Сверхбыстрый усилитель

Определение: Усилитель, усиливающий сверхкороткие оптические импульсы.
Сверхбыстрые усилители — это оптические усилители, используемые для усиления сверхкоротких импульсов. Некоторые сверхбыстрые усилители используются для усиления последовательности импульсов с высокой частотой повторения, чтобы получить очень высокую среднюю мощность, в то время как энергия импульса все еще находится на умеренном уровне, в других случаях импульсы с более низкой частотой повторения получают большее усиление и получают очень высокую энергию импульсов и относительно большую пиковую мощность. Когда эти интенсивные импульсы фокусируются на некоторых мишенях, получаются очень высокие интенсивности света, иногда даже превышающие 1016 Вт/см2.
В качестве примера рассмотрим выходной сигнал лазера с синхронизацией мод с частотой повторения импульсов 100 МГц, длительностью 100 фс и средней мощностью 0,1 Вт. Таким образом, энергия импульса составляет 0,1 Вт/100 МГц = 1 нДж, а пиковая мощность менее 10 кВт (в зависимости от формы импульса). Усилитель большой мощности, воздействуя на весь импульс, может увеличить его среднюю мощность до 10 Вт, увеличив тем самым энергию импульса до 100 нДж. В качестве альтернативы перед усилителем можно использовать датчик импульсов, чтобы уменьшить частоту повторения импульсов до 1 кГц. Если мощный усилитель еще увеличивает среднюю мощность до 10Вт, то энергия импульса в это время составляет 10мДж, а пиковая мощность может достигать 100ГВт.

Особые требования к сверхбыстрым усилителям:
Помимо обычных технических деталей оптических усилителей, сверхбыстрые устройства сталкиваются с дополнительными проблемами:
Особенно для систем с высокой энергией коэффициент усиления усилителя должен быть очень большим. В рассмотренных выше ионах требуется усиление до 70 дБ. Поскольку однопроходные усилители имеют ограниченное усиление, обычно используется многоканальный режим. Очень высокого коэффициента усиления можно добиться с помощью усилителей с положительной обратной связью. Кроме того, часто используются многокаскадные усилители (цепочки усилителей), где первый каскад обеспечивает высокий коэффициент усиления, а последний каскад оптимизирован для высокой энергии импульса и эффективного отбора энергии.
Высокое усиление также обычно означает большую чувствительность к отраженному назад свету (за исключением усилителей с положительной обратной связью) и большую склонность к усиленному спонтанному излучению (ASE). В определенной степени УСИ можно подавить, поместив оптический переключатель (акустооптический модулятор) между двумя каскадами усилителей. Эти переключатели открываются только на очень короткие промежутки времени вокруг пика усиленного импульса. Однако этот временной интервал все же велик по сравнению с длительностью импульса, поэтому подавление фонового шума УСИ вблизи импульса маловероятно. Оптические параметрические усилители работают лучше в этом отношении, потому что они обеспечивают усиление только при прохождении импульса накачки. Обратно распространяющийся свет не усиливается.
Ультракороткие импульсы имеют значительную полосу пропускания, которая может быть уменьшена за счет эффекта сужения усиления в усилителе, что приводит к увеличению длительности усиленных импульсов. При длительности импульса менее десятков фемтосекунд требуется сверхширокополосный усилитель. Сужение усиления особенно важно в системах с высоким усилением.
В частности, для систем с высокой энергией импульса различные нелинейные эффекты могут исказить временную и пространственную форму импульса и даже повредить усилитель из-за эффектов самофокусировки. Эффективным способом подавления этого эффекта является использование усилителя чирпированных импульсов (УИУ), в котором импульс сначала дисперсионно уширяется до длительности, например, 1 нс, затем усиливается и, наконец, дисперсионно сжимается. Другой менее распространенной альтернативой является использование субимпульсного усилителя. Другим важным методом является увеличение площади моды усилителя для уменьшения интенсивности света.
Для однопроходных усилителей эффективный отбор энергии возможен только в том случае, если длительность импульса достаточно велика, чтобы позволить потоку импульсов достичь уровня потока насыщения, не вызывая сильных нелинейных эффектов.
Различные требования к сверхбыстрым усилителям отражаются в различиях в энергии импульса, длительности импульса, частоте повторения, средней длине волны и т. д. Соответственно, необходимо использовать разные устройства. Ниже приведены некоторые типичные показатели производительности, полученные для различных типов систем:
Волоконный усилитель, легированный иттербием, может усиливать последовательность импульсов длительностью 10 пс на частоте 100 МГц до средней мощности 10 Вт. (Систему с такой возможностью иногда называют сверхбыстрым волоконным лазером, хотя на самом деле это устройство усилителя мощности задающего генератора.) Пиковая мощность 10 кВт относительно легко достигается с помощью волоконных усилителей с большими площадями мод. Но с фемтосекундными импульсами такая система будет иметь очень сильные нелинейные эффекты. Начиная с фемтосекундных импульсов с последующим усилением чирпированных импульсов, можно легко получить энергию в несколько микроджоулей или, в крайних случаях, больше 1 мДж. Альтернативный подход заключается в усилении параболического импульса в волокне с нормальной дисперсией с последующим дисперсионным сжатием импульса.
Многопроходный объемный усилитель, такой как усилитель на основе титана: сапфира, может обеспечить большую область моды, что приводит к выходной энергии порядка 1 Дж при относительно низкой частоте повторения импульсов, например 10 Гц. Растяжение импульса на несколько наносекунд необходимо для подавления нелинейных эффектов. После сжатия до 20 фс пиковая мощность может достигать десятков тераватт (ТВт); самые передовые большие системы могут достигать пиковой мощности более 1 ПВт, что составляет порядка пиковатт. Например, системы меньшего размера могут генерировать импульсы мощностью 1 мДж на частоте 10 кГц. Коэффициент усиления многопроходного усилителя обычно составляет порядка 10 дБ.
В усилителе с положительной обратной связью можно получить высокий коэффициент усиления в десятки дБ. Например, импульс в 1 нДж можно усилить до 1 мДж с помощью усилителя с положительной обратной связью Ti:Sapphire. Кроме того, для подавления нелинейных эффектов требуется усилитель чирпированных импульсов.
С помощью усилителя с положительной обратной связью на основе тонкодисковой лазерной головки, легированной иттербием, импульсы длительностью менее 1 пс могут быть усилены до нескольких сотен микроджоулей без необходимости использования CPA.
Волоконные параметрические усилители, накачиваемые наносекундными импульсами, генерируемыми лазерами с модуляцией добротности, могут усиливать энергию растянутых импульсов до нескольких миллиджоулей. Высокий коэффициент усиления в несколько децибел может быть достигнут в одноканальном режиме. Для специальных структур фазового согласования ширина полосы усиления очень широка, поэтому после сжатия дисперсии можно получить очень короткий импульс.
Технические характеристики коммерческих систем сверхбыстрых усилителей часто намного ниже лучших характеристик, полученных в научных экспериментах. Во многих случаях основная причина заключается в том, что устройства и методы, используемые в экспериментах, часто не могут быть применены к коммерческим устройствам из-за их недостаточной стабильности и надежности. Например, сложные волоконно-оптические системы содержат несколько процессов перехода между оптическими волокнами и оптикой в ​​свободном пространстве. Можно построить полностью волоконные усилители, но эти системы не достигают производительности систем, использующих объемную оптику. Есть и другие случаи, когда оптика работает вблизи своего порога повреждения; однако для коммерческих устройств требуются более высокие гарантии безопасности. Другая проблема заключается в том, что требуются некоторые специальные материалы, которые очень трудно достать.

Приложение:
Сверхбыстрые усилители имеют множество применений:
Многие устройства используются для фундаментальных исследований. Они могут обеспечить мощные импульсы для сильных нелинейных процессов, таких как генерация высших гармоник, или для ускорения частиц до очень высоких энергий.
Большие сверхбыстрые усилители используются в исследованиях лазерно-индуцированного синтеза (синтез с инерционным удержанием, быстрое зажигание).
Пикосекундные или фемтосекундные импульсы с энергией в миллиджоулях полезны при точной обработке. Например, очень короткие импульсы позволяют очень тонко и точно резать тонкие металлические листы.
Системы сверхбыстрых усилителей трудно реализовать в промышленности из-за их сложности и высокой стоимости, а иногда и из-за недостаточной надежности. В этом случае для улучшения ситуации необходимы более технологичные разработки.