Gerade bei Hochenergiesystemen muss der Verstärkungsverstärker sehr groß sein. Bei den oben beschriebenen Ionen ist eine Verstärkung von bis zu 70dB erforderlich. Da Singlepass-Verstärker in der Verstärkung begrenzt sind, wird in der Regel Mehrkanalbetrieb eingesetzt. Sehr hohe Gewinne können mit positiven Feedback-Verstärkern erzielt werden. Darüber hinaus werden häufig mehrstufige Verstärker (Verstärkerketten) eingesetzt, bei denen die erste Stufe einen hohen Gain liefert und die letzte Stufe für hohe Impulsenergie und effiziente Energiegewinnung optimiert ist.
Hohe Verstärkung bedeutet im Allgemeinen auch eine höhere Empfindlichkeit gegenüber rückreflektiertem Licht (mit Ausnahme von positiven Rückkopplungsverstärkern) und eine größere Tendenz zur verstärkten spontanen Emission (ASE). Bis zu einem gewissen Grad kann ASE unterdrückt werden, indem ein optischer Schalter (akustisch-optischer Modulator) zwischen den beiden Stufen von Verstärkern platziert wird. Diese Schalter öffnen sich nur für sehr kurze Zeitintervalle um die Spitze des verstärkten Impulses. Allerdings ist dieses Zeitintervall im Vergleich zur Pulslänge immer noch lang, so dass es unwahrscheinlich ist, das ASE-Hintergrundrauschen nahe dem Puls zu unterdrücken. Optische parametrische Verstärker leisten in dieser Hinsicht bessere Leistungen, da sie nur dann Verstärkung liefern, wenn der Pumpenimpuls durchlaufen wird. Das Licht wird nicht verstärkt.
Ultrakurze Impulse haben eine signifikante Bandbreite, die durch den Gain-Verengungseffekt im Verstärker reduziert werden kann, was zu längeren verstärkten Pulslängen führt. Wenn die Pulslänge kleiner als zehn Femtosekunden ist, wird ein Ultrabreitbandverstärker benötigt. Gain Verengung ist besonders wichtig in High Gain Systemen.
Speziell bei Systemen mit hohen Pulsenergien können verschiedene nichtlineare Effekte die zeitliche und räumliche Form des Pulses verzerren und sogar den Verstärker durch Selbstfokussierungseffekte beschädigen. Eine effektive Möglichkeit, diesen Effekt zu unterdrücken, ist die Verwendung eines chirped pulse amplifier (CPA), bei dem der Impuls zuerst auf eine Länge von beispielsweise 1 ns erweitert, dann verstärkt und schließlich dispersion komprimiert wird. Eine weitere weniger verbreitete Alternative ist der Einsatz eines Subpulsverstärkers. Eine weitere wichtige Methode ist die Vergrößerung der Modefläche des Verstärkers, um die Lichtintensität zu reduzieren.
Bei Einpassverstärkern ist eine effiziente Energiegewinnung nur möglich, wenn die Pulslänge lang genug ist, um den Pulsfluss Sättigungsfluss zu erreichen, ohne starke nichtlineare Effekte zu verursachen.
Die unterschiedlichen Anforderungen an ultraschnelle Verstärker spiegeln sich in Unterschieden in Pulsenergie, Pulslänge, Wiederholungsrate, durchschnittlicher Wellenlänge usw. Dementsprechend müssen verschiedene Geräte angenommen werden. Nachfolgend finden Sie einige typische Leistungskennzahlen für verschiedene Arten von Systemen:
Der Ytterbium-dotierte Faserverstärker kann den Impulszug von 10ps bei 100MHz auf eine durchschnittliche Leistung von 10W verstärken. (Ein System mit dieser Fähigkeit wird manchmal als ultraschneller Faserlaser bezeichnet, obwohl es tatsächlich ein Master-Oszillator-Leistungsverstärker ist.) Spitzenleistungen von 10 kW sind relativ einfach mit Faserverstärkern mit großen Modebereichen zu erreichen. Aber mit Femtosekundenpulsen hätte ein solches System sehr starke nichtlineare Effekte. Beginnend mit Femtosekundenpulsen, gefolgt von chirpeter Pulsverstärkung, können Energien von wenigen Mikrojoule leicht erhalten werden, oder im Extremfall größer als 1 mJ. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen parabolischen Impuls in einer Faser mit normaler Dispersion zu verstärken, gefolgt von einer Dispersionskompression des Impulses.
Ein Mehrpass-Bulk-Verstärker, wie ein Ti:Saphir-basierter Verstärker, kann eine große Modenfläche bereitstellen, was zu Ausgangsenergien in der Ordnung von 1 J mit relativ niedrigen Pulswiederholraten wie 10 Hz führt. Eine Pulsdehnung um wenige Nanosekunden ist notwendig, um nichtlineare Effekte zu unterdrücken. Später komprimiert, um 20fs zu sagen, kann die Spitzenleistung Dutzende von Terawatt (TW) erreichen; Die fortschrittlichsten großen Systeme können Spitzenleistung über 1PW erreichen, die auf der Bestellung von Picowatten ist. Kleinere Systeme können beispielsweise 1-mJ-Impulse bei 10 kHz erzeugen. Die Verstärkung eines Multipass-Verstärkers liegt in der Regel auf der Ordnung von 10dB.
Ein hoher Gewinn von zehn dB kann in einem positiven Feedback-Verstärker erzielt werden. Beispielsweise kann ein 1 nJ Puls mit einem Ti:Sapphire positiven Feedback Verstärker auf 1 mJ verstärkt werden. Zusätzlich wird ein chirpeter Pulsverstärker benötigt, um nichtlineare Effekte zu unterdrücken.
Mit einem positiven Feedback-Verstärker, der auf einem Ytterbium-dotierten Dünnscheiben-Laserkopf basiert, können Impulse von weniger als 1 ps Länge ohne CPA auf mehrere hundert Mikrojoule verstärkt werden.
Faserparametrische Verstärker, die mit Nanosekundenpulsen gepumpt werden, die von Q-geschalteten Lasern erzeugt werden, können die gestreckte Pulsenergie auf mehrere Millijoule verstärken. Im Einkanalbetrieb kann ein hoher Gewinn von mehreren Dezibeln erzielt werden. Bei speziellen Phasenanpassungsstrukturen ist die Verstärkungsbandbreite sehr groß, so dass nach der Dispersionskompression ein sehr kurzer Impuls erhalten werden kann.
Die Leistungsspezifikationen kommerzieller ultraschneller Verstärkersysteme liegen oft deutlich unter der besten Leistung, die in wissenschaftlichen Experimenten erzielt wurde. In vielen Fällen liegt der Hauptgrund darin, dass die in den Experimenten verwendeten Geräte und Techniken aufgrund ihrer mangelnden Stabilität und Robustheit häufig nicht auf kommerzielle Geräte angewendet werden können. Komplexe Glasfasersysteme enthalten beispielsweise mehrere Übergangsprozesse zwischen Glasfasern und Freiraumoptiken. Vollfaserverstärkersysteme können gebaut werden, aber diese Systeme erreichen nicht die Leistung von Systemen, die Bulk Optics verwenden. Es gibt andere Fälle, in denen Optiken in der Nähe ihrer Schadensschwellen arbeiten; Für kommerzielle Geräte sind jedoch höhere Sicherheitsgarantien erforderlich. Ein weiteres Problem ist, dass einige spezielle Materialien benötigt werden, die sehr schwer zu erhalten sind.
Anwendung:
Ultraschnelle Verstärker haben viele Anwendungen:
Viele Geräte werden für die Grundlagenforschung eingesetzt. Sie können starke Impulse für starke nichtlineare Prozesse liefern, wie die Erzeugung von Oberschwingungen hoher Ordnung, oder Partikel auf sehr hohe Energien beschleunigen.
Große ultraschnelle Verstärker werden in der Forschung zur laserinduzierten Fusion (Trägheitsfusion, schnelle Zündung) eingesetzt.
Picosequenz- oder Femtosekundenpulse mit Energien in Millijoule sind bei der Präzisionsbearbeitung von Vorteil. So ermöglichen beispielsweise sehr kurze Impulse ein sehr feines und genaues Schneiden dünner Bleche.
Ultraschnelle Verstärkersysteme sind aufgrund ihrer Komplexität und ihres hohen Preises und manchmal wegen ihrer mangelnden Robustheit in der Industrie schwer zu implementieren. In diesem Fall sind technologisch fortschrittlichere Entwicklungen erforderlich, um die Situation zu verbessern.
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