超快放大器
发布:博科斯光电  时间:2023-08-16  浏览:283
超快放大器的特殊要求:
除了光学放大器的常见技术细节外,超快器件还面临其他问题:
特别是对于高能系统,放大器的增益必须非常大。在上述离子中,需要高达70dB的增益。由于单通放大器的增益有限,因此通常采用多通道操作。使用正反馈放大器可以实现非常高的增益。此外,通常采用多级放大器(放大器链),其中第一级提供高增益,而最后一级针对高脉冲能量和高效能量提取进行优化。
高增益通常还意味着对背反射光更敏感(正反馈放大器除外),并且更倾向于产生放大自发发射(ASE)。在一定程度上,ASE可以通过在两级放大器之间放置光学开关(声光调制器)来抑制。这些开关仅在放大脉冲峰值附近的非常短的时间间隔内打开。然而,与脉冲长度相比,该时间间隔仍然很长,因此抑制脉冲附近的ASE背景噪声是不可能的。光学参数放大器在这方面表现得更好,因为它们仅在泵浦脉冲通过时提供增益。反向传播的光不会被放大。
超短脉冲具有显著的带宽,放大器中的增益变窄效应可以降低带宽,从而导致更长的放大脉冲长度。当脉冲长度小于几十飞秒时,需要超宽带放大器。增益变窄在高增益系统中尤其重要。
特别是对于具有高脉冲能量的系统,各种非线性效应会使脉冲的时间和空间形状失真,甚至由于自聚焦效应而损坏放大器。抑制这种影响的有效方法是使用啁啾脉冲放大器(CPA),其中脉冲首先被色散加宽到例如1ns的长度,然后被放大,最后被色散压缩。另一种不太常见的替代方案是使用子脉冲放大器。另一个重要的方法是增加放大器的模面积以降低光强度。
对于单通放大器,只有当脉冲长度足够长以允许脉冲通量达到饱和通量水平而不引起强非线性效应时,才有可能进行有效的能量提取。
对超快放大器的不同要求反映在脉冲能量、脉冲长度、重复率、平均波长等方面的差异。因此,需要采用不同的器件。以下是针对不同类型的系统获得的一些典型性能指标:
掺镱光纤放大器可以在100MHz下将10ps的脉冲串放大到10W的平均功率。(具有这种能力的系统有时被称为超快光纤激光器,尽管它实际上是主振荡器功率放大器设备。)使用具有大模面积的光纤放大器相对容易实现10kW的峰值功率。但如果使用飞秒脉冲,这样的系统将具有非常强的非线性效应。从飞秒脉冲开始,然后是啁啾脉冲放大,可以很容易地获得几微焦耳的能量,或者在极端情况下大于1 mJ。另一种方法是在具有正常色散的光纤中放大抛物线脉冲,然后对脉冲进行色散压缩。
多通体放大器,例如基于钛:蓝宝石的放大器,可以提供大的模面积,从而产生1J量级的输出能量,具有相对低的脉冲重复率,例如10Hz。为了抑制非线性效应,需要几纳秒的脉冲拉伸。后来压缩到20fs,峰值功率可以达到几十太瓦(TW);最先进的大型系统可以实现大于1PW的峰值功率,这在皮瓦的数量级上。例如,较小的系统可以在10kHz下产生1mJ的脉冲。多通路放大器的增益通常在10dB的数量级上。
在正反馈放大器中可以获得几十dB的高增益。例如,可以使用Ti∶Sapphire正反馈放大器将1nJ脉冲放大到1mJ。此外,还需要啁啾脉冲放大器来抑制非线性效应。
使用基于掺镱薄盘激光头的正反馈放大器,长度小于1ps的脉冲可以被放大到几百微焦耳,而不需要CPA。
用Q开关激光器产生的纳秒脉冲泵浦的光纤参数放大器可以将拉伸的脉冲能量放大到几毫焦耳。在单通道操作中可以实现几个分贝的高增益。对于特殊的相位匹配结构,增益带宽非常大,因此经过色散压缩可以获得非常短的脉冲。
商业超快放大器系统的性能指标通常远低于科学实验中获得的最佳性能。在许多情况下,主要原因是实验中使用的设备和技术由于缺乏稳定性和稳健性,通常无法应用于商业设备。例如,复杂的光纤系统包含光纤和自由空间光学之间的多重过渡过程。可以构造所有光纤放大器系统,但是这些系统不能实现采用大块光学器件的系统的性能。在其他情况下,光学器件在其损伤阈值附近工作;然而,对于商用设备,需要更高的安全保证。另一个问题是需要一些特殊材料,这些材料很难获得。
应用程序:
超快放大器有许多应用:
许多设备用于基础研究。它们可以为强非线性过程提供强脉冲,如高次谐波产生,或将粒子加速到非常高的能量。
大型超快放大器用于激光诱导聚变(惯性约束聚变、快速点火)的研究。
能量为毫焦耳的皮秒或飞秒脉冲在精密加工中是有益的。例如,非常短的脉冲允许非常精细和精确地切割薄金属片。
超快放大器系统由于其复杂性和高价格而难以在工业中实现,有时还因为其缺乏鲁棒性。在这种情况下,需要更先进的技术来改善这种情况。
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