Penguat ultracepat

Definisi: Penguat yang menguatkan denyutan optik ultrashort.
Penguat ultracepat ialah penguat optik yang digunakan untuk menguatkan denyutan ultra pendek. Sesetengah penguat ultrafast digunakan untuk menguatkan kereta api denyutan kadar ulangan yang tinggi untuk mendapatkan kuasa purata yang sangat tinggi manakala tenaga nadi masih pada tahap sederhana, dalam kes lain denyutan kadar ulangan yang lebih rendah mendapat lebih banyak keuntungan dan mendapat tenaga denyutan yang sangat tinggi dan kuasa puncak yang agak besar. Apabila denyutan yang kuat ini difokuskan pada beberapa sasaran, keamatan cahaya yang sangat tinggi diperoleh, kadangkala lebih besar daripada 1016âW/cm2.
Sebagai contoh, pertimbangkan keluaran laser terkunci mod dengan kadar ulangan nadi 100 MHz, panjang 100 fs, dan kuasa purata 0.1 W. Jadi tenaga nadi ialah 0.1W/100MHz=1nJ, dan kuasa puncak kurang daripada 10kW (berkaitan dengan bentuk nadi). Penguat kuasa tinggi, bertindak pada keseluruhan nadi, boleh meningkatkan kuasa puratanya kepada 10W, sekali gus meningkatkan tenaga nadi kepada 100nJ. Sebagai alternatif, pikap nadi boleh digunakan sebelum penguat untuk mengurangkan kadar ulangan nadi kepada 1 kHz. Jika penguat kuasa tinggi masih meningkatkan kuasa purata kepada 10W, maka tenaga nadi ialah 10mJ pada masa ini, dan kuasa puncak boleh mencapai 100GW.

Keperluan khas untuk penguat ultracepat:
Sebagai tambahan kepada butiran teknikal biasa penguat optik, peranti ultrafast menghadapi masalah tambahan:
Terutama untuk sistem tenaga tinggi, keuntungan penguat mestilah sangat besar. Dalam ion yang dibincangkan di atas, keuntungan sehingga 70dB diperlukan. Memandangkan penguat satu laluan adalah terhad dalam keuntungan, operasi berbilang saluran biasanya digunakan. Keuntungan yang sangat tinggi boleh dicapai dengan penguat maklum balas positif. Di samping itu, penguat berbilang peringkat (rantaian penguat) sering digunakan, di mana peringkat pertama memberikan keuntungan tinggi dan peringkat terakhir dioptimumkan untuk tenaga nadi tinggi dan pengekstrakan tenaga yang cekap.
Keuntungan tinggi juga secara amnya bermakna lebih sensitiviti kepada cahaya pantulan belakang (dengan pengecualian penguat maklum balas positif) dan kecenderungan yang lebih besar untuk menghasilkan pelepasan spontan yang diperkuat (ASE). Pada tahap tertentu, ASE boleh ditindas dengan meletakkan suis optik (modulator acousto-optical) di antara dua peringkat penguat. Suis ini hanya dibuka untuk selang masa yang sangat singkat di sekitar puncak nadi yang diperkuatkan. Walau bagaimanapun, selang masa ini masih panjang berbanding dengan panjang nadi, jadi menekan bunyi latar belakang ASE berhampiran nadi adalah tidak mungkin. Penguat parametrik optik berprestasi lebih baik dalam hal ini kerana ia hanya memberikan keuntungan apabila nadi pam dilalui. Cahaya merambat belakang tidak dikuatkan.
Denyutan ultrashort mempunyai lebar jalur yang ketara, yang boleh dikurangkan dengan kesan penyempitan keuntungan dalam penguat, dengan itu menghasilkan panjang nadi yang diperkuatkan lebih lama. Apabila panjang nadi kurang daripada puluhan femtosaat, penguat jalur lebar ultra diperlukan. Penyempitan keuntungan amat penting dalam sistem keuntungan tinggi.
Khususnya untuk sistem dengan tenaga nadi yang tinggi, pelbagai kesan tak linear boleh memesongkan bentuk temporal dan ruang nadi, malah merosakkan penguat akibat kesan pemfokusan kendiri. Cara yang berkesan untuk menyekat kesan ini adalah dengan menggunakan penguat nadi berkicau (CPA), di mana nadi mula-mula dispersi diluaskan kepada panjang, sebagai contoh, 1 ns, kemudian dikuatkan, dan akhirnya penyebaran dimampatkan. Satu lagi alternatif yang kurang biasa ialah menggunakan penguat sub-nadi. Kaedah penting lain ialah meningkatkan kawasan mod penguat untuk mengurangkan keamatan cahaya.
Untuk penguat satu laluan, pengekstrakan tenaga yang cekap hanya boleh dilakukan jika panjang nadi cukup panjang untuk membolehkan fluks nadi mencapai tahap fluks tepu tanpa menyebabkan kesan tak linear yang kuat.
Keperluan berbeza untuk penguat ultracepat ditunjukkan dalam perbezaan tenaga nadi, panjang nadi, kadar ulangan, panjang gelombang purata, dll. Sehubungan itu, peranti yang berbeza perlu diguna pakai. Berikut ialah beberapa metrik prestasi biasa yang diperoleh untuk jenis sistem yang berbeza:
Penguat gentian dop ytterbium boleh menguatkan aliran nadi 10ps pada 100MHz kepada kuasa purata 10W. (Sistem dengan keupayaan ini kadangkala dirujuk sebagai laser gentian ultrafast, walaupun ia sebenarnya peranti penguat kuasa pengayun induk.) Kuasa puncak 10 kW agak mudah dicapai menggunakan penguat gentian dengan kawasan mod yang besar. Tetapi dengan denyutan femtosaat, sistem sedemikian akan mempunyai kesan tak linear yang sangat kuat. Bermula dengan denyutan femtosaat, diikuti dengan penguatan nadi berkicau, tenaga beberapa mikrojoule boleh diperolehi dengan mudah, atau dalam kes yang melampau melebihi 1 mJ. Pendekatan alternatif adalah untuk menguatkan nadi parabola dalam gentian dengan serakan normal, diikuti dengan mampatan serakan nadi.
Penguat pukal berbilang pas, seperti penguat berasaskan Ti: Sapphire, boleh menyediakan kawasan mod yang besar, menghasilkan tenaga keluaran pada urutan 1 J, dengan kadar pengulangan nadi yang agak rendah, seperti 10 Hz. Regangan nadi beberapa nanosaat diperlukan untuk menyekat kesan tak linear. Kemudian dimampatkan untuk mengatakan 20fs, kuasa puncak boleh mencapai puluhan terawatt (TW); sistem besar yang paling maju boleh mencapai kuasa puncak lebih besar daripada 1PW, iaitu mengikut urutan picowatt. Sistem yang lebih kecil, sebagai contoh, boleh menjana 1 mJ denyutan pada 10 kHz. Keuntungan penguat berbilang laluan biasanya pada urutan 10dB.
Keuntungan tinggi berpuluh-puluh dB boleh diperolehi dalam penguat maklum balas positif. Sebagai contoh, nadi 1 nJ boleh dikuatkan kepada 1 mJ menggunakan penguat maklum balas positif Ti:Sapphire. Di samping itu, penguat nadi berkicau diperlukan untuk menyekat kesan tak linear.
Menggunakan penguat maklum balas positif berdasarkan kepala laser cakera nipis dop ytterbium, denyutan kurang daripada 1 ps panjang boleh dikuatkan kepada beberapa ratus mikrojoule tanpa memerlukan CPA.
Penguat parametrik gentian yang dipam dengan denyut nanosaat yang dijana oleh laser Q-switched boleh menguatkan tenaga nadi yang diregangkan kepada beberapa milijoule. Keuntungan tinggi beberapa desibel boleh dicapai dalam operasi saluran tunggal. Untuk struktur padanan fasa khas, lebar jalur keuntungan adalah sangat besar, jadi denyutan yang sangat pendek boleh diperolehi selepas pemampatan penyebaran.
Spesifikasi prestasi sistem penguat ultracepat komersial selalunya jauh di bawah prestasi terbaik yang diperoleh dalam eksperimen saintifik. Dalam kebanyakan kes, sebab utama ialah peranti dan teknik yang digunakan dalam eksperimen selalunya tidak boleh digunakan pada peranti komersial kerana kekurangan kestabilan dan kekukuhannya. Sebagai contoh, sistem gentian optik kompleks mengandungi pelbagai proses peralihan antara gentian optik dan optik ruang bebas. Sistem penguat semua gentian boleh dibina, tetapi sistem ini tidak mencapai prestasi sistem yang menggunakan optik pukal. Terdapat kes lain di mana optik beroperasi berhampiran ambang kerosakannya; namun, untuk peranti komersial, jaminan keselamatan yang lebih tinggi diperlukan. Masalah lain ialah beberapa bahan khas diperlukan, yang sangat sukar diperoleh.

Permohonan:
Penguat ultrafast mempunyai banyak aplikasi:
Banyak peranti digunakan untuk penyelidikan asas. Mereka boleh memberikan denyutan yang kuat untuk proses tak linear yang kuat, seperti penjanaan harmonik tertib tinggi, atau untuk mempercepatkan zarah kepada tenaga yang sangat tinggi.
Penguat ultracepat yang besar digunakan dalam penyelidikan untuk pelakuran akibat laser (gabungan kurungan inersia, pencucuhan pantas).
Denyutan picosecond atau femtosecond dengan tenaga dalam milijoule bermanfaat dalam pemesinan ketepatan. Sebagai contoh, denyutan yang sangat pendek membolehkan pemotongan kepingan logam nipis yang sangat halus dan tepat.
Sistem penguat ultrafast sukar untuk dilaksanakan dalam industri kerana kerumitan dan harga yang tinggi, dan kadangkala kerana kekurangan keteguhannya. Dalam kes ini, pembangunan yang lebih maju dari segi teknologi diperlukan untuk memperbaiki keadaan.