Ultrasnelle versterker

Definitie: Een versterker die ultrakorte optische pulsen versterkt.
Ultrasnelle versterkers zijn optische versterkers die worden gebruikt om ultrakorte pulsen te versterken. Sommige ultrasnelle versterkers worden gebruikt om pulstreinen met een hoge herhalingssnelheid te versterken om een ​​zeer hoog gemiddeld vermogen te krijgen terwijl de pulsenergie nog steeds op een gematigd niveau is, in andere gevallen krijgen pulsen met een lagere herhalingssnelheid meer versterking en krijgen ze zeer hoge pulsenergie en een relatief groot piekvermogen. Wanneer deze intense pulsen op sommige doelen worden gericht, worden zeer hoge lichtintensiteiten verkregen, soms zelfs groter dan 1016 W/cm2.
Beschouw als voorbeeld de uitvoer van een modusvergrendelde laser met een pulsherhalingsfrequentie van 100 MHz, een lengte van 100 fs en een gemiddeld vermogen van 0,1 W. De pulsenergie is dus 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, en de piekvermogen is minder dan 10 kW (gerelateerd aan de pulsvorm). Een krachtige versterker die op de gehele puls werkt, kan zijn gemiddelde vermogen verhogen tot 10 W, waardoor de pulsenergie toeneemt tot 100 nJ. Als alternatief kan vóór de versterker een pulsopname worden gebruikt om de pulsherhalingsfrequentie te verlagen tot 1 kHz. Als de krachtige versterker het gemiddelde vermogen nog steeds verhoogt tot 10 W, dan is de pulsenergie op dit moment 10 mJ en kan het piekvermogen 100 GW bereiken.

Speciale vereisten voor ultrasnelle versterkers:
Naast de gebruikelijke technische details van optische versterkers, hebben ultrasnelle apparaten te maken met extra problemen:
Vooral voor systemen met hoge energie moet de versterking van de versterker erg groot zijn. In de hierboven besproken ionen is een versterking tot 70dB vereist. Aangezien single-pass versterkers een beperkte versterking hebben, wordt gewoonlijk meerkanaalswerking toegepast. Zeer hoge versterkingen kunnen worden bereikt met versterkers met positieve feedback. Bovendien worden vaak meertrapsversterkers (versterkerketens) gebruikt, waarbij de eerste trap een hoge versterking levert en de laatste trap is geoptimaliseerd voor hoge pulsenergie en efficiënte energie-extractie.
Hoge versterking betekent over het algemeen ook meer gevoeligheid voor teruggekaatst licht (met uitzondering van versterkers met positieve feedback) en een grotere neiging om versterkte spontane emissie (ASE) te produceren. ASE kan tot op zekere hoogte worden onderdrukt door een optische schakelaar (akoestisch-optische modulator) tussen de twee trappen van versterkers te plaatsen. Deze schakelaars gaan alleen open voor zeer korte tijdsintervallen rond de piek van de versterkte puls. Dit tijdsinterval is echter nog steeds lang in vergelijking met de pulslengte, dus het onderdrukken van de ASE-achtergrondruis in de buurt van de puls is onwaarschijnlijk. Optische parametrische versterkers presteren in dit opzicht beter omdat ze alleen versterking leveren als de pomppuls wordt doorgelaten. Backpropaging licht wordt niet versterkt.
Ultrakorte pulsen hebben een aanzienlijke bandbreedte, die kan worden verkleind door het versterkingsvernauwende effect in de versterker, wat resulteert in langere versterkte pulslengtes. Wanneer de pulslengte minder is dan tientallen femtoseconden, is een ultrabreedbandversterker vereist. Versterkingsvernauwing is vooral belangrijk bij systemen met hoge versterking.
Vooral voor systemen met hoge pulsenergieën kunnen verschillende niet-lineaire effecten de temporele en ruimtelijke vorm van de puls vervormen en zelfs de versterker beschadigen als gevolg van zelffocusserende effecten. Een effectieve manier om dit effect te onderdrukken is het gebruik van een chirped pulsversterker (CPA), waarbij de puls eerst in dispersie wordt verbreed tot een lengte van bijvoorbeeld 1 ns, vervolgens wordt versterkt en ten slotte in dispersie wordt gecomprimeerd. Een ander minder gebruikelijk alternatief is het gebruik van een subpulsversterker. Een andere belangrijke methode is het vergroten van het modusgebied van de versterker om de lichtintensiteit te verminderen.
Voor single-pass versterkers is efficiënte energie-extractie alleen mogelijk als de pulslengte lang genoeg is om de pulsflux verzadigingsfluxniveaus te laten bereiken zonder sterke niet-lineaire effecten te veroorzaken.
De verschillende vereisten voor ultrasnelle versterkers komen tot uiting in verschillen in pulsenergie, pulslengte, herhalingssnelheid, gemiddelde golflengte, enz. Dienovereenkomstig moeten verschillende apparaten worden gebruikt. Hieronder vindt u enkele typische prestatiestatistieken die zijn verkregen voor verschillende soorten systemen:
De met ytterbium gedoteerde glasvezelversterker kan de pulstrein van 10ps bij 100MHz versterken tot een gemiddeld vermogen van 10W. (Een systeem met deze mogelijkheid wordt soms een ultrasnelle fiberlaser genoemd, ook al is het eigenlijk een hoofdoscillator-eindversterker.) Piekvermogens van 10 kW zijn relatief eenvoudig te bereiken met glasvezelversterkers met grote modusgebieden. Maar met femtosecondepulsen zou zo'n systeem zeer sterke niet-lineaire effecten hebben. Beginnend met femtosecondepulsen, gevolgd door getjilpte pulsversterking, kunnen gemakkelijk energieën van enkele microjoules worden verkregen, of in extreme gevallen meer dan 1 mJ. Een alternatieve benadering is het versterken van een parabolische puls in een vezel met normale spreiding, gevolgd door dispersiecompressie van de puls.
Een multi-pass bulkversterker, zoals een op Ti:Sapphire gebaseerde versterker, kan een groot modusgebied bieden, wat resulteert in uitvoerenergieën in de orde van grootte van 1 J, met relatief lage pulsherhalingsfrequenties, zoals 10 Hz. Pulsverlenging met enkele nanoseconden is nodig om niet-lineaire effecten te onderdrukken. Later gecomprimeerd tot bijvoorbeeld 20 fs, kan het piekvermogen tientallen terawatt (TW) bereiken; de meest geavanceerde grote systemen kunnen een piekvermogen bereiken van meer dan 1 PW, wat in de orde van grootte van picowatt is. Kleinere systemen kunnen bijvoorbeeld 1 mJ pulsen genereren bij 10 kHz. De versterking van een multipass-versterker is meestal in de orde van grootte van 10 dB.
Een hoge versterking van tientallen dB's kan worden verkregen in een versterker met positieve terugkoppeling. Een puls van 1 nJ kan bijvoorbeeld worden versterkt tot 1 mJ met behulp van een Ti:Sapphire-versterker met positieve feedback. Bovendien is een getjilpte pulsversterker vereist om niet-lineaire effecten te onderdrukken.
Met behulp van een versterker met positieve feedback op basis van een met ytterbium gedoteerde laserkop met dunne schijf, kunnen pulsen met een lengte van minder dan 1 ps worden versterkt tot enkele honderden microjoules zonder dat CPA nodig is.
Parametrische vezelversterkers die worden gepompt met pulsen van nanoseconden die worden gegenereerd door Q-geschakelde lasers, kunnen de uitgerekte pulsenergie versterken tot enkele millijoules. Bij gebruik met één kanaal kan een hoge versterking van enkele decibels worden bereikt. Voor speciale fase-aanpassingsstructuren is de versterkingsbandbreedte erg groot, zodat een zeer korte puls kan worden verkregen na dispersiecompressie.
De prestatiespecificaties van commerciële ultrasnelle versterkersystemen liggen vaak ver onder de beste prestaties die in wetenschappelijke experimenten zijn verkregen. In veel gevallen is de belangrijkste reden dat de apparaten en technieken die in de experimenten worden gebruikt vaak niet kunnen worden toegepast op commerciële apparaten vanwege hun gebrek aan stabiliteit en robuustheid. Complexe glasvezelsystemen bevatten bijvoorbeeld meerdere overgangsprocessen tussen optische vezels en optica met vrije ruimte. Versterkersystemen met volledig glasvezel kunnen worden geconstrueerd, maar deze systemen bereiken niet de prestaties van systemen met bulkoptica. Er zijn andere gevallen waarin optica in de buurt van hun schadedrempels werken; voor commerciële apparaten zijn echter hogere veiligheidsgaranties vereist. Een ander probleem is dat er speciale materialen nodig zijn, die erg moeilijk te verkrijgen zijn.

Sollicitatie:
Ultrasnelle versterkers hebben vele toepassingen:
Veel apparaten worden gebruikt voor fundamenteel onderzoek. Ze kunnen sterke pulsen leveren voor sterke niet-lineaire processen, zoals het genereren van harmonischen van hoge orde, of om deeltjes te versnellen tot zeer hoge energieën.
Grote ultrasnelle versterkers worden gebruikt bij onderzoek naar lasergeïnduceerde fusie (traagheidsopsluitingsfusie, snelle ontsteking).
Picoseconde- of femtosecondepulsen met energieën in millijoules zijn gunstig bij precisiebewerking. Zeer korte pulsen maken bijvoorbeeld zeer fijn en nauwkeurig snijden van dunne metalen platen mogelijk.
Ultrasnelle versterkersystemen zijn moeilijk te implementeren in de industrie vanwege hun complexiteit en hoge prijs, en soms vanwege hun gebrek aan robuustheid. In dit geval zijn meer technologisch geavanceerde ontwikkelingen nodig om de situatie te verbeteren.