bộ khuếch đại cực nhanh

Định nghĩa: Một bộ khuếch đại khuếch đại các xung quang cực ngắn.
Bộ khuếch đại cực nhanh là bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại các xung cực ngắn. Một số bộ khuếch đại cực nhanh được sử dụng để khuếch đại các chuỗi xung tốc độ lặp lại cao để có được công suất trung bình rất cao trong khi năng lượng xung vẫn ở mức vừa phải, trong các trường hợp khác, xung tốc độ lặp lại thấp hơn sẽ thu được nhiều lợi ích hơn và thu được năng lượng xung rất cao và công suất cực đại tương đối lớn. Khi các xung cường độ cao này được tập trung vào một số mục tiêu, sẽ thu được cường độ ánh sáng rất cao, đôi khi còn lớn hơn 1016–W/cm2.
Ví dụ: xem xét đầu ra của laser bị khóa chế độ với tốc độ lặp lại xung là 100 MHz, độ dài 100 fs và công suất trung bình là 0,1 W. Vì vậy, năng lượng xung là 0,1W/100MHz=1nJ và công suất cực đại nhỏ hơn 10kW (liên quan đến dạng xung). Bộ khuếch đại công suất cao, tác động lên toàn bộ xung, có thể tăng công suất trung bình của nó lên 10W, do đó tăng năng lượng xung lên 100nJ. Ngoài ra, có thể sử dụng bộ thu xung trước bộ khuếch đại để giảm tốc độ lặp xung xuống 1 kHz. Nếu bộ khuếch đại công suất cao vẫn tăng công suất trung bình lên 10W, thì năng lượng xung lúc này là 10mJ và công suất cực đại có thể đạt tới 100GW.

Yêu cầu đặc biệt đối với bộ khuếch đại cực nhanh:
Ngoài các chi tiết kỹ thuật thông thường của bộ khuếch đại quang học, các thiết bị cực nhanh còn gặp phải các vấn đề khác:
Đặc biệt đối với các hệ thống năng lượng cao, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại phải rất lớn. Trong các ion đã thảo luận ở trên, mức tăng lên tới 70dB là bắt buộc. Vì các bộ khuếch đại một chiều bị hạn chế về độ khuếch đại nên hoạt động đa kênh thường được sử dụng. Có thể đạt được mức tăng rất cao với bộ khuếch đại phản hồi dương. Ngoài ra, các bộ khuếch đại nhiều tầng (chuỗi bộ khuếch đại) thường được sử dụng, trong đó tầng đầu tiên cung cấp mức tăng cao và tầng cuối cùng được tối ưu hóa cho năng lượng xung cao và khai thác năng lượng hiệu quả.
Mức tăng cao thường cũng có nghĩa là độ nhạy cao hơn đối với ánh sáng phản xạ ngược (ngoại trừ bộ khuếch đại phản hồi dương) và xu hướng tạo ra phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) lớn hơn. Ở một mức độ nhất định, ASE có thể bị triệt tiêu bằng cách đặt một công tắc quang (bộ điều chế quang-âm) giữa hai giai đoạn của bộ khuếch đại. Các công tắc này chỉ mở trong khoảng thời gian rất ngắn xung quanh đỉnh của xung được khuếch đại. Tuy nhiên, khoảng thời gian này vẫn còn dài so với độ dài xung nên việc khử nhiễu nền ASE gần xung là khó xảy ra. Bộ khuếch đại tham số quang hoạt động tốt hơn về mặt này vì chúng chỉ cung cấp mức tăng khi xung bơm đi qua. Ánh sáng lan truyền ngược không được khuếch đại.
Các xung siêu ngắn có băng thông đáng kể, có thể bị giảm do hiệu ứng thu hẹp khuếch đại trong bộ khuếch đại, do đó dẫn đến độ dài xung được khuếch đại dài hơn. Khi độ dài xung nhỏ hơn hàng chục femto giây, cần có bộ khuếch đại băng siêu rộng. Thu hẹp độ khuếch đại đặc biệt quan trọng trong các hệ thống khuếch đại cao.
Đặc biệt đối với các hệ thống có năng lượng xung cao, các hiệu ứng phi tuyến khác nhau có thể làm biến dạng hình dạng không gian và thời gian của xung, thậm chí làm hỏng bộ khuếch đại do hiệu ứng tự hội tụ. Một cách hiệu quả để triệt tiêu hiệu ứng này là sử dụng bộ khuếch đại xung chirped (CPA), trong đó xung được phân tán trước tiên được mở rộng đến độ dài, ví dụ: 1 ns, sau đó được khuếch đại và cuối cùng là nén phân tán. Một cách khác ít phổ biến hơn là sử dụng bộ khuếch đại xung phụ. Một phương pháp quan trọng khác là tăng diện tích chế độ của bộ khuếch đại để giảm cường độ ánh sáng.
Đối với các bộ khuếch đại một chiều, việc khai thác năng lượng hiệu quả chỉ có thể thực hiện được nếu độ dài xung đủ dài để cho phép thông lượng xung đạt đến mức thông lượng bão hòa mà không gây ra các hiệu ứng phi tuyến mạnh.
Các yêu cầu khác nhau đối với bộ khuếch đại cực nhanh được phản ánh trong sự khác biệt về năng lượng xung, độ dài xung, tốc độ lặp lại, bước sóng trung bình, v.v. Theo đó, các thiết bị khác nhau cần được sử dụng. Dưới đây là một số chỉ số hiệu suất điển hình thu được cho các loại hệ thống khác nhau:
Bộ khuếch đại sợi pha tạp ytterbium có thể khuếch đại chuỗi xung 10 điểm/giây ở 100MHz thành công suất trung bình 10W. (Một hệ thống có khả năng này đôi khi được gọi là laser sợi quang cực nhanh, mặc dù nó thực sự là một thiết bị khuếch đại công suất tạo dao động chính.) Công suất cực đại 10 kW tương đối dễ đạt được bằng cách sử dụng bộ khuếch đại sợi quang có vùng chế độ lớn. Nhưng với các xung femto giây, một hệ thống như vậy sẽ có các hiệu ứng phi tuyến rất mạnh. Bắt đầu với xung femto giây, tiếp theo là khuếch đại xung chirped, có thể dễ dàng thu được năng lượng của một vài microjoule hoặc trong trường hợp cực đoan lớn hơn 1 mJ. Một cách tiếp cận khác là khuếch đại xung parabol trong sợi quang với độ phân tán bình thường, sau đó là nén xung phân tán.
Bộ khuếch đại số lượng lớn nhiều đường chuyền, chẳng hạn như bộ khuếch đại dựa trên Ti:Sapphire, có thể cung cấp vùng chế độ lớn, dẫn đến năng lượng đầu ra ở mức 1 J, với tốc độ lặp lại xung tương đối thấp, chẳng hạn như 10 Hz. Việc kéo dài xung trong vài nano giây là cần thiết để triệt tiêu các hiệu ứng phi tuyến. Sau đó được nén lại để nói 20fs, công suất cực đại có thể đạt tới hàng chục terawatt (TW); các hệ thống lớn tiên tiến nhất có thể đạt được công suất cực đại lớn hơn 1PW, theo thứ tự picowatt. Ví dụ, các hệ thống nhỏ hơn có thể tạo xung 1 mJ ở 10 kHz. Độ lợi của bộ khuếch đại nhiều tầng thường ở mức 10dB.
Có thể thu được mức tăng cao hàng chục dB trong bộ khuếch đại phản hồi dương. Ví dụ: xung 1 nJ có thể được khuếch đại thành 1 mJ bằng cách sử dụng bộ khuếch đại phản hồi dương Ti:Sapphire. Ngoài ra, một bộ khuếch đại xung chirped được yêu cầu để triệt tiêu các hiệu ứng phi tuyến.
Sử dụng bộ khuếch đại phản hồi dương dựa trên đầu laze đĩa mỏng pha tạp ytterbium, các xung có độ dài dưới 1 ps có thể được khuếch đại thành vài trăm microjoule mà không cần CPA.
Bộ khuếch đại tham số sợi quang được bơm xung nano giây do laser chuyển mạch Q tạo ra có thể khuếch đại năng lượng xung kéo dài đến vài milijoule. Có thể đạt được mức tăng cao vài decibel trong hoạt động một kênh. Đối với các cấu trúc khớp pha đặc biệt, băng thông khuếch đại rất lớn, do đó có thể thu được một xung rất ngắn sau khi nén phân tán.
Thông số kỹ thuật về hiệu suất của các hệ thống khuếch đại cực nhanh thương mại thường thấp hơn nhiều so với hiệu suất tốt nhất thu được trong các thí nghiệm khoa học. Trong nhiều trường hợp, lý do chính là các thiết bị và kỹ thuật được sử dụng trong các thí nghiệm thường không thể áp dụng cho các thiết bị thương mại do thiếu tính ổn định và mạnh mẽ. Ví dụ, các hệ thống cáp quang phức tạp chứa nhiều quá trình chuyển tiếp giữa sợi quang và quang học không gian tự do. Có thể xây dựng các hệ thống khuếch đại toàn sợi quang, nhưng các hệ thống này không đạt được hiệu suất của các hệ thống sử dụng quang học số lượng lớn. Có những trường hợp khác mà quang học hoạt động gần ngưỡng sát thương của chúng; tuy nhiên, đối với các thiết bị thương mại, yêu cầu đảm bảo an toàn cao hơn. Một vấn đề khác là cần có một số vật liệu đặc biệt, rất khó kiếm.

Ứng dụng:
Bộ khuếch đại cực nhanh có nhiều ứng dụng:
Nhiều thiết bị được sử dụng cho nghiên cứu cơ bản. Chúng có thể cung cấp các xung mạnh cho các quá trình phi tuyến mạnh, chẳng hạn như sự tạo sóng hài bậc cao, hoặc để tăng tốc các hạt lên năng lượng rất cao.
Các bộ khuếch đại cực nhanh lớn được sử dụng trong nghiên cứu về phản ứng tổng hợp do tia laser gây ra (hợp hạch giam cầm quán tính, đánh lửa nhanh).
Các xung picosecond hoặc femtosecond có năng lượng tính bằng millijoules rất hữu ích trong gia công chính xác. Ví dụ, các xung rất ngắn cho phép cắt các tấm kim loại mỏng rất mịn và chính xác.
Các hệ thống khuếch đại cực nhanh rất khó triển khai trong công nghiệp do tính phức tạp và giá cao, và đôi khi do thiếu độ bền. Trong trường hợp này, cần có những phát triển công nghệ tiên tiến hơn để cải thiện tình hình.