Ultrakiire võimendi

Definitsioon: võimendi, mis võimendab ülilühikesi optilisi impulsse.
Ultrakiired võimendid on optilised võimendid, mida kasutatakse ülilühikeste impulsside võimendamiseks. Mõningaid ülikiireid võimendeid kasutatakse suure kordussagedusega impulsside võimendamiseks, et saada väga kõrge keskmine võimsus, samal ajal kui impulsi energia on endiselt mõõdukal tasemel, muudel juhtudel saavad madalama kordussagedusega impulsid rohkem võimendust ja väga suure impulsienergia ja suhteliselt suure tippvõimsuse. Kui need intensiivsed impulsid fokusseeritakse mõnele sihtmärgile, saadakse väga kõrge valguse intensiivsus, mõnikord isegi suurem kui 1016 × W/cm2.
Näiteks võtke režiimilukuga laseri väljund, mille impulsi kordussagedus on 100 MHz, pikkus 100 fs ja keskmine võimsus 0,1 W. Seega on impulsi energia 0,1 W/100 MHz = 1 nJ ja tippvõimsus on alla 10 kW (seoses impulsi kujuga). Suure võimsusega võimendi, mis mõjutab kogu impulssi, võib suurendada oma keskmist võimsust 10 W-ni, suurendades seega impulsi energiat 100 nJ-ni. Teise võimalusena võib enne võimendit kasutada impulsi kogujat, et vähendada impulsi kordussagedust 1 kHz-ni. Kui suure võimsusega võimendi tõstab siiski keskmise võimsuse 10W-ni, siis impulsienergia on sel ajal 10mJ ja tippvõimsus võib ulatuda 100GW-ni.

Erinõuded ülikiiretele võimenditele:
Lisaks tavapärastele optiliste võimendite tehnilistele üksikasjadele seisavad ülikiired seadmed silmitsi täiendavate probleemidega:
Eriti suure energiatarbega süsteemide puhul peab võimendi võimendus olema väga suur. Eespool käsitletud ioonide puhul on vajalik võimendus kuni 70 dB. Kuna ühekäiguliste võimendite võimendus on piiratud, kasutatakse tavaliselt mitme kanaliga tööd. Positiivse tagasiside võimenditega on võimalik saavutada väga suurt kasumit. Lisaks kasutatakse sageli mitmeastmelisi võimendeid (võimendikette), kus esimene aste annab suure võimenduse ja viimane aste on optimeeritud suure impulsienergia ja tõhusa energiavõtu jaoks.
Suur võimendus tähendab üldiselt ka suuremat tundlikkust tagasipeegeldunud valguse suhtes (välja arvatud positiivse tagasiside võimendid) ja suuremat kalduvust tekitada võimendatud spontaanne emissioon (ASE). Teatud määral saab ASE-d maha suruda, asetades võimendi kahe astme vahele optilise lüliti (akusto-optilise modulaatori). Need lülitid avanevad ainult väga lühikeste ajavahemike järel võimendatud impulsi tipus. Kuid see ajavahemik on impulsi pikkusega võrreldes endiselt pikk, seega on ASE taustmüra summutamine impulsi lähedal ebatõenäoline. Optilised parameetrilised võimendid toimivad selles osas paremini, kuna need annavad võimenduse ainult siis, kui pumbaimpulss lastakse läbi. Tagasi levivat valgust ei võimendata.
Ultralühikestel impulssidel on märkimisväärne ribalaius, mida saab vähendada võimendi võimenduse ahendava efektiga, mille tulemuseks on pikem võimendatud impulsi pikkus. Kui impulsi pikkus on alla kümnete femtosekundite, on vaja ülilairiba võimendit. Võimenduse kitsendamine on eriti oluline suure võimendusega süsteemides.
Eriti suure impulsienergiaga süsteemide puhul võivad mitmesugused mittelineaarsed efektid moonutada impulsi ajalist ja ruumilist kuju ning isegi kahjustada võimendit iseteravustavate efektide tõttu. Tõhus viis selle efekti mahasurumiseks on kasutada chirped impulss amplifier (CPA), kus impulss on kõigepealt dispersioon laiendatud pikkuseks näiteks 1 ns, seejärel võimendatud ja lõpuks dispersioon kokkusurutud. Teine vähem levinud alternatiiv on alamimpulssvõimendi kasutamine. Teine oluline meetod on valguse intensiivsuse vähendamiseks suurendada võimendi režiimiala.
Ühekäiguliste võimendite puhul on tõhus energia eraldamine võimalik ainult siis, kui impulsi pikkus on piisavalt pikk, et võimaldada impulsivool saavutada küllastusvoo tasemeid ilma tugevaid mittelineaarseid efekte põhjustamata.
Ülikiiretele võimenditele esitatavad erinevad nõuded kajastuvad impulsi energia, impulsi pikkuse, kordussageduse, keskmise lainepikkuse jne erinevustes. Sellest lähtuvalt tuleb kasutusele võtta erinevad seadmed. Allpool on toodud mõned tüüpilised toimivusmõõdikud, mis on saadud erinevat tüüpi süsteemide jaoks.
Ytterbiumiga legeeritud kiudvõimendi suudab võimendada 10 ps impulssi sagedusel 100 MHz keskmise võimsuseni 10 W. (Sellise võimekusega süsteemi nimetatakse mõnikord ülikiireks fiiberlaseriks, kuigi see on tegelikult põhiostsillaatori võimsusvõimendi seade.) Tippvõimsusi 10 kW on suhteliselt lihtne saavutada, kasutades suurte režiimialadega kiudvõimendeid. Kuid femtosekundiliste impulsside korral oleks sellisel süsteemil väga tugev mittelineaarne mõju. Alustades femtosekundilistest impulssidest, millele järgneb piiksutatud impulsi võimendus, on lihtne saada mõne mikrodžauli energiat või äärmuslikel juhtudel üle 1 mJ. Alternatiivne lähenemisviis on paraboolse impulsi võimendamine normaalse dispersiooniga kius, millele järgneb impulsi dispersioonkompressioon.
Mitmekäiguline hulgivõimendi, näiteks Ti: Safiiril põhinev võimendi, võib pakkuda suurt režiimiala, mille tulemuseks on väljundenergia suurusjärgus 1 J ja impulsi kordussagedus on suhteliselt madal, näiteks 10 Hz. Impulsi venitamine mõne nanosekundi võrra on vajalik mittelineaarsete efektide mahasurumiseks. Hiljem, näiteks 20fs-ni kokkusurutuna, võib tippvõimsus ulatuda kümnete teravattideni (TW); kõige arenenumad suured süsteemid suudavad saavutada tippvõimsust, mis on suurem kui 1 PW, mis on suurusjärgus pilovatt. Väiksemad süsteemid võivad näiteks genereerida 1 mJ impulsse 10 kHz juures. Multipass võimendi võimendus on tavaliselt suurusjärgus 10dB.
Positiivse tagasisidega võimendis on võimalik saavutada kõrge võimendus kümneid dB. Näiteks 1 nJ impulsi saab Ti:Sapphire positiivse tagasiside võimendi abil võimendada 1 mJ-ni. Lisaks on mittelineaarsete efektide mahasurumiseks vajalik piiksutav impulssvõimendi.
Kasutades ütterbiumiga legeeritud õhukese kettaga laserpeal põhinevat positiivse tagasiside võimendit, saab alla 1 ps pikkuseid impulsse võimendada mitmesaja mikrodžaulini, ilma et oleks vaja CPA-d.
Q-lülitatud laserite genereeritud nanosekundiliste impulssidega pumbatud kiudparameetrilised võimendid võivad võimendada venitatud impulsi energiat mitme millidžaulini. Ühe kanaliga töös on võimalik saavutada mitme detsibelli suurune võimendus. Spetsiaalsete faasisobitusstruktuuride puhul on võimenduse ribalaius väga suur, nii et pärast dispersioonkompressiooni võib saada väga lühikese impulsi.
Kaubanduslike ülikiirete võimendisüsteemide jõudlusspetsifikatsioonid jäävad sageli teaduslike katsetega saavutatud parimale jõudlusele palju alla. Paljudel juhtudel on peamiseks põhjuseks see, et katsetes kasutatud seadmeid ja tehnikaid ei saa sageli kasutada kaubanduslikes seadmetes nende stabiilsuse ja vastupidavuse puudumise tõttu. Näiteks sisaldavad keerulised optiliste kiudude süsteemid mitut üleminekuprotsessi optiliste kiudude ja vaba ruumi optika vahel. Võib konstrueerida täiskiulisi võimendisüsteeme, kuid need süsteemid ei saavuta hulgioptikat kasutavate süsteemide jõudlust. On ka teisi juhtumeid, kus optika töötab oma kahjulävede lähedal; kaubanduslike seadmete puhul on aga vaja kõrgemaid ohutustagatisi. Probleemiks on ka see, et on vaja mingeid erimaterjale, mida on väga raske hankida.

Rakendus:
Ultrakiiretel võimenditel on palju rakendusi:
Paljusid seadmeid kasutatakse alusuuringuteks. Need võivad anda tugevaid impulsse tugevate mittelineaarsete protsesside jaoks, nagu kõrge järgu harmooniliste genereerimine, või osakeste kiirendamiseks väga kõrge energiani.
Laserindutseeritud liitmise (inertsiaalne sulandumine, kiire süüde) uuringutes kasutatakse suuri ülikiireid võimendeid.
Pikosekundilised või femtosekundilised impulsid energiaga millidžaulides on kasulikud täppistöötluses. Näiteks väga lühikesed impulsid võimaldavad õhukeste metalllehtede väga peent ja täpset lõikamist.
Ülikiireid võimendisüsteeme on tööstuses keeruline rakendada nende keerukuse ja kõrge hinna ning mõnikord ka ebakindluse tõttu. Sel juhul on olukorra parandamiseks vaja tehnoloogiliselt arenenumaid arendusi.