تقویت کننده فوق سریع

تعریف: تقویت کننده ای که پالس های نوری فوق کوتاه را تقویت می کند.
تقویت کننده های فوق سریع، تقویت کننده های نوری هستند که برای تقویت پالس های فوق کوتاه استفاده می شوند. برخی از تقویت‌کننده‌های فوق سریع برای تقویت قطارهای پالس با نرخ تکرار بالا استفاده می‌شوند تا توان متوسط ​​بسیار بالایی دریافت کنند در حالی که انرژی پالس هنوز در سطوح متوسط ​​است، در موارد دیگر پالس‌های با سرعت تکرار پایین‌تر بهره بیشتری می‌گیرند و انرژی پالس‌های بسیار بالا و اوج توان نسبتاً زیادی را دریافت می‌کنند. هنگامی که این پالس های شدید بر روی برخی از اهداف متمرکز می شوند، شدت نور بسیار بالایی به دست می آید، حتی گاهی اوقات حتی بیشتر از 1016 W/cm2.
به عنوان مثال، خروجی یک لیزر قفل شده در حالت با نرخ تکرار پالس 100 مگاهرتز، طول 100 fs و توان متوسط ​​0.1 وات را در نظر بگیرید. بنابراین انرژی پالس 0.1W/100MHz=1nJ است و حداکثر توان کمتر از 10 کیلو وات (مربوط به شکل پالس) است. یک تقویت کننده با توان بالا که روی کل پالس عمل می کند، می تواند توان متوسط ​​خود را تا 10 وات افزایش دهد، بنابراین انرژی پالس را به 100 nJ افزایش می دهد. از طرف دیگر، می توان از یک پیکاپ پالس قبل از تقویت کننده استفاده کرد تا نرخ تکرار پالس را به 1 کیلوهرتز کاهش دهد. اگر تقویت کننده پرقدرت همچنان توان متوسط ​​را به 10 وات افزایش دهد، در این صورت انرژی پالس در این زمان 10 میلی ژول است و حداکثر توان می تواند به 100 گیگاوات برسد.

الزامات ویژه برای تقویت کننده های فوق سریع:
علاوه بر جزئیات فنی معمول تقویت کننده های نوری، دستگاه های فوق سریع با مشکلات دیگری نیز روبرو هستند:
به خصوص برای سیستم های پر انرژی، بهره تقویت کننده باید بسیار زیاد باشد. در یون هایی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، بهره ای تا 70 دسی بل مورد نیاز است. از آنجایی که تقویت کننده های تک گذر دارای بهره محدود هستند، معمولاً از عملکرد چند کاناله استفاده می شود. با تقویت کننده های بازخورد مثبت می توان به دستاوردهای بسیار بالایی دست یافت. علاوه بر این، تقویت‌کننده‌های چند مرحله‌ای (زنجیره‌های تقویت‌کننده) اغلب استفاده می‌شوند، که در آن مرحله اول بهره بالایی را ارائه می‌دهد و مرحله آخر برای انرژی پالس بالا و استخراج انرژی کارآمد بهینه‌سازی شده است.
بهره بالا همچنین به طور کلی به معنای حساسیت بیشتر به نور منعکس شده به عقب (به استثنای تقویت کننده های بازخورد مثبت) و تمایل بیشتر به تولید انتشار خود به خودی تقویت شده (ASE) است. تا حدی می توان ASE را با قرار دادن یک سوئیچ نوری (مدولاتور آکوستو-اپتیکال) بین دو مرحله تقویت کننده سرکوب کرد. این سوئیچ ها فقط برای فواصل زمانی بسیار کوتاه در حول و حوش پیک پالس تقویت شده باز می شوند. با این حال، این فاصله زمانی در مقایسه با طول پالس هنوز طولانی است، بنابراین سرکوب نویز پس زمینه ASE در نزدیکی پالس بعید است. تقویت‌کننده‌های پارامتریک نوری در این زمینه عملکرد بهتری دارند، زیرا آنها تنها زمانی که پالس پمپ از آن عبور می‌کند، بهره را ایجاد می‌کنند. نور پس انتشار تقویت نمی شود.
پالس های Ultrashort پهنای باند قابل توجهی دارند که می تواند با اثر باریک شدن بهره در تقویت کننده کاهش یابد و در نتیجه طول پالس های تقویت شده بیشتر را به همراه دارد. هنگامی که طول پالس کمتر از ده‌ها فمتوثانیه است، یک تقویت‌کننده با باند فوق‌العاده مورد نیاز است. باریک شدن بهره به ویژه در سیستم های با بهره بالا اهمیت دارد.
به خصوص برای سیستم هایی با انرژی پالس بالا، اثرات غیرخطی مختلف می تواند شکل زمانی و مکانی پالس را مخدوش کند و حتی به دلیل اثرات تمرکز بر خود به تقویت کننده آسیب برساند. یک راه موثر برای سرکوب این اثر استفاده از تقویت‌کننده پالس چیرپ (CPA) است که در آن پالس ابتدا به طول مثلاً 1 ns گسترش می‌یابد، سپس تقویت می‌شود و در نهایت پراکندگی فشرده می‌شود. یک جایگزین کمتر رایج دیگر استفاده از تقویت کننده زیر پالس است. روش مهم دیگر افزایش ناحیه حالت تقویت کننده برای کاهش شدت نور است.
برای تقویت‌کننده‌های تک پاس، استخراج انرژی کارآمد تنها در صورتی امکان‌پذیر است که طول پالس به اندازه‌ای باشد که اجازه دهد شار پالس به سطوح شار اشباع برسد، بدون اینکه اثرات غیرخطی قوی ایجاد کند.
الزامات مختلف برای تقویت کننده های فوق سریع در تفاوت در انرژی پالس، طول پالس، نرخ تکرار، طول موج متوسط ​​و غیره منعکس می شود. بر این اساس، دستگاه های مختلفی باید اتخاذ شوند. در زیر برخی از معیارهای عملکرد معمولی به دست آمده برای انواع مختلف سیستم ها آورده شده است:
تقویت‌کننده فیبر دوپ شده با ایتربیوم می‌تواند جریان پالس 10ps را در 100MHz تا توان متوسط ​​10W تقویت کند. (سیستمی با این قابلیت گاهی اوقات به عنوان لیزر فیبر فوق سریع نامیده می شود، حتی اگر در واقع یک دستگاه تقویت کننده قدرت نوسانگر اصلی است.) با استفاده از تقویت کننده های فیبر با مناطق حالت بزرگ، می توان به حداکثر توان 10 کیلو وات دست یافت. اما با پالس های فمتوثانیه، چنین سیستمی اثرات غیرخطی بسیار قوی خواهد داشت. با شروع با پالس‌های فمتوثانیه، و به دنبال آن تقویت پالس صدای جیک، انرژی‌های چند میکروژول را می‌توان به راحتی به دست آورد، یا در موارد شدید، بیشتر از 1 میلی‌ژول. یک رویکرد جایگزین، تقویت یک پالس سهموی در یک فیبر با پراکندگی نرمال و به دنبال آن فشرده سازی پراکندگی پالس است.
یک تقویت‌کننده حجیم چند گذر، مانند تقویت‌کننده مبتنی بر Ti:Sapphire، می‌تواند یک منطقه حالت بزرگ را فراهم کند، که در نتیجه انرژی‌های خروجی در حد 1 ژول، با نرخ‌های تکرار پالس نسبتاً کم، مانند 10 هرتز، ایجاد می‌کند. کشش پالس با چند نانوثانیه برای سرکوب اثرات غیرخطی ضروری است. بعداً به 20fs فشرده می شود، اوج توان می تواند به ده ها تراوات (TW) برسد. پیشرفته‌ترین سیستم‌های بزرگ می‌توانند به اوج قدرت بیشتر از 1PW ​​دست یابند که در حد پیکووات است. به عنوان مثال، سیستم های کوچکتر می توانند پالس های 1 میلی ژول را در 10 کیلوهرتز تولید کنند. بهره تقویت کننده چند گذر معمولاً در حدود 10 دسی بل است.
بهره بالای ده ها دسی بل را می توان در تقویت کننده فیدبک مثبت به دست آورد. به عنوان مثال، یک پالس 1 nJ را می توان با استفاده از تقویت کننده بازخورد مثبت Ti:Sapphire تا 1 میلی ژول تقویت کرد. علاوه بر این، برای سرکوب اثرات غیرخطی به یک تقویت کننده پالس چیپ شده نیاز است.
با استفاده از تقویت کننده بازخورد مثبت مبتنی بر سر لیزر دیسک نازک دوپ شده با ایتربیوم، پالس هایی با طول کمتر از 1ps را می توان بدون نیاز به CPA تا چند صد میکروژول تقویت کرد.
تقویت‌کننده‌های پارامتریک فیبر که با پالس‌های نانوثانیه تولید شده توسط لیزرهای سوئیچ Q پمپ می‌شوند، می‌توانند انرژی پالس کشیده شده را تا چندین میلی‌ژول تقویت کنند. بهره بالای چندین دسی بل را می توان در عملکرد تک کانال به دست آورد. برای ساختارهای تطبیق فاز خاص، پهنای باند بهره بسیار زیاد است، بنابراین یک پالس بسیار کوتاه را می توان پس از فشرده سازی پراکندگی به دست آورد.
مشخصات عملکرد سیستم های تقویت کننده فوق سریع تجاری اغلب بسیار کمتر از بهترین عملکرد به دست آمده در آزمایش های علمی است. در بسیاری از موارد، دلیل اصلی این است که دستگاه‌ها و تکنیک‌های به کار رفته در آزمایش‌ها اغلب به دلیل عدم پایداری و استحکام، نمی‌توانند در دستگاه‌های تجاری اعمال شوند. به عنوان مثال، سیستم های فیبر نوری پیچیده شامل فرآیندهای انتقال چندگانه بین فیبرهای نوری و نوری فضای آزاد هستند. سیستم‌های تقویت‌کننده تمام فیبر را می‌توان ساخت، اما این سیستم‌ها عملکرد سیستم‌هایی را که از نوری حجیم استفاده می‌کنند، به دست نمی‌آورند. موارد دیگری وجود دارد که اپتیک ها در نزدیکی آستانه آسیب خود عمل می کنند. با این حال، برای دستگاه های تجاری، تضمین های ایمنی بالاتر مورد نیاز است. مشکل دیگر این است که به مواد خاصی نیاز است که تهیه آنها بسیار دشوار است.

کاربرد:
تقویت کننده های فوق سریع کاربردهای زیادی دارند:
بسیاری از دستگاه ها برای تحقیقات پایه استفاده می شوند. آنها می توانند پالس های قوی برای فرآیندهای غیرخطی قوی، مانند تولید هارمونیک مرتبه بالا، یا برای شتاب دادن ذرات به انرژی های بسیار بالا ارائه دهند.
تقویت کننده های فوق سریع بزرگ در تحقیقات برای همجوشی ناشی از لیزر (همجوشی محصور اینرسی، احتراق سریع) استفاده می شود.
پالس های پیکوثانیه یا فمتوثانیه با انرژی بر حسب میلی ژول در ماشینکاری دقیق مفید هستند. به عنوان مثال، پالس های بسیار کوتاه امکان برش بسیار دقیق و دقیق ورق های فلزی نازک را فراهم می کند.
سیستم های تقویت کننده فوق سریع به دلیل پیچیدگی و قیمت بالا و گاهی اوقات به دلیل عدم استحکام، پیاده سازی در صنعت دشوار است. در این صورت، برای بهبود وضعیت به پیشرفت‌های پیشرفته‌تر فناوری نیاز است.