Өте жылдам күшейткіш

Анықтама: өте қысқа оптикалық импульстарды күшейтетін күшейткіш.
Ультра жылдам күшейткіштер - ультра қысқа импульстарды күшейту үшін қолданылатын оптикалық күшейткіштер. Кейбір ультра жылдам күшейткіштер импульстік энергия әлі де қалыпты деңгейде болған кезде өте жоғары орташа қуат алу үшін жоғары қайталану жиілігіндегі импульстік тізбелерді күшейту үшін пайдаланылады, басқа жағдайларда төмен қайталану жиілігі импульстар көбірек пайда алып, өте жоғары импульстар энергиясын және салыстырмалы түрде үлкен шың қуатын алады. Бұл қарқынды импульстар кейбір нысандарға бағытталғанда, өте жоғары жарық қарқындылығы алынады, кейде тіпті 1016âВт/см2-ден жоғары.
Мысал ретінде импульстің қайталану жиілігі 100 МГц, ұзындығы 100 фс және орташа қуаты 0,1 Вт болатын режим құлыпталған лазердің шығысын қарастырайық. Демек, импульстік энергия 0,1 Вт/100 МГц=1нДж, ал ең жоғары қуат 10 кВт-тан аз (импульстік пішінге қатысты). Бүкіл импульске әсер ететін жоғары қуатты күшейткіш өзінің орташа қуатын 10 Вт-қа дейін арттыра алады, осылайша импульс энергиясын 100 нДж дейін арттырады. Немесе, импульстің қайталану жиілігін 1 кГц-ке дейін азайту үшін күшейткіштің алдында импульстік пикапты пайдалануға болады. Егер жоғары қуатты күшейткіш әлі де орташа қуатты 10 Вт-қа дейін арттырса, онда импульстік энергия осы уақытта 10 мДж, ал ең жоғары қуат 100 ГВт жетуі мүмкін.

Өте жылдам күшейткіштерге қойылатын арнайы талаптар:
Оптикалық күшейткіштердің әдеттегі техникалық бөлшектерінен басқа, өте жылдам құрылғылар қосымша мәселелерге тап болады:
Әсіресе жоғары энергиялық жүйелер үшін күшейткіштің күшейту коэффициенті өте үлкен болуы керек. Жоғарыда талқыланған иондарда 70дБ дейін күшейту қажет. Бір жолақты күшейткіштердің күшейту мөлшері шектеулі болғандықтан, әдетте көп арналы жұмыс қолданылады. Оң кері байланыс күшейткіштері арқылы өте жоғары нәтижелерге қол жеткізуге болады. Сонымен қатар, көп сатылы күшейткіштер (күшейткіш тізбектер) жиі қолданылады, мұнда бірінші кезең жоғары кірісті қамтамасыз етеді және соңғы кезең жоғары импульстік энергия мен тиімді энергия алу үшін оңтайландырылған.
Жоғары күшейту әдетте кері шағылысқан жарыққа жоғары сезімталдықты (оң кері байланыс күшейткіштерін қоспағанда) және күшейтілген өздігінен сәуле шығаруға (ASE) үлкен бейімділікті білдіреді. Белгілі бір дәрежеде ASE күшейткіштердің екі сатысының арасына оптикалық қосқышты (акусто-оптикалық модулятор) орналастыру арқылы басылуы мүмкін. Бұл қосқыштар күшейтілген импульстің шыңында өте қысқа уақыт аралығы үшін ғана ашылады. Дегенмен, бұл уақыт аралығы импульс ұзындығымен салыстырғанда әлі де ұзақ, сондықтан импульстің жанында ASE фондық шуды басу екіталай. Оптикалық параметрлік күшейткіштер осыған байланысты жақсырақ жұмыс істейді, өйткені олар сорғы импульсі өткенде ғана күшейтуді қамтамасыз етеді. Кері таралатын жарық күшейтілмейді.
Ультра қысқа импульстердің айтарлықтай өткізу қабілеті бар, оларды күшейткіштегі күшейткіштің тарылту әсері арқылы азайтуға болады, осылайша күшейтілген импульс ұзындықтары ұзағырақ болады. Импульс ұзындығы ондаған фемтосекундтан аз болғанда, ультра кең жолақты күшейткіш қажет. Пайданың тарылуы жоғары күшейту жүйелерінде әсіресе маңызды.
Әсіресе импульстік энергиясы жоғары жүйелер үшін әртүрлі сызықтық емес әсерлер импульстің уақытша және кеңістіктік пішінін бұзуы мүмкін, тіпті өздігінен фокустау әсерлерінен күшейткішті зақымдауы мүмкін. Бұл әсерді басудың тиімді жолы импульсті күшейткішті (CPA) пайдалану болып табылады, мұнда импульс алдымен ұзындығы, мысалы, 1 нс-ке дейін кеңейтіледі, содан кейін күшейтіледі және ең соңында дисперсия қысылады. Тағы бір сирек кездесетін балама - субимпульстік күшейткішті пайдалану. Тағы бір маңызды әдіс - жарық қарқындылығын азайту үшін күшейткіштің режим аймағын ұлғайту.
Бір жолақты күшейткіштер үшін тиімді энергияны алу импульстік ағынның күшті сызықтық емес әсерлерді тудырмай қанығу ағынының деңгейіне жетуге мүмкіндік беретін импульс ұзындығы жеткілікті ұзын болған жағдайда ғана мүмкін болады.
Өте жылдам күшейткіштерге қойылатын әртүрлі талаптар импульстік энергиядағы, импульс ұзындығының, қайталану жылдамдығының, орташа толқын ұзындығының және т.б. айырмашылықтарда көрінеді. Сәйкесінше, әртүрлі құрылғыларды қабылдау қажет. Төменде әртүрлі жүйелер үшін алынған кейбір типтік өнімділік көрсеткіштері берілген:
Итербий қосылған талшықты күшейткіш 100 МГц жиілікте 10 ps импульстік тізбегінің орташа қуатын 10 Вт дейін күшейте алады. (Мұндай мүмкіндігі бар жүйені кейде ультра жылдам талшықты лазер деп атайды, тіпті ол шын мәнінде негізгі осциллятордың қуат күшейткіші құрылғысы болып табылады.) 10 кВт максималды қуаттарға үлкен режим аумақтары бар талшықты күшейткіштерді пайдалану арқылы жету салыстырмалы түрде оңай. Бірақ фемтосекундтық импульстармен мұндай жүйе өте күшті сызықтық емес әсерлерге ие болады. Фемтосекундтық импульстардан бастап, сосын импульсті күшейту арқылы бірнеше микроджоульдің энергиясын оңай алуға болады немесе төтенше жағдайларда 1 мДж-ден жоғары. Баламалы тәсіл - қалыпты дисперсиясы бар талшықтағы параболалық импульсті күшейту, содан кейін импульстің дисперсиялық қысылуы.
Ti: Sapphire негізіндегі күшейткіш сияқты көп жолақты көлемді күшейткіш 10 Гц сияқты салыстырмалы түрде төмен импульстің қайталану жиілігімен 1 Дж тәртібінде шығыс энергияларына әкелетін үлкен режим аймағын қамтамасыз ете алады. Импульсті бірнеше наносекундқа созу сызықты емес әсерлерді басу үшін қажет. Кейінірек 20fs деп қысылғанда, ең жоғары қуат ондаған тераватқа (ТВ) жетуі мүмкін; ең жетілдірілген үлкен жүйелер 1PW-тен асатын ең жоғары қуатқа қол жеткізе алады, бұл пиковатқа тең. Кішірек жүйелер, мысалы, 10 кГц жиілікте 1 мДж импульстарды жасай алады. Көп жолақты күшейткіштің күшейту коэффициенті әдетте 10дБ тәртібінде болады.
Оң кері байланыс күшейткішінде ондаған дБ жоғары күшейтуді алуға болады. Мысалы, 1 нДж импульсті Ti: Sapphire оң кері байланыс күшейткішінің көмегімен 1 мДж дейін күшейтуге болады. Сонымен қатар, сызықты емес әсерлерді басу үшін импульстік күшейткіш қажет.
Итербий қосылған жұқа дискі лазер басына негізделген оң кері байланыс күшейткішті пайдаланып, ұзындығы 1 ps-тен аз импульстарды CPA қажет етпестен бірнеше жүз микроджоульге дейін күшейтуге болады.
Q-қосқыш лазерлер арқылы жасалған наносекундтық импульстармен айдалатын талшықты параметрлік күшейткіштер созылған импульс энергиясын бірнеше миллиджоульге дейін күшейте алады. Бір арналы жұмыста бірнеше децибелдің жоғары күшейтуіне қол жеткізуге болады. Арнайы фазалық сәйкестік құрылымдар үшін күшейту жолағы өте үлкен, сондықтан дисперсиялық қысудан кейін өте қысқа импульс алуға болады.
Коммерциялық өте жылдам күшейткіш жүйелердің өнімділік сипаттамалары көбінесе ғылыми эксперименттерде алынған ең жақсы өнімділіктен әлдеқайда төмен. Көптеген жағдайларда негізгі себеп - эксперименттерде қолданылатын құрылғылар мен әдістер тұрақтылық пен беріктіктің болмауына байланысты коммерциялық құрылғыларға жиі қолданыла алмайды. Мысалы, күрделі оптикалық талшықты жүйелерде оптикалық талшықтар мен бос кеңістіктік оптика арасындағы бірнеше ауысу процестері бар. Толық талшықты күшейткіш жүйелерін жасауға болады, бірақ бұл жүйелер көлемді оптиканы пайдаланатын жүйелердің өнімділігіне қол жеткізе алмайды. Оптика олардың зақымдану шегіне жақын жұмыс істейтін басқа жағдайлар бар; дегенмен, коммерциялық құрылғылар үшін жоғарырақ қауіпсіздік кепілдіктері қажет. Тағы бір мәселе, кейбір арнайы материалдар қажет, оларды алу өте қиын.

Қолдану:
Ультра жылдам күшейткіштердің көптеген қолданбалары бар:
Көптеген құрылғылар іргелі зерттеулер үшін қолданылады. Олар жоғары ретті гармоникалық генерация сияқты күшті сызықтық емес процестер үшін күшті импульстарды қамтамасыз ете алады немесе бөлшектерді өте жоғары энергияға дейін жеделдете алады.
Үлкен ультра жылдам күшейткіштер лазермен индукцияланған синтез үшін зерттеулерде қолданылады (инерциялық оқшаулау синтезі, жылдам тұтану).
Миллджоульдегі энергиясы бар пикосекунд немесе фемтосекунд импульстері дәл өңдеуде пайдалы. Мысалы, өте қысқа импульстар жұқа металл парақтарды өте жақсы және дәл кесуге мүмкіндік береді.
Ультражылдам күшейткіш жүйелерін өнеркәсіпте олардың күрделілігі мен жоғары бағасына, кейде беріктігінің болмауына байланысты енгізу қиын. Бұл жағдайда жағдайды жақсарту үшін неғұрлым озық технологиялық әзірлемелер қажет.