Ultra hızlı amplifikatör

Tanım: Ultra kısa optik darbeleri yükselten bir amplifikatör.
Ultra hızlı amplifikatörler, ultra kısa darbeleri yükseltmek için kullanılan optik amplifikatörlerdir. Bazı ultra hızlı amplifikatörler, darbe enerjisi hala orta seviyelerdeyken çok yüksek ortalama güç elde etmek için yüksek tekrarlama oranlı darbe dizilerini yükseltmek için kullanılır, diğer durumlarda daha düşük tekrarlama oranlı darbeler daha fazla kazanç elde eder ve çok yüksek darbe enerjisi ve nispeten büyük tepe gücü elde eder. Bu yoğun darbeler bazı hedeflere odaklandığında, bazen 1016 W/cm2'den bile daha büyük olan çok yüksek ışık yoğunlukları elde edilir.
Örnek olarak, 100 MHz darbe tekrarlama hızına, 100 fs uzunluğa ve 0,1 W ortalama güce sahip mod kilitli bir lazerin çıktısını düşünün. Böylece darbe enerjisi 0,1W/100MHz=1nJ'dir ve tepe gücü 10kW'tan azdır (darbe şekliyle ilgili). Tüm darbeye etki eden yüksek güçlü bir amplifikatör, ortalama gücünü 10W'a çıkarabilir, böylece darbe enerjisini 100nJ'ye yükseltebilir. Alternatif olarak, darbe tekrarlama oranını 1 kHz'e düşürmek için amplifikatörden önce bir darbe toplayıcı kullanılabilir. Yüksek güçlü amplifikatör hala ortalama gücü 10W'a çıkarırsa, o zaman darbe enerjisi şu anda 10mJ'dir ve tepe gücü 100GW'ye ulaşabilir.

Ultra hızlı amplifikatörler için özel gereksinimler:
Optik amplifikatörlerin olağan teknik detaylarına ek olarak, ultra hızlı cihazlar ek sorunlarla karşılaşır:
Özellikle yüksek enerjili sistemlerde yükselticinin kazancı çok büyük olmalıdır. Yukarıda tartışılan iyonlarda, 70dB'ye kadar bir kazanç gereklidir. Tek geçişli amplifikatörlerin kazancı sınırlı olduğundan, genellikle çok kanallı işlem kullanılır. Pozitif geri beslemeli yükselteçlerle çok yüksek kazançlar elde edilebilir. Ek olarak, genellikle ilk aşamanın yüksek kazanç sağladığı ve son aşamanın yüksek darbe enerjisi ve verimli enerji çıkışı için optimize edildiği çok aşamalı amplifikatörler (amplifikatör zincirleri) kullanılır.
Yüksek kazanç ayrıca genellikle geri yansıyan ışığa karşı daha fazla hassasiyet (pozitif geri besleme amplifikatörleri hariç) ve güçlendirilmiş kendiliğinden emisyon (ASE) üretme eğilimi anlamına gelir. ASE, amplifikatörlerin iki aşaması arasına bir optik anahtar (akusto-optik modülatör) yerleştirilerek bir dereceye kadar bastırılabilir. Bu anahtarlar, yalnızca güçlendirilmiş darbenin tepe noktası etrafındaki çok kısa zaman aralıklarında açılır. Ancak, bu zaman aralığı darbe uzunluğuna kıyasla hala uzundur, bu nedenle darbe yakınında ASE arka plan gürültüsünün bastırılması olası değildir. Optik parametrik yükselteçler bu konuda daha iyi performans gösterir çünkü sadece pompa darbesi geçtiğinde kazanç sağlarlar. Geri yayılan ışık yükseltilmez.
Ultra kısa darbeler, amplifikatördeki kazanç daraltma etkisi ile azaltılabilen ve böylece daha uzun güçlendirilmiş darbe uzunlukları ile sonuçlanan önemli bir bant genişliğine sahiptir. Darbe uzunluğu onlarca femtosaniyeden az olduğunda, ultra geniş bantlı bir amplifikatör gerekir. Kazanç daraltma, özellikle yüksek kazançlı sistemlerde önemlidir.
Özellikle yüksek darbe enerjilerine sahip sistemler için çeşitli doğrusal olmayan etkiler, darbenin zamansal ve uzamsal şeklini bozabilir ve hatta kendi kendine odaklanma etkileri nedeniyle amplifikatöre zarar verebilir. Bu etkiyi bastırmanın etkili bir yolu, darbenin önce dağılımın örneğin 1 ns uzunluğa genişletildiği, ardından yükseltildiği ve son olarak dağılımın sıkıştırıldığı bir cıvıl cıvıl darbe amplifikatörü (CPA) kullanmaktır. Daha az yaygın olan başka bir alternatif, bir alt darbe amplifikatörü kullanmaktır. Bir diğer önemli yöntem ise ışık şiddetini azaltmak için amfinin mod alanını arttırmaktır.
Tek geçişli amplifikatörler için, verimli enerji çıkarma yalnızca darbe uzunluğunun, güçlü doğrusal olmayan etkilere neden olmadan darbe akısının doygunluk akısı seviyelerine ulaşmasına izin verecek kadar uzun olması durumunda mümkündür.
Ultra hızlı amplifikatörler için farklı gereksinimler, darbe enerjisi, darbe uzunluğu, tekrarlama hızı, ortalama dalga boyu vb. farklılıklara yansır. Buna göre, farklı cihazların benimsenmesi gerekir. Aşağıda, farklı sistem türleri için elde edilen bazı tipik performans ölçütleri verilmiştir:
İterbiyum katkılı fiber amplifikatör, 100 MHz'de 10 ps'lik darbe dizisini ortalama 10 W güce yükseltebilir. (Aslında bir ana osilatör güç amplifikatörü cihazı olmasına rağmen, bu yeteneğe sahip bir sistem bazen ultra hızlı fiber lazer olarak adlandırılır.) Geniş mod alanlarına sahip fiber amplifikatörler kullanılarak 10 kW'lık tepe güçlere ulaşmak nispeten kolaydır. Ancak femtosaniye darbeleri ile böyle bir sistemin çok güçlü doğrusal olmayan etkileri olacaktır. Femtosaniye darbelerle başlayarak, ardından cıvıl cıvıl darbe amplifikasyonu ile birkaç mikrojoule'lük enerjiler veya aşırı durumlarda 1 mJ'den daha büyük enerjiler kolayca elde edilebilir. Alternatif bir yaklaşım, normal dağılıma sahip bir fiberdeki parabolik bir darbeyi yükseltmek ve ardından darbenin dağılım sıkıştırmasıdır.
Ti:Safir tabanlı bir amplifikatör gibi çok geçişli bir toplu amplifikatör, 10 Hz gibi nispeten düşük darbe tekrarlama oranlarıyla 1 J mertebesinde çıkış enerjileriyle sonuçlanan geniş bir mod alanı sağlayabilir. Doğrusal olmayan etkileri bastırmak için darbenin birkaç nanosaniye kadar uzatılması gereklidir. Daha sonra 20fs olarak sıkıştırılan tepe güç onlarca teravata (TW) ulaşabilir; en gelişmiş büyük sistemler, pikovat mertebesinde olan 1PW'den daha yüksek tepe gücüne ulaşabilir. Örneğin daha küçük sistemler, 10 kHz'de 1 mJ darbe üretebilir. Çok geçişli bir amplifikatörün kazancı genellikle 10dB mertebesindedir.
Pozitif geri beslemeli bir amplifikatörde onlarca dB'lik yüksek bir kazanç elde edilebilir. Örneğin, 1 nJ'lik bir darbe, bir Ti:Safir pozitif geri besleme amplifikatörü kullanılarak 1 mJ'ye yükseltilebilir. Ek olarak, doğrusal olmayan etkileri bastırmak için cıvıl cıvıl bir darbe amplifikatörü gereklidir.
İterbiyum katkılı ince disk lazer kafasına dayalı bir pozitif geri besleme amplifikatörü kullanılarak, uzunluğu 1 ps'den az olan darbeler, CPA'ya gerek kalmadan birkaç yüz mikrojoule yükseltilebilir.
Q-anahtarlı lazerler tarafından üretilen nanosaniye darbeleriyle pompalanan fiber parametrik amplifikatörler, uzatılmış darbe enerjisini birkaç milijoule yükseltebilir. Tek kanallı çalışmada birkaç desibellik yüksek kazanç elde edilebilir. Özel faz eşleştirme yapıları için kazanç bant genişliği çok büyüktür, bu nedenle dağılım sıkıştırmasından sonra çok kısa bir darbe elde edilebilir.
Ticari ultra hızlı amplifikatör sistemlerinin performans özellikleri genellikle bilimsel deneylerde elde edilen en iyi performansın oldukça altındadır. Çoğu durumda ana sebep, deneylerde kullanılan cihaz ve tekniklerin, kararlılık ve sağlamlık eksikliğinden dolayı ticari cihazlara uygulanamamasıdır. Örneğin, karmaşık fiber optik sistemler, fiber optikler ve boş alan optiği arasında çok sayıda geçiş süreci içerir. Tamamen fiber amplifikatör sistemleri inşa edilebilir, ancak bu sistemler toplu optik kullanan sistemlerin performansına ulaşmaz. Optiklerin hasar eşiklerine yakın çalıştığı başka durumlar da vardır; ancak ticari cihazlar için daha yüksek güvenlik güvenceleri gereklidir. Diğer bir sorun ise elde edilmesi çok zor olan bazı özel malzemelere ihtiyaç duyulmasıdır.

Başvuru:
Ultra hızlı amplifikatörlerin birçok uygulaması vardır:
Temel araştırmalar için birçok cihaz kullanılmaktadır. Yüksek dereceli harmonik üretimi gibi güçlü doğrusal olmayan işlemler için veya parçacıkları çok yüksek enerjilere hızlandırmak için güçlü darbeler sağlayabilirler.
Lazer kaynaklı füzyon (atalet hapsi füzyonu, hızlı ateşleme) araştırmalarında büyük ultra hızlı amplifikatörler kullanılır.
Enerjileri milijul cinsinden olan pikosaniye veya femtosaniye darbeleri, hassas işlemede faydalıdır. Örneğin, çok kısa darbeler, ince metal sacların çok ince ve doğru bir şekilde kesilmesine olanak tanır.
Ultra hızlı amplifikatör sistemlerinin, karmaşıklıkları ve yüksek fiyatları nedeniyle ve bazen de sağlamlıktan yoksun olmaları nedeniyle endüstride uygulanması zordur. Bu durumda, durumu iyileştirmek için teknolojik olarak daha gelişmiş gelişmelere ihtiyaç vardır.