitu skaiduliniu lazeriu, nors iš tikrųjų tai yra pagrindinis generatoriaus galios stiprintuvas.) Didžiausią 10 kW galią palyginti nesunku pasiekti naudojant skaidulinius stiprintuvus su didelėmis režimų sritimis. Tačiau naudojant femtosekundinius impulsus tokia sistema turėtų labai stiprų netiesinį poveikį. Pradedant nuo femtosekundžių impulsų, po to čirškiamo impulso stiprinimo, galima lengvai gauti kelių mikrodžaulių energiją arba, kraštutiniais atvejais, didesnę nei 1 mJ. Alternatyvus būdas yra sustiprinti parabolinį impulsą skaiduloje su normalia dispersija, po to impulso dispersinį suspaudimą.
Daugiatakis masinis stiprintuvas, pvz., Ti: Safyro pagrindu pagamintas stiprintuvas, gali užtikrinti didelę režimo sritį, todėl išėjimo energija yra maždaug 1 J, o impulsų pasikartojimo dažnis yra santykinai mažas, pvz., 10 Hz. Impulso tempimas keliomis nanosekundėmis yra būtinas norint nuslopinti netiesinius efektus. Vėliau suspaudus iki 20 fs, didžiausia galia gali siekti dešimtis teravatų (TW); pažangiausios didelės sistemos gali pasiekti didžiausią galią, didesnę nei 1 PW, kuri yra pikovatų eilės tvarka. Pavyzdžiui, mažesnės sistemos gali generuoti 1 mJ impulsus 10 kHz dažniu. Daugiakrypčių stiprintuvų stiprinimas paprastai yra apie 10 dB.
Didelis dešimčių dB stiprinimas gali būti gaunamas naudojant teigiamą grįžtamojo ryšio stiprintuvą. Pavyzdžiui, naudojant Ti:Sapphire teigiamo grįžtamojo ryšio stiprintuvą, 1 nJ impulsą galima sustiprinti iki 1 mJ. Be to, norint nuslopinti netiesinius efektus, reikalingas čirškiamas impulsų stiprintuvas.
Naudojant teigiamo grįžtamojo ryšio stiprintuvą, kurio pagrindą sudaro iterbiu legiruota plonojo disko lazerio galvutė, mažesni nei 1 ps ilgio impulsai gali būti sustiprinti iki kelių šimtų mikrodžaulių, nereikalaujant CPA.
Skaiduliniai parametriniai stiprintuvai, pumpuojami nanosekundžių impulsais, generuojamais Q perjungiamų lazerių, gali sustiprinti ištemptą impulso energiją iki kelių milidžaulų. Vieno kanalo veikimo metu galima pasiekti didelį kelių decibelų padidėjimą. Specialioms fazių suderinimo struktūroms stiprinimo dažnių juostos plotis yra labai didelis, todėl po dispersinio suspaudimo galima gauti labai trumpą impulsą.
Komercinių itin greitų stiprintuvų sistemų veikimo specifikacijos dažnai yra gerokai mažesnės už geriausią našumą, gautą atliekant mokslinius eksperimentus. Daugeliu atvejų pagrindinė priežastis yra ta, kad eksperimentuose naudojami prietaisai ir metodai dažnai negali būti pritaikyti komerciniams prietaisams dėl jų stabilumo ir tvirtumo stokos. Pavyzdžiui, sudėtingose ​​optinio pluošto sistemose yra keli perėjimo procesai tarp optinių skaidulų ir laisvos erdvės optikos. Galima sukurti visų skaidulų stiprintuvų sistemas, tačiau šios sistemos nepasiekia sistemų, kuriose naudojama masinė optika, našumo. Yra ir kitų atvejų, kai optika veikia netoli savo pažeidimo slenksčių; tačiau komerciniams prietaisams reikalingos didesnės saugos garantijos. Kita problema – reikalingos tam tikros specialios medžiagos, kurias labai sunku gauti.

Taikymas:
Itin greiti stiprintuvai turi daug pritaikymų:
Daugelis prietaisų naudojami fundamentiniams tyrimams. Jie gali suteikti stiprius impulsus stipriems netiesiniams procesams, pvz., aukštos eilės harmonikų generavimui, arba pagreitinti daleles iki labai didelės energijos.
Dideli itin greiti stiprintuvai naudojami lazeriu sukeltos sintezės (inercinio uždarymo, greito uždegimo) tyrimuose.
Pikosekundiniai arba femtosekundiniai impulsai, kurių energija išreikšta milidžauliais, yra naudingi preciziniam apdirbimui. Pavyzdžiui, labai trumpi impulsai leidžia labai smulkiai ir tiksliai pjauti plonus metalo lakštus.
Itin greitas stiprintuvų sistemas sunku įdiegti pramonėje dėl jų sudėtingumo ir didelės kainos, o kartais ir dėl nepakankamo tvirtumo. Šiuo atveju padėčiai pagerinti reikia technologiškai pažangesnių patobulinimų.