Ultra sürətli gücləndirici

Tərif: Ultraqısa optik impulsları gücləndirən gücləndirici.
Ultrasürətli gücləndiricilər ultraqısa impulsları gücləndirmək üçün istifadə olunan optik gücləndiricilərdir. Bəzi ultrasürətli gücləndiricilər, nəbz enerjisi hələ də orta səviyyədə olarkən çox yüksək orta güc əldə etmək üçün yüksək təkrar tezliyi nəbz qatarlarını gücləndirmək üçün istifadə olunur, digər hallarda daha aşağı təkrar sürəti impulslar daha çox qazanc əldə edir və çox yüksək impuls enerjisi və nisbətən böyük pik güc əldə edir. Bu intensiv impulslar bəzi hədəflərə fokuslandıqda, bəzən 1016âW/sm2-dən çox olan çox yüksək işıq intensivliyi əldə edilir.
Nümunə olaraq, 100 MHz impuls təkrar tezliyi, 100 fs uzunluğunda və orta gücü 0,1 Vt olan rejim kilidli lazerin çıxışını nəzərdən keçirək. Beləliklə, impuls enerjisi 0,1W/100MHz=1nJ-dir və pik gücü 10 kVt-dan azdır (pulse forması ilə bağlıdır). Bütün nəbz üzərində hərəkət edən yüksək güclü gücləndirici orta gücünü 10 Vt-a qədər artıra bilər, beləliklə nəbz enerjisini 100nJ-ə qədər artırır. Alternativ olaraq, impulsun təkrarlanma tezliyini 1 kHz-ə endirmək üçün gücləndiricidən əvvəl impuls qəbuledicisi istifadə edilə bilər. Yüksək güclü gücləndirici hələ də orta gücü 10 Vt-a qədər artırırsa, bu zaman nəbz enerjisi 10 mJ-dir və pik güc 100 GW-a çata bilər.

Ultrafast gücləndiricilər üçün xüsusi tələblər:
Optik gücləndiricilərin adi texniki detallarına əlavə olaraq, ultrafast cihazlar əlavə problemlərlə üzləşirlər:
Xüsusilə yüksək enerji sistemləri üçün gücləndiricinin qazancı çox böyük olmalıdır. Yuxarıda müzakirə edilən ionlarda 70dB-ə qədər qazanc tələb olunur. Tək keçidli gücləndiricilər qazanc baxımından məhdud olduğundan, adətən çox kanallı əməliyyat istifadə olunur. Müsbət rəy gücləndiriciləri ilə çox yüksək qazanc əldə etmək olar. Bundan əlavə, çox mərhələli gücləndiricilər (gücləndirici zəncirlər) tez-tez istifadə olunur, burada birinci mərhələ yüksək qazanc təmin edir və sonuncu mərhələ yüksək impuls enerjisi və səmərəli enerji çıxarılması üçün optimallaşdırılır.
Yüksək qazanc, ümumiyyətlə, əks əks olunan işığa daha çox həssaslıq (müsbət rəy gücləndiriciləri istisna olmaqla) və gücləndirilmiş spontan emissiya (ASE) yaratmaq üçün daha çox meyl deməkdir. Müəyyən dərəcədə ASE gücləndiricilərin iki mərhələsi arasında optik keçid (akusto-optik modulyator) yerləşdirməklə yatırıla bilər. Bu açarlar yalnız gücləndirilmiş impulsun zirvəsi ətrafında çox qısa zaman intervalları üçün açılır. Bununla belə, bu vaxt intervalı nəbzin uzunluğu ilə müqayisədə hələ də uzundur, ona görə də nəbzin yaxınlığında ASE fon səs-küyünü boğmaq mümkün deyil. Optik parametrik gücləndiricilər bu baxımdan daha yaxşı işləyirlər, çünki onlar yalnız nasos impulsu keçdikdə qazanc təmin edirlər. Geri yayılan işıq gücləndirilmir.
Ultraqısa impulslar gücləndiricidə qazanc-daralma təsiri ilə azaldıla bilən əhəmiyyətli bant genişliyinə malikdir, beləliklə daha uzun gücləndirilmiş impuls uzunluqları ilə nəticələnir. Nəbz uzunluğu onlarla femtosaniyədən az olduqda, ultra genişzolaqlı gücləndirici tələb olunur. Qazanc daralması yüksək qazanc sistemlərində xüsusilə vacibdir.
Xüsusilə yüksək impuls enerjiləri olan sistemlər üçün müxtəlif qeyri-xətti effektlər nəbzin müvəqqəti və məkan formasını təhrif edə, hətta özünə fokuslanma effektləri səbəbindən gücləndiricini zədələyə bilər. Bu effekti yatırtmağın təsirli yolu, nəbz gücləndiricisindən (CPA) istifadə etməkdir, burada nəbz əvvəlcə dispersiya, məsələn, 1 ns uzunluğa genişləndirilir, sonra gücləndirilir və nəhayət dispersiya sıxılır. Daha az yayılmış başqa bir alternativ sub-pulse gücləndiricisindən istifadə etməkdir. Digər mühüm üsul, işıq intensivliyini azaltmaq üçün gücləndiricinin rejim sahəsini artırmaqdır.
Tək keçidli gücləndiricilər üçün enerjinin səmərəli çıxarılması yalnız nəbz axınının güclü qeyri-xətti təsirlərə səbəb olmadan doyma axını səviyyələrinə çatmasına imkan verəcək qədər uzunluqda olduqda mümkündür.
Ultrafast gücləndiricilər üçün müxtəlif tələblər nəbz enerjisi, nəbz uzunluğu, təkrarlanma tezliyi, orta dalğa uzunluğu və s. fərqlərdə əks olunur. Müvafiq olaraq, müxtəlif cihazların qəbul edilməsi lazımdır. Aşağıda müxtəlif sistem növləri üçün əldə edilən bəzi tipik performans göstəriciləri verilmişdir:
İtterbium qatqılı lif gücləndiricisi 100 MHz-də 10 ps nəbz qatını orta gücə 10 Vt qədər gücləndirə bilər. (Bu qabiliyyətə malik olan sistemə bəzən ultrasürətli fiber lazer deyilir, baxmayaraq ki, o, əslində master osilator güc gücləndiricisi cihazıdır.) 10 kVt-lıq pik güclərə böyük rejim sahələri olan lif gücləndiricilərindən istifadə etməklə nail olmaq nisbətən asandır. Lakin femtosaniyə impulsları ilə belə bir sistem çox güclü qeyri-xətti təsirlərə malik olardı. Femtosaniyə impulslarından başlayaraq, sonra cingiltili nəbz gücləndirilməsi ilə bir neçə mikrojoulun enerjiləri asanlıqla əldə edilə bilər və ya ekstremal hallarda 1 mJ-dən çox olur. Alternativ yanaşma, normal dispersiyaya malik lifdə parabolik nəbzin gücləndirilməsi, ardınca nəbzin dispersiya sıxılmasıdır.
Ti: Sapphire əsaslı gücləndirici kimi çox keçidli toplu gücləndirici, 10 Hz kimi nisbətən aşağı impulsların təkrarlanma tezliyi ilə 1 J səviyyəsində çıxış enerjisi ilə nəticələnən geniş rejim sahəsi təmin edə bilər. Qeyri-xətti effektləri yatırmaq üçün nəbzin bir neçə nanosaniyə uzadılması lazımdır. Daha sonra 20fs demək üçün sıxılmış, pik güc onlarla terawatta (TW) çata bilər; ən qabaqcıl böyük sistemlər pikovat səviyyəsində olan 1PW-dən çox pik gücə nail ola bilir. Kiçik sistemlər, məsələn, 10 kHz-də 1 mJ impulslar yarada bilər. Çox keçidli gücləndiricinin qazancı adətən 10 dB səviyyəsindədir.
Müsbət rəy gücləndiricisində onlarla dB yüksək qazanc əldə edilə bilər. Məsələn, 1 nJ impuls Ti: Sapphire müsbət rəy gücləndiricisindən istifadə edərək 1 mJ-ə qədər gücləndirilə bilər. Bundan əlavə, qeyri-xətti effektləri yatırmaq üçün cingiltili impuls gücləndiricisi tələb olunur.
İtterbium qatqılı nazik diskli lazer başlığına əsaslanan müsbət rəy gücləndiricisindən istifadə edərək, uzunluğu 1 ps-dən az olan impulslar CPA-ya ehtiyac olmadan bir neçə yüz mikrojoula qədər gücləndirilə bilər.
Q-switched lazerlər tərəfindən yaradılan nanosaniyə impulsları ilə vurulan lif parametrik gücləndiricilər uzanan impuls enerjisini bir neçə millijoula qədər gücləndirə bilər. Bir kanallı əməliyyatda bir neçə desibel yüksək qazanc əldə edilə bilər. Xüsusi faza uyğun strukturlar üçün, qazanc bant genişliyi çox böyükdür, buna görə də dispersiya sıxılmadan sonra çox qısa bir impuls əldə edilə bilər.
Ticarət ultrasürətli gücləndirici sistemlərin performans xüsusiyyətləri çox vaxt elmi təcrübələrdə əldə edilən ən yaxşı performansdan xeyli aşağı olur. Bir çox hallarda, əsas səbəb təcrübələrdə istifadə olunan qurğu və texnikaların sabitlik və möhkəmlik olmaması səbəbindən tez-tez kommersiya cihazlarına tətbiq edilə bilməməsidir. Məsələn, mürəkkəb optik lif sistemləri optik liflər və boş yer optikləri arasında çoxsaylı keçid proseslərini ehtiva edir. Bütün lifli gücləndirici sistemlər tikilə bilər, lakin bu sistemlər toplu optiklərdən istifadə edən sistemlərin performansına nail olmur. Optikaların zədələnmə hədlərinin yaxınlığında işlədiyi digər hallar da var; lakin kommersiya cihazları üçün daha yüksək təhlükəsizlik təminatları tələb olunur. Başqa bir problem, əldə etmək çox çətin olan bəzi xüsusi materiallar tələb olunur.

Ərizə:
Ultrafast gücləndiricilərin bir çox tətbiqi var:
Əsas tədqiqatlar üçün bir çox cihaz istifadə olunur. Onlar yüksək nizamlı harmonik generasiya kimi güclü qeyri-xətti proseslər üçün güclü impulslar verə bilər və ya hissəcikləri çox yüksək enerjilərə sürətləndirə bilər.
Böyük ultrasürətli gücləndiricilər lazerlə qaynaqlanan birləşmə üçün tədqiqatlarda istifadə olunur (inertial qapalı birləşmə, sürətli alovlanma).
Enerjiləri millijoulda olan pikosaniyə və ya femtosaniyə impulsları dəqiq emalda faydalıdır. Məsələn, çox qısa impulslar nazik metal təbəqələrin çox incə və dəqiq kəsilməsinə imkan verir.
Ultrafast gücləndirici sistemlərinin mürəkkəbliyi və yüksək qiyməti, bəzən isə möhkəmlik olmaması səbəbindən sənayedə tətbiqi çətindir. Bu halda vəziyyəti yaxşılaşdırmaq üçün daha çox texnoloji inkişafa ehtiyac var.