अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर

परिभाषा: एक एम्पलीफायर जसले अल्ट्रासर्ट अप्टिकल पल्सलाई बढाउँछ।
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरहरू अप्टिकल एम्पलीफायरहरू हुन् जुन अल्ट्रासर्ट पल्सहरू विस्तार गर्न प्रयोग गरिन्छ। केही अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरहरू उच्च दोहोरिने दर पल्स ट्रेनहरूलाई धेरै उच्च औसत पावर प्राप्त गर्नको लागि प्रयोग गरिन्छ जबकि पल्स ऊर्जा अझै मध्यम स्तरमा छ, अन्य अवस्थामा कम दोहोरिने दर पल्सहरूले अधिक लाभ पाउँछन् र धेरै उच्च पल्स ऊर्जा र अपेक्षाकृत ठूलो शिखर शक्ति प्राप्त गर्छन्। जब यी तीव्र पल्सहरू केही लक्ष्यहरूमा केन्द्रित हुन्छन्, धेरै उच्च प्रकाश तीव्रताहरू प्राप्त हुन्छन्, कहिलेकाहीँ 1016âW/cm2 भन्दा बढी।
उदाहरणको रूपमा, 100 मेगाहर्ट्जको पल्स पुनरावृत्ति दर, 100 fs को लम्बाइ, र 0.1 W को औसत शक्ति भएको मोड-लक लेजरको आउटपुटलाई विचार गर्नुहोस्। त्यसैले पल्स ऊर्जा 0.1W/100MHz = 1nJ, र शिखर शक्ति 10kW भन्दा कम छ (पल्स आकार सम्बन्धित)। एक उच्च शक्ति एम्पलीफायर, सम्पूर्ण पल्समा कार्य गर्दै, यसको औसत शक्ति 10W मा बढाउन सक्छ, यसरी पल्स ऊर्जा 100nJ मा बढ्छ। वैकल्पिक रूपमा, पल्स पुनरावृत्ति दरलाई १ kHz मा घटाउन एम्पलीफायर अघि पल्स पिकअप प्रयोग गर्न सकिन्छ। यदि हाई-पावर एम्पलीफायरले अझै पनि औसत पावर 10W मा बढाउँछ भने, पल्स ऊर्जा यस समयमा 10mJ छ, र शिखर पावर 100GW पुग्न सक्छ।

अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरहरूको लागि विशेष आवश्यकताहरू:
अप्टिकल एम्पलीफायरहरूको सामान्य प्राविधिक विवरणहरूको अतिरिक्त, अल्ट्राफास्ट उपकरणहरूले थप समस्याहरूको सामना गर्छन्:
विशेष गरी उच्च ऊर्जा प्रणालीहरूको लागि, एम्पलीफायरको लाभ धेरै ठूलो हुनुपर्छ। माथि छलफल गरिएको आयनहरूमा, 70dB सम्मको लाभ आवश्यक छ। एकल-पास एम्पलीफायरहरू लाभमा सीमित भएकाले, बहु-च्यानल सञ्चालन सामान्यतया नियोजित हुन्छ। सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्पलीफायरहरूसँग धेरै उच्च लाभहरू प्राप्त गर्न सकिन्छ। थप रूपमा, बहु-चरण एम्पलीफायरहरू (एम्प्लीफायर चेनहरू) प्रायः प्रयोग गरिन्छ, जहाँ पहिलो चरणले उच्च लाभ प्रदान गर्दछ र अन्तिम चरण उच्च पल्स ऊर्जा र कुशल ऊर्जा निकासीको लागि अनुकूलित हुन्छ।
उच्च लाभ भनेको सामान्यतया ब्याक-रिफ्लेक्ड लाइट (सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्पलीफायरहरूको अपवाद बाहेक) प्रति अधिक संवेदनशीलता र एम्प्लीफाइड सहज उत्सर्जन (ASE) उत्पादन गर्ने ठूलो प्रवृत्ति हो। एक निश्चित हदसम्म, ASE लाई एम्प्लीफायरहरूको दुई चरणहरू बीच अप्टिकल स्विच (अकोस्टो-अप्टिकल मोड्युलेटर) राखेर दबाउन सकिन्छ। यी स्विचहरू एम्प्लीफाइड पल्सको शिखर वरिपरि धेरै छोटो समय अन्तरालहरूको लागि मात्र खुल्छन्। यद्यपि, यो समय अन्तराल अझै पल्स लम्बाइको तुलनामा लामो छ, त्यसैले पल्स नजिकै ASE पृष्ठभूमि शोरलाई दबाउन असम्भव छ। अप्टिकल प्यारामेट्रिक एम्पलीफायरहरूले यस सन्दर्भमा राम्रो प्रदर्शन गर्दछ किनभने तिनीहरूले मात्र लाभ प्रदान गर्दछ जब पम्प पल्स पास हुन्छ। ब्याकप्रोपेगेटिङ लाइट एम्प्लीफाइड गरिएको छैन।
अल्ट्रासर्ट पल्सहरूमा महत्त्वपूर्ण ब्यान्डविथ हुन्छ, जसलाई एम्प्लीफायरमा लाभ-संकुचन प्रभावले घटाउन सकिन्छ, जसले गर्दा लामो एम्प्लीफाइड पल्स लम्बाइ हुन्छ। जब पल्स लम्बाइ दसौं फेमटोसेकेन्ड भन्दा कम हुन्छ, अल्ट्रा-वाइडब्यान्ड एम्पलीफायर आवश्यक हुन्छ। उच्च लाभ प्रणालीहरूमा लाभ संकुचन विशेष गरी महत्त्वपूर्ण छ।
विशेष गरी उच्च पल्स ऊर्जा भएका प्रणालीहरूका लागि, विभिन्न ननलाइनर प्रभावहरूले पल्सको अस्थायी र स्थानिय आकारलाई विकृत गर्न सक्छ, र आत्म-केन्द्रित प्रभावहरूको कारण एम्पलीफायरलाई पनि क्षति पुर्‍याउन सक्छ। यस प्रभावलाई दबाउनको लागि एक प्रभावकारी तरीका भनेको चिरपड पल्स एम्पलीफायर (CPA) को प्रयोग गर्नु हो, जहाँ पल्सलाई पहिले फैलाउने लम्बाइमा फराकिलो बनाइन्छ, उदाहरणका लागि, 1 ns, त्यसपछि एम्प्लीफाइड, र अन्तमा फैलावट संकुचित। अर्को कम सामान्य विकल्प भनेको उप-पल्स एम्पलीफायर प्रयोग गर्नु हो। अर्को महत्त्वपूर्ण विधि प्रकाश तीव्रता कम गर्न एम्पलीफायरको मोड क्षेत्र बढाउनु हो।
एकल-पास एम्पलीफायरहरूका लागि, कुशल ऊर्जा निकासी तब मात्र सम्भव छ यदि पल्स लम्बाइ पर्याप्त लामो छ भने पल्स फ्लक्सलाई बलियो ननलाइनर प्रभावहरू बिना संतृप्ति प्रवाह स्तरहरूमा पुग्न अनुमति दिन।
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरहरूको लागि विभिन्न आवश्यकताहरू पल्स ऊर्जा, पल्स लम्बाइ, दोहोरिने दर, औसत तरंग लम्बाइ, आदिमा भिन्नताहरूमा प्रतिबिम्बित हुन्छन्। तदनुसार, विभिन्न उपकरणहरू अपनाउनुपर्छ। तल विभिन्न प्रकारका प्रणालीहरूको लागि प्राप्त केही विशिष्ट प्रदर्शन मेट्रिकहरू छन्:
ytterbium-doped फाइबर एम्पलीफायरले 10ps को पल्स ट्रेनलाई 100MHz मा 10W को औसत पावरमा विस्तार गर्न सक्छ। (यस क्षमता भएको प्रणालीलाई कहिलेकाहीँ अल्ट्राफास्ट फाइबर लेजर भनिन्छ, यद्यपि यो वास्तवमा मास्टर ओसिलेटर पावर एम्पलीफायर उपकरण हो।) 10 किलोवाटको शिखर शक्तिहरू ठूला मोड क्षेत्रहरूसँग फाइबर एम्पलीफायरहरू प्रयोग गरेर प्राप्त गर्न अपेक्षाकृत सजिलो छ। तर femtosecond पल्स संग, यस्तो प्रणाली धेरै बलियो nonlinear प्रभाव हुनेछ। फेमटोसेकेन्ड पल्सहरूबाट सुरु हुँदै, चिरपड पल्स एम्प्लीफिकेशन पछि, केही माइक्रोजुलहरूको ऊर्जा सजिलै प्राप्त गर्न सकिन्छ, वा चरम अवस्थामा 1 mJ भन्दा बढी। एक वैकल्पिक दृष्टिकोण भनेको सामान्य फैलावटको साथ फाइबरमा प्याराबोलिक पल्सलाई विस्तार गर्नु हो, पल्सको फैलावट कम्प्रेसन पछि।
एक बहु-पास बल्क एम्पलीफायर, जस्तै Ti:Sapphire-आधारित एम्पलीफायरले ठूलो मोड क्षेत्र प्रदान गर्न सक्छ, परिणामस्वरूप 1 J को अर्डरमा आउटपुट ऊर्जाहरू, अपेक्षाकृत कम पल्स पुनरावृत्ति दरहरू, जस्तै 10 Hz। केहि नानोसेकेन्ड द्वारा पल्स स्ट्रेचिंग nonlinear प्रभाव दबाउन आवश्यक छ। पछि 20fs भन्नको लागि संकुचित, शिखर शक्ति दसौं टेरावाट (TW) पुग्न सक्छ; सबैभन्दा उन्नत ठूला प्रणालीहरूले 1PW भन्दा बढी पीक पावर प्राप्त गर्न सक्छ, जुन पिकोवाटको क्रममा छ। उदाहरणका लागि, साना प्रणालीहरूले 10 kHz मा 1 mJ पल्स उत्पन्न गर्न सक्छन्। मल्टिपास एम्पलीफायरको लाभ सामान्यतया 10dB को अर्डरमा हुन्छ।
सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्पलीफायरमा दसौं डीबीको उच्च लाभ प्राप्त गर्न सकिन्छ। उदाहरणका लागि, Ti:Sapphire सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्पलीफायर प्रयोग गरेर 1 nJ पल्सलाई 1 mJ मा विस्तार गर्न सकिन्छ। थप रूपमा, ननलाइनर प्रभावहरूलाई दबाउन एक चिरपड पल्स एम्पलीफायर आवश्यक छ।
ytterbium-doped पातलो-डिस्क लेजर हेडमा आधारित सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्प्लीफायर प्रयोग गरेर, 1 ps भन्दा कम लम्बाइको दालहरू CPA को आवश्यकता बिना धेरै सय माइक्रोजुलहरूमा विस्तार गर्न सकिन्छ।
क्यू-स्विच लेजरहरूद्वारा उत्पन्न नानोसेकेन्ड पल्सहरूसँग पम्प गरिएको फाइबर प्यारामेट्रिक एम्पलीफायरहरूले विस्तारित पल्स ऊर्जालाई धेरै मिलिजुलहरूमा विस्तार गर्न सक्छ। एकल च्यानल सञ्चालनमा धेरै डेसिबलहरूको उच्च लाभ प्राप्त गर्न सकिन्छ। विशेष चरण मिल्दो संरचनाहरूको लागि, लाभ ब्यान्डविथ धेरै ठूलो छ, त्यसैले फैलावट कम्प्रेसन पछि धेरै छोटो पल्स प्राप्त गर्न सकिन्छ।
व्यावसायिक अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर प्रणालीहरूको प्रदर्शन विशिष्टताहरू प्राय: वैज्ञानिक प्रयोगहरूमा प्राप्त उत्कृष्ट प्रदर्शन भन्दा तल हुन्छन्। धेरै अवस्थामा, मुख्य कारण यो हो कि प्रयोगहरूमा प्रयोग गरिएका यन्त्रहरू र प्रविधिहरू प्रायः तिनीहरूको स्थिरता र बलियोताको कमीको कारणले व्यावसायिक उपकरणहरूमा लागू गर्न सकिँदैन। उदाहरणका लागि, जटिल अप्टिकल फाइबर प्रणालीहरूले अप्टिकल फाइबर र फ्री-स्पेस अप्टिक्सहरू बीच धेरै संक्रमण प्रक्रियाहरू समावेश गर्दछ। सबै-फाइबर एम्पलीफायर प्रणालीहरू निर्माण गर्न सकिन्छ, तर यी प्रणालीहरूले बल्क अप्टिक्स प्रयोग गर्ने प्रणालीहरूको प्रदर्शन हासिल गर्दैनन्। त्यहाँ अन्य केसहरू छन् जहाँ अप्टिक्सले उनीहरूको क्षतिको थ्रेसहोल्डको नजिक काम गर्दछ; यद्यपि, व्यावसायिक उपकरणहरूको लागि, उच्च सुरक्षा आश्वासनहरू आवश्यक छन्। अर्को समस्या यो हो कि केहि विशेष सामग्री आवश्यक छ, जुन प्राप्त गर्न धेरै गाह्रो छ।

आवेदन:
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरहरूसँग धेरै अनुप्रयोगहरू छन्:
धेरै उपकरणहरू आधारभूत अनुसन्धानको लागि प्रयोग गरिन्छ। तिनीहरूले बलियो ननलाइनर प्रक्रियाहरूको लागि बलियो पल्सहरू प्रदान गर्न सक्छन्, जस्तै उच्च-अर्डर हार्मोनिक उत्पादन, वा धेरै उच्च ऊर्जाहरूमा कणहरूलाई गति दिन।
ठूला अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरहरू लेजर-प्रेरित फ्यूजन (इनर्टियल कन्फिमेन्ट फ्यूजन, द्रुत इग्निशन) को लागि अनुसन्धानमा प्रयोग गरिन्छ।
मिलिजुलमा ऊर्जा भएको पिकोसेकेन्ड वा फेमटोसेकेन्ड दालहरू सटीक मेसिनिङमा फाइदाजनक हुन्छन्। उदाहरणका लागि, धेरै छोटो दालहरूले पातलो धातु पानाहरूको धेरै राम्रो र सही काट्न अनुमति दिन्छ।
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर प्रणालीहरू तिनीहरूको जटिलता र उच्च मूल्यको कारणले गर्दा, र कहिलेकाहीं तिनीहरूको बलियोताको कमीको कारणले गर्दा उद्योगमा लागू गर्न गाह्रो हुन्छ। यस अवस्थामा, स्थिति सुधार गर्न थप प्राविधिक रूपमा उन्नत विकासहरू आवश्यक छ।