Ultragyors erősítő

Definíció: Erősítő, amely ultrarövid optikai impulzusokat erősít.
Az ultragyors erősítők olyan optikai erősítők, amelyeket ultrarövid impulzusok erősítésére használnak. Egyes ultragyors erősítőket nagy ismétlési frekvenciájú impulzussorozatok erősítésére használnak, hogy nagyon magas átlagos teljesítményt érjenek el, miközben az impulzusenergia még közepes szinten van, más esetekben az alacsonyabb ismétlési frekvenciájú impulzusok nagyobb erősítést és nagyon magas impulzusenergiát és viszonylag nagy csúcsteljesítményt kapnak. Ha ezeket az intenzív impulzusokat egyes célpontokra fókuszálják, nagyon magas fényintenzitás érhető el, néha 1016 × W/cm2-nél is nagyobb.
Példaként vegyük egy 100 MHz-es impulzusismétlési frekvenciájú, 100 fs hosszúságú és 0,1 W átlagos teljesítményű, módban zárt lézer kimenetét. Tehát az impulzusenergia 0,1W/100MHz=1nJ, és a a csúcsteljesítmény kevesebb, mint 10 kW (az impulzus alakjához képest). A teljes impulzusra ható nagy teljesítményű erősítő átlagos teljesítményét 10 W-ra tudja növelni, így az impulzusenergiát 100 nJ-re növeli. Alternatív megoldásként az erősítő előtt egy impulzusszedőt is használhatunk, hogy az impulzusismétlési frekvenciát 1 kHz-re csökkentsük. Ha a nagy teljesítményű erősítő mégis 10W-ra növeli az átlagos teljesítményt, akkor az impulzusenergia ekkor 10mJ, a csúcsteljesítmény pedig elérheti a 100GW-ot.

Az ultragyors erősítők speciális követelményei:
Az optikai erősítők szokásos műszaki részletei mellett az ultragyors készülékek további problémákkal is szembesülnek:
Különösen nagy energiájú rendszerek esetén az erősítő erősítésének nagyon nagynak kell lennie. A fent tárgyalt ionoknál akár 70 dB erősítés szükséges. Mivel az egylépéses erősítők erősítése korlátozott, általában többcsatornás működést alkalmaznak. Nagyon nagy nyereség érhető el pozitív visszacsatolású erősítőkkel. Emellett gyakran alkalmaznak többfokozatú erősítőket (erősítőláncokat), ahol az első fokozat nagy erősítést biztosít, az utolsó fokozat pedig a nagy impulzusenergiára és a hatékony energiakivonásra van optimalizálva.
A nagy nyereség általában nagyobb érzékenységet jelent a visszavert fényre (a pozitív visszacsatolású erősítők kivételével), és nagyobb hajlamot az amplifikált spontán emisszió (ASE) előállítására. Az ASE bizonyos mértékig elnyomható egy optikai kapcsoló (akusztikus-optikai modulátor) elhelyezésével az erősítők két fokozata között. Ezek a kapcsolók csak nagyon rövid ideig nyitnak az erősített impulzus csúcsa körül. Ez az időintervallum azonban még mindig hosszú az impulzushosszhoz képest, így az ASE háttérzaj elnyomása az impulzus közelében nem valószínű. Az optikai parametrikus erősítők ebben a tekintetben jobban teljesítenek, mert csak akkor biztosítanak erősítést, ha a pumpa impulzusát átengedik. A visszaszaporító fény nem erősödik.
Az ultrarövid impulzusok jelentős sávszélességgel rendelkeznek, ami csökkenthető az erősítőben lévő erősítést szűkítő hatással, így hosszabb erősített impulzushosszt eredményez. Ha az impulzus hossza kevesebb, mint több tíz femtoszekundum, ultraszéles sávú erősítőre van szükség. Az erősítés szűkítése különösen fontos a nagy erősítésű rendszerekben.
Különösen a nagy impulzusenergiájú rendszerek esetében a különféle nemlineáris hatások torzíthatják az impulzus időbeli és térbeli alakját, sőt az önfókuszáló hatások miatt az erősítőt is károsíthatják. Ennek a hatásnak a visszaszorításának hatékony módja egy csipogó impulzuserősítő (CPA), ahol az impulzust először diszperziósan kiszélesítik, például 1 ns-ig, majd felerősítik, és végül diszperziós tömörítést végeznek. Egy másik kevésbé elterjedt alternatíva az alimpulzus-erősítő használata. Egy másik fontos módszer az erősítő üzemmód-területének növelése a fényintenzitás csökkentése érdekében.
Az egylépéses erősítők esetében a hatékony energiakivonás csak akkor lehetséges, ha az impulzus hossza elég hosszú ahhoz, hogy az impulzusfluxus elérje a telítési fluxusszintet anélkül, hogy erős nemlineáris hatásokat okozna.
Az ultragyors erősítőkre vonatkozó eltérő követelmények az impulzusenergia, az impulzushossz, az ismétlési gyakoriság, az átlagos hullámhossz stb. különbségeiben tükröződnek. Ennek megfelelően különböző eszközöket kell alkalmazni. Az alábbiakban bemutatunk néhány tipikus teljesítménymutatót a különböző típusú rendszerekre vonatkozóan:
Az itterbiummal adalékolt szálas erősítő a 10 ps-os impulzussorozatot 100 MHz-en 10 W átlagos teljesítményre tudja felerősíteni. (Az ilyen képességgel rendelkező rendszert néha ultragyors szálas lézernek is nevezik, pedig valójában egy fő oszcillátoros teljesítményerősítő eszköz.) A 10 kW-os csúcsteljesítmény viszonylag könnyen elérhető nagy üzemmódú szálas erősítők használatával. De femtoszekundumos impulzusokkal egy ilyen rendszernek nagyon erős nemlineáris hatásai lennének. A femtoszekundumos impulzusokkal kezdve, majd a csipogó impulzuserősítéssel könnyen elérhető néhány mikrojoule, szélsőséges esetben 1 mJ-nál nagyobb energia. Egy másik megközelítés az, hogy egy parabolikus impulzust erősítenek fel normál diszperziójú szálban, majd az impulzus diszperziós kompresszióját követi.
Egy többmenetes ömlesztett erősítő, mint például a Ti:Zafír alapú erősítő, nagy üzemmódú területet biztosíthat, ami 1 J nagyságrendű kimeneti energiát eredményez, viszonylag alacsony impulzusismétlési gyakoriság mellett, például 10 Hz. Néhány nanoszekundumos impulzusnyújtás szükséges a nemlineáris hatások elnyomásához. Később mondjuk 20fs-ra tömörítve a csúcsteljesítmény elérheti a több tíz terawatt (TW); a legfejlettebb nagy rendszerek 1 PW-nál nagyobb csúcsteljesítményt tudnak elérni, ami pikowatt nagyságrendű. A kisebb rendszerek például 1 mJ-os impulzusokat tudnak generálni 10 kHz-en. A többutas erősítő erősítése általában 10 dB nagyságrendű.
A pozitív visszacsatolású erősítőben több tíz dB-es erősítés érhető el. Például egy 1 nJ-es impulzus 1 mJ-re erősíthető egy Ti:Zafír pozitív visszacsatolású erősítővel. Ezenkívül csipogó impulzuserősítő szükséges a nemlineáris hatások elnyomásához.
Az itterbiummal adalékolt vékonylemezes lézerfejen alapuló pozitív visszacsatolású erősítő használatával az 1 ps-nál rövidebb impulzusok több száz mikrojoule-ra erősíthetők CPA nélkül.
A Q-kapcsolt lézerek által generált nanoszekundumos impulzusokkal pumpált szálas parametrikus erősítők több millijoule-ra képesek felerősíteni a feszített impulzusenergiát. Egycsatornás üzemben több decibeles erősítés érhető el. Speciális fázisillesztő szerkezeteknél az erősítés sávszélessége nagyon nagy, így diszperziós tömörítés után nagyon rövid impulzus érhető el.
A kereskedelmi forgalomban kapható ultragyors erősítőrendszerek teljesítményspecifikációi gyakran jóval elmaradnak a tudományos kísérletekben elért legjobb teljesítménytől. Ennek sok esetben az a fő oka, hogy a kísérletekben alkalmazott eszközök és technikák gyakran nem alkalmazhatók kereskedelmi forgalomban lévő eszközökre a stabilitás és a robusztusság hiánya miatt. Például az összetett optikai szálrendszerek több átmeneti folyamatot tartalmaznak az optikai szálak és a szabad térbeli optika között. Csupa szálas erősítőrendszerek is kialakíthatók, de ezek a rendszerek nem érik el az ömlesztett optikát alkalmazó rendszerek teljesítményét. Vannak más esetek is, amikor az optika a sérülési küszöbük közelében működik; kereskedelmi eszközök esetében azonban magasabb biztonsági garanciákra van szükség. További probléma, hogy bizonyos speciális anyagokra van szükség, amelyeket nagyon nehéz beszerezni.

Alkalmazás:
Az ultragyors erősítőknek számos alkalmazása van:
Számos eszközt használnak alapkutatáshoz. Erős impulzusokat biztosíthatnak erős nemlineáris folyamatokhoz, mint például a magasrendű harmonikus generáláshoz, vagy a részecskék nagyon nagy energiára való felgyorsítására.
Nagyméretű ultragyors erősítőket használnak a lézer-indukált fúziós kutatásokban (inerciális fúzió, gyors gyújtás).
A pikoszekundumos vagy femtoszekundumos impulzusok millijoule-ban mért energiáival előnyösek a precíziós megmunkálásban. Például a nagyon rövid impulzusok lehetővé teszik vékony fémlemezek nagyon finom és pontos vágását.
Az ultragyors erősítőrendszereket bonyolultságuk és magas áraik miatt, néha pedig robusztusságuk hiánya miatt nehéz megvalósítani az iparban. Ebben az esetben technológiailag fejlettebb fejlesztésekre van szükség a helyzet javításához.