amplificador ultrarrápido

Definição: Um amplificador que amplifica pulsos ópticos ultracurtos.
Amplificadores ultrarrápidos são amplificadores ópticos usados ​​para amplificar pulsos ultracurtos. Alguns amplificadores ultrarrápidos são usados ​​para amplificar trens de pulso de alta taxa de repetição para obter uma potência média muito alta enquanto a energia do pulso ainda está em níveis moderados; Quando esses pulsos intensos são focados em alguns alvos, são obtidas intensidades de luz muito altas, às vezes até maiores que 1016âW/cm2.
Como exemplo, considere a saída de um laser de modo bloqueado com uma taxa de repetição de pulso de 100 MHz, um comprimento de 100 fs e uma potência média de 0,1 W. Portanto, a energia do pulso é 0,1 W/100 MHz = 1 nJ e a a potência de pico é inferior a 10kW (relacionada à forma do pulso). Um amplificador de alta potência, atuando em todo o pulso, pode aumentar sua potência média para 10W, aumentando assim a energia do pulso para 100nJ. Alternativamente, um captador de pulso pode ser usado antes do amplificador para reduzir a taxa de repetição do pulso para 1 kHz. Se o amplificador de alta potência ainda aumentar a potência média para 10W, a energia do pulso é de 10mJ neste momento e a potência de pico pode atingir 100GW.

Requisitos especiais para amplificadores ultrarrápidos:
Além dos detalhes técnicos usuais dos amplificadores ópticos, os dispositivos ultrarrápidos enfrentam problemas adicionais:
Especialmente para sistemas de alta energia, o ganho do amplificador deve ser muito grande. Nos íons discutidos acima, é necessário um ganho de até 70dB. Como os amplificadores de passagem única são limitados em ganho, a operação multicanal é geralmente empregada. Ganhos muito altos podem ser alcançados com amplificadores de feedback positivo. Além disso, amplificadores de vários estágios (cadeias de amplificadores) são frequentemente empregados, onde o primeiro estágio fornece alto ganho e o último estágio é otimizado para alta energia de pulso e extração eficiente de energia.
Alto ganho também geralmente significa mais sensibilidade à luz refletida (com exceção de amplificadores de feedback positivo) e uma maior tendência para produzir emissão espontânea amplificada (ASE). Até certo ponto, o ASE pode ser suprimido colocando um interruptor óptico (modulador acústico-óptico) entre os dois estágios dos amplificadores. Esses interruptores abrem apenas por intervalos de tempo muito curtos em torno do pico do pulso amplificado. No entanto, esse intervalo de tempo ainda é longo em comparação com o comprimento do pulso, portanto, é improvável suprimir o ruído de fundo ASE próximo ao pulso. Amplificadores paramétricos ópticos têm melhor desempenho nesse aspecto porque fornecem ganho apenas quando o pulso da bomba é transmitido. A luz de retropropagação não é amplificada.
Pulsos ultracurtos têm largura de banda significativa, que pode ser reduzida pelo efeito de redução de ganho no amplificador, resultando assim em comprimentos de pulso amplificados mais longos. Quando o comprimento do pulso é inferior a dezenas de femtossegundos, é necessário um amplificador de banda ultralarga. O estreitamento do ganho é especialmente importante em sistemas de alto ganho.
Especialmente para sistemas com altas energias de pulso, vários efeitos não lineares podem distorcer a forma temporal e espacial do pulso e até danificar o amplificador devido aos efeitos de autofoco. Uma maneira eficaz de suprimir esse efeito é usar um amplificador de pulso chilreado (CPA), em que o pulso é primeiro ampliado em dispersão para um comprimento de, por exemplo, 1 ns, depois amplificado e, finalmente, em dispersão comprimida. Outra alternativa menos comum é usar um amplificador de subpulso. Outro método importante é aumentar a área de modo do amplificador para reduzir a intensidade da luz.
Para amplificadores de passagem única, a extração eficiente de energia só é possível se o comprimento do pulso for longo o suficiente para permitir que o fluxo do pulso atinja níveis de fluxo de saturação sem causar fortes efeitos não lineares.
Os diferentes requisitos para amplificadores ultrarrápidos são refletidos em diferenças na energia do pulso, comprimento do pulso, taxa de repetição, comprimento de onda médio, etc. Assim, diferentes dispositivos precisam ser adotados. Abaixo estão algumas métricas de desempenho típicas obtidas para diferentes tipos de sistemas:
O amplificador de fibra dopada com itérbio pode amplificar o trem de pulso de 10ps a 100MHz para uma potência média de 10W. (Um sistema com esta capacidade é algumas vezes chamado de laser de fibra ultrarrápido, embora na verdade seja um dispositivo amplificador de potência do oscilador principal.) Potências de pico de 10 kW são relativamente fáceis de obter usando amplificadores de fibra com grandes áreas de modo. Mas com pulsos de femtossegundos, tal sistema teria efeitos não lineares muito fortes. Começando com pulsos de femtossegundos, seguidos por amplificação de pulsos chilreados, energias de alguns microjoules podem ser facilmente obtidas ou, em casos extremos, superiores a 1 mJ. Uma abordagem alternativa é amplificar um pulso parabólico em uma fibra com dispersão normal, seguido de compressão de dispersão do pulso.
Um amplificador bulk multi-pass, como um amplificador baseado em Ti:Sapphire, pode fornecer uma grande área de modo, resultando em energias de saída da ordem de 1 J, com taxas de repetição de pulso relativamente baixas, como 10 Hz. O alongamento do pulso em alguns nanossegundos é necessário para suprimir os efeitos não lineares. Comprimida posteriormente para dizer 20fs, a potência de pico pode atingir dezenas de terawatts (TW); os grandes sistemas mais avançados podem atingir potência de pico maior que 1PW, que é da ordem de picowatts. Sistemas menores, por exemplo, podem gerar pulsos de 1 mJ a 10 kHz. O ganho de um amplificador multipass é geralmente da ordem de 10dB.
Um alto ganho de dezenas de dB pode ser obtido em um amplificador de realimentação positiva. Por exemplo, um pulso de 1 nJ pode ser amplificado para 1 mJ usando um amplificador de feedback positivo Ti:Sapphire. Além disso, um amplificador de pulso chirped é necessário para suprimir os efeitos não lineares.
Usando um amplificador de feedback positivo baseado em uma cabeça de laser de disco fino dopada com itérbio, pulsos com menos de 1 ps de comprimento podem ser amplificados para várias centenas de microjoules sem a necessidade de CPA.
Amplificadores paramétricos de fibra bombeados com pulsos de nanossegundos gerados por lasers Q-switched podem amplificar a energia do pulso esticado para vários milijoules. Alto ganho de vários decibéis pode ser alcançado na operação de canal único. Para estruturas especiais de correspondência de fase, a largura de banda de ganho é muito grande, portanto, um pulso muito curto pode ser obtido após a compressão da dispersão.
As especificações de desempenho dos sistemas de amplificadores ultrarrápidos comerciais geralmente estão bem abaixo do melhor desempenho obtido em experimentos científicos. Em muitos casos, o principal motivo é que os dispositivos e técnicas empregadas nos experimentos muitas vezes não podem ser aplicados a dispositivos comerciais devido à falta de estabilidade e robustez. Por exemplo, sistemas complexos de fibra óptica contêm múltiplos processos de transição entre fibras ópticas e óptica de espaço livre. Sistemas amplificadores totalmente em fibra podem ser construídos, mas esses sistemas não atingem o desempenho de sistemas que empregam óptica em massa. Existem outros casos em que a ótica opera perto de seus limites de dano; no entanto, para dispositivos comerciais, são necessárias garantias de segurança mais altas. Outro problema é que são necessários alguns materiais especiais, que são muito difíceis de obter.

Aplicativo:
Os amplificadores ultrarrápidos têm muitas aplicações:
Muitos dispositivos são usados ​​para pesquisa básica. Eles podem fornecer pulsos fortes para processos não lineares fortes, como geração de harmônicos de alta ordem, ou para acelerar partículas a energias muito altas.
Grandes amplificadores ultrarrápidos são usados ​​em pesquisas para fusão induzida por laser (fusão por confinamento inercial, ignição rápida).
Pulsos de picossegundos ou femtossegundos com energia em milijoules são benéficos na usinagem de precisão. Por exemplo, pulsos muito curtos permitem um corte muito fino e preciso de chapas finas de metal.
Os sistemas amplificadores ultrarrápidos são difíceis de implementar na indústria devido à sua complexidade e alto preço, e às vezes devido à sua falta de robustez. Neste caso, são necessários desenvolvimentos tecnologicamente mais avançados para melhorar a situação.