అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్

నిర్వచనం: అల్ట్రాషార్ట్ ఆప్టికల్ పల్స్‌లను విస్తరించే యాంప్లిఫైయర్.
అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్‌లు అల్ట్రాషార్ట్ పల్స్‌లను విస్తరించడానికి ఉపయోగించే ఆప్టికల్ యాంప్లిఫైయర్‌లు. కొన్ని అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్‌లు అధిక సగటు శక్తిని పొందడానికి అధిక పునరావృత రేటు పల్స్ రైళ్లను విస్తరించేందుకు ఉపయోగించబడతాయి, అయితే పల్స్ శక్తి ఇప్పటికీ మితమైన స్థాయిలో ఉంటుంది, ఇతర సందర్భాల్లో తక్కువ పునరావృత రేటు పప్పులు ఎక్కువ లాభం పొందుతాయి మరియు చాలా ఎక్కువ పల్స్ శక్తిని మరియు సాపేక్షంగా పెద్ద పీక్ పవర్‌ను పొందుతాయి. ఈ తీవ్రమైన పప్పులు కొన్ని లక్ష్యాలపై కేంద్రీకరించబడినప్పుడు, చాలా ఎక్కువ కాంతి తీవ్రతలు లభిస్తాయి, కొన్నిసార్లు 1016âW/cm2 కంటే ఎక్కువగా ఉంటాయి.
ఉదాహరణగా, 100 MHz పల్స్ పునరావృత రేటు, 100 fs పొడవు మరియు 0.1 W సగటు శక్తితో మోడ్-లాక్ చేయబడిన లేజర్ అవుట్‌పుట్‌ను పరిగణించండి. కాబట్టి పల్స్ శక్తి 0.1W/100MHz=1nJ, మరియు గరిష్ట శక్తి 10kW కంటే తక్కువ (పల్స్ ఆకృతికి సంబంధించినది). అధిక శక్తి యాంప్లిఫైయర్, మొత్తం పల్స్‌పై పనిచేస్తుంది, దాని సగటు శక్తిని 10Wకి పెంచుతుంది, తద్వారా పల్స్ శక్తిని 100nJకి పెంచుతుంది. ప్రత్యామ్నాయంగా, పల్స్ పునరావృత రేటును 1 kHzకి తగ్గించడానికి యాంప్లిఫైయర్ ముందు పల్స్ పికప్‌ను ఉపయోగించవచ్చు. అధిక-పవర్ యాంప్లిఫైయర్ ఇప్పటికీ సగటు శక్తిని 10Wకి పెంచినట్లయితే, ఈ సమయంలో పల్స్ శక్తి 10mJ, మరియు గరిష్ట శక్తి 100GWకి చేరుకుంటుంది.

అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్‌ల కోసం ప్రత్యేక అవసరాలు:
ఆప్టికల్ యాంప్లిఫైయర్ల యొక్క సాధారణ సాంకేతిక వివరాలతో పాటు, అల్ట్రాఫాస్ట్ పరికరాలు అదనపు సమస్యలను ఎదుర్కొంటాయి:
ముఖ్యంగా అధిక శక్తి వ్యవస్థలకు, యాంప్లిఫైయర్ యొక్క లాభం చాలా పెద్దదిగా ఉండాలి. పైన చర్చించిన అయాన్లలో, 70dB వరకు లాభం అవసరం. సింగిల్-పాస్ యాంప్లిఫయర్లు లాభంలో పరిమితం చేయబడినందున, బహుళ-ఛానల్ ఆపరేషన్ సాధారణంగా ఉపయోగించబడుతుంది. పాజిటివ్ ఫీడ్‌బ్యాక్ యాంప్లిఫైయర్‌లతో చాలా ఎక్కువ లాభాలను పొందవచ్చు. అదనంగా, బహుళ-దశల యాంప్లిఫయర్లు (యాంప్లిఫైయర్ గొలుసులు) తరచుగా ఉపయోగించబడతాయి, ఇక్కడ మొదటి దశ అధిక లాభాలను అందిస్తుంది మరియు చివరి దశ అధిక పల్స్ శక్తి మరియు సమర్థవంతమైన శక్తి వెలికితీత కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయబడింది.
అధిక లాభం అంటే సాధారణంగా బ్యాక్-రిఫ్లెక్ట్డ్ లైట్‌కి (పాజిటివ్ ఫీడ్‌బ్యాక్ యాంప్లిఫైయర్‌లను మినహాయించి) మరింత సున్నితత్వం మరియు యాంప్లిఫైడ్ స్పాంటేనియస్ ఎమిషన్ (ASE)ని ఉత్పత్తి చేసే ఎక్కువ ధోరణి. కొంత వరకు, యాంప్లిఫైయర్‌ల యొక్క రెండు దశల మధ్య ఆప్టికల్ స్విచ్ (అకౌస్టో-ఆప్టికల్ మాడ్యులేటర్) ఉంచడం ద్వారా ASEని అణచివేయవచ్చు. ఈ స్విచ్‌లు యాంప్లిఫైడ్ పల్స్ యొక్క పీక్ చుట్టూ చాలా తక్కువ సమయ వ్యవధిలో మాత్రమే తెరవబడతాయి. అయితే, పల్స్ పొడవుతో పోలిస్తే ఈ సమయ విరామం ఇంకా చాలా పొడవుగా ఉంది, కాబట్టి పల్స్ దగ్గర ASE నేపథ్య శబ్దాన్ని అణచివేయడం అసంభవం. ఆప్టికల్ పారామెట్రిక్ యాంప్లిఫైయర్‌లు ఈ విషయంలో మెరుగ్గా పనిచేస్తాయి ఎందుకంటే అవి పంప్ పల్స్ గుండా వెళ్ళినప్పుడు మాత్రమే లాభాలను అందిస్తాయి. బ్యాక్‌ప్రొపగేటింగ్ లైట్ విస్తరించబడదు.
అల్ట్రాషార్ట్ పప్పులు గణనీయమైన బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను కలిగి ఉంటాయి, ఇవి యాంప్లిఫైయర్‌లో లాభం-సంకుచిత ప్రభావంతో తగ్గించబడతాయి, తద్వారా ఎక్కువ కాలం విస్తరించిన పల్స్ పొడవులు ఉంటాయి. పల్స్ పొడవు పదుల ఫెమ్టోసెకన్ల కంటే తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, అల్ట్రా-వైడ్‌బ్యాండ్ యాంప్లిఫైయర్ అవసరం. అధిక లాభం వ్యవస్థలలో లాభం సంకుచితం చాలా ముఖ్యమైనది.
ప్రత్యేకించి అధిక పల్స్ ఎనర్జీలు కలిగిన సిస్టమ్‌లకు, వివిధ నాన్ లీనియర్ ఎఫెక్ట్‌లు పల్స్ యొక్క తాత్కాలిక మరియు ప్రాదేశిక ఆకృతిని వక్రీకరిస్తాయి మరియు స్వీయ-ఫోకస్ ప్రభావాల కారణంగా యాంప్లిఫైయర్‌ను కూడా దెబ్బతీస్తాయి. ఈ ప్రభావాన్ని అణచివేయడానికి ఒక ప్రభావవంతమైన మార్గం చిర్ప్డ్ పల్స్ యాంప్లిఫైయర్ (CPA)ని ఉపయోగించడం, ఇక్కడ పల్స్ మొదట 1 ns పొడవుకు విస్తరించబడుతుంది, ఉదాహరణకు, విస్తరించబడుతుంది మరియు చివరకు డిస్పర్షన్ కంప్రెస్ చేయబడుతుంది. ఉప-పల్స్ యాంప్లిఫైయర్‌ను ఉపయోగించడం మరొక తక్కువ సాధారణ ప్రత్యామ్నాయం. కాంతి తీవ్రతను తగ్గించడానికి యాంప్లిఫైయర్ యొక్క మోడ్ ప్రాంతాన్ని పెంచడం మరొక ముఖ్యమైన పద్ధతి.
సింగిల్-పాస్ యాంప్లిఫైయర్‌ల కోసం, బలమైన నాన్ లీనియర్ ఎఫెక్ట్‌లను కలిగించకుండా పల్స్ ఫ్లక్స్ సంతృప్త ఫ్లక్స్ స్థాయిలను చేరుకోవడానికి పల్స్ పొడవు తగినంత పొడవుగా ఉంటే మాత్రమే సమర్థవంతమైన శక్తి వెలికితీత సాధ్యమవుతుంది.
అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫయర్‌ల కోసం వివిధ అవసరాలు పల్స్ శక్తి, పల్స్ పొడవు, పునరావృత రేటు, సగటు తరంగదైర్ఘ్యం మొదలైన వాటిలో వ్యత్యాసాలలో ప్రతిబింబిస్తాయి. తదనుగుణంగా, వివిధ పరికరాలను స్వీకరించడం అవసరం. వివిధ రకాల సిస్టమ్‌ల కోసం పొందిన కొన్ని సాధారణ పనితీరు కొలమానాలు క్రింద ఉన్నాయి:
ytterbium-డోప్డ్ ఫైబర్ యాంప్లిఫైయర్ 100MHz వద్ద 10ps పల్స్ రైలును 10W సగటు శక్తికి పెంచగలదు. (వాస్తవానికి ఇది మాస్టర్ ఓసిలేటర్ పవర్ యాంప్లిఫైయర్ పరికరం అయినప్పటికీ, ఈ సామర్ధ్యం కలిగిన వ్యవస్థను కొన్నిసార్లు అల్ట్రాఫాస్ట్ ఫైబర్ లేజర్‌గా సూచిస్తారు.) 10 kW పీక్ పవర్‌లు పెద్ద మోడ్ ప్రాంతాలతో ఫైబర్ యాంప్లిఫైయర్‌లను ఉపయోగించి సాధించడం చాలా సులభం. కానీ ఫెమ్టోసెకండ్ పప్పులతో, అటువంటి వ్యవస్థ చాలా బలమైన నాన్ లీనియర్ ప్రభావాలను కలిగి ఉంటుంది. ఫెమ్టోసెకండ్ పప్పులతో ప్రారంభించి, చిర్ప్డ్ పల్స్ యాంప్లిఫికేషన్ తర్వాత, కొన్ని మైక్రోజౌల్స్ యొక్క శక్తిని సులభంగా పొందవచ్చు లేదా 1 mJ కంటే ఎక్కువ తీవ్రమైన సందర్భాల్లో పొందవచ్చు. ఒక ప్రత్యామ్నాయ విధానం ఒక ఫైబర్‌లో పారాబొలిక్ పల్స్‌ను సాధారణ వ్యాప్తితో విస్తరించడం, తర్వాత పల్స్ యొక్క డిస్పర్షన్ కంప్రెషన్.
Ti:Sapphire-ఆధారిత యాంప్లిఫైయర్ వంటి బహుళ-పాస్ బల్క్ యాంప్లిఫైయర్, 10 Hz వంటి సాపేక్షంగా తక్కువ పల్స్ రిపీటీషన్ రేట్‌లతో 1 J క్రమంలో అవుట్‌పుట్ ఎనర్జీల ఫలితంగా ఒక పెద్ద మోడ్ ప్రాంతాన్ని అందించగలదు. నాన్ లీనియర్ ఎఫెక్ట్‌లను అణిచివేసేందుకు కొన్ని నానోసెకన్ల వరకు పల్స్ స్ట్రెచింగ్ అవసరం. తర్వాత 20fs అని చెప్పడానికి కుదించబడితే, గరిష్ట శక్తి పదుల టెరావాట్‌లను (TW) చేరుకోగలదు; అత్యంత అధునాతన పెద్ద వ్యవస్థలు 1PW కంటే ఎక్కువ గరిష్ట శక్తిని సాధించగలవు, ఇది పికోవాట్‌ల క్రమంలో ఉంటుంది. చిన్న వ్యవస్థలు, ఉదాహరణకు, 10 kHz వద్ద 1 mJ పప్పులను ఉత్పత్తి చేయగలవు. మల్టీపాస్ యాంప్లిఫైయర్ యొక్క లాభం సాధారణంగా 10dB క్రమంలో ఉంటుంది.
సానుకూల ఫీడ్‌బ్యాక్ యాంప్లిఫైయర్‌లో పదుల dB అధిక లాభం పొందవచ్చు. ఉదాహరణకు, Ti:Sapphire పాజిటివ్ ఫీడ్‌బ్యాక్ యాంప్లిఫైయర్‌ని ఉపయోగించి 1 nJ పల్స్‌ను 1 mJకి విస్తరించవచ్చు. అదనంగా, నాన్ లీనియర్ ఎఫెక్ట్‌లను అణిచివేసేందుకు చిర్ప్డ్ పల్స్ యాంప్లిఫైయర్ అవసరం.
Ytterbium-డోప్డ్ థిన్-డిస్క్ లేజర్ హెడ్‌పై ఆధారపడిన పాజిటివ్ ఫీడ్‌బ్యాక్ యాంప్లిఫైయర్‌ని ఉపయోగించి, 1 ps కంటే తక్కువ పొడవు గల పప్పులను CPA అవసరం లేకుండానే అనేక వందల మైక్రోజౌల్స్‌కు విస్తరించవచ్చు.
Q- స్విచ్డ్ లేజర్‌ల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన నానోసెకండ్ పల్స్‌తో పంప్ చేయబడిన ఫైబర్ పారామెట్రిక్ యాంప్లిఫైయర్‌లు అనేక మిల్లీజౌల్స్‌కు విస్తరించిన పల్స్ శక్తిని విస్తరించగలవు. సింగిల్-ఛానల్ ఆపరేషన్‌లో అనేక డెసిబెల్‌ల అధిక లాభం సాధించవచ్చు. ప్రత్యేక దశ సరిపోలే నిర్మాణాల కోసం, లాభం బ్యాండ్‌విడ్త్ చాలా పెద్దది, కాబట్టి డిస్పర్షన్ కంప్రెషన్ తర్వాత చాలా చిన్న పల్స్ పొందవచ్చు.
వాణిజ్యపరమైన అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్ సిస్టమ్‌ల పనితీరు లక్షణాలు తరచుగా శాస్త్రీయ ప్రయోగాలలో పొందిన అత్యుత్తమ పనితీరు కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటాయి. అనేక సందర్భాల్లో, ప్రధాన కారణం ఏమిటంటే, ప్రయోగాలలో ఉపయోగించే పరికరాలు మరియు సాంకేతికతలు స్థిరత్వం మరియు పటిష్టత లేకపోవడం వల్ల వాణిజ్య పరికరాలకు తరచుగా వర్తించవు. ఉదాహరణకు, కాంప్లెక్స్ ఆప్టికల్ ఫైబర్ సిస్టమ్‌లు ఆప్టికల్ ఫైబర్‌లు మరియు ఫ్రీ-స్పేస్ ఆప్టిక్స్ మధ్య బహుళ పరివర్తన ప్రక్రియలను కలిగి ఉంటాయి. ఆల్-ఫైబర్ యాంప్లిఫైయర్ సిస్టమ్‌లను నిర్మించవచ్చు, అయితే ఈ సిస్టమ్‌లు బల్క్ ఆప్టిక్స్‌ని ఉపయోగించే సిస్టమ్‌ల పనితీరును సాధించలేవు. ఆప్టిక్స్ వాటి నష్టం థ్రెషోల్డ్‌ల దగ్గర పనిచేసే ఇతర సందర్భాలు ఉన్నాయి; అయినప్పటికీ, వాణిజ్య పరికరాల కోసం, అధిక భద్రతా హామీలు అవసరం. మరొక సమస్య ఏమిటంటే, కొన్ని ప్రత్యేక పదార్థాలు అవసరమవుతాయి, వీటిని పొందడం చాలా కష్టం.

అప్లికేషన్:
అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్‌లు అనేక అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్నాయి:
ప్రాథమిక పరిశోధన కోసం అనేక పరికరాలు ఉపయోగించబడతాయి. హై-ఆర్డర్ హార్మోనిక్ జనరేషన్ వంటి బలమైన నాన్ లీనియర్ ప్రక్రియలకు లేదా కణాలను అధిక శక్తికి వేగవంతం చేయడానికి అవి బలమైన పల్స్‌లను అందించగలవు.
లేజర్-ప్రేరిత ఫ్యూజన్ (జడత్వ నిర్బంధ కలయిక, వేగవంతమైన ఇగ్నిషన్) కోసం పరిశోధనలో పెద్ద అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్‌లు ఉపయోగించబడతాయి.
మిల్లీజౌల్స్‌లోని శక్తితో కూడిన పికోసెకండ్ లేదా ఫెమ్టోసెకండ్ పప్పులు ఖచ్చితమైన మ్యాచింగ్‌లో ప్రయోజనకరంగా ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, చాలా చిన్న పప్పులు సన్నని మెటల్ షీట్లను చాలా చక్కగా మరియు ఖచ్చితమైన కత్తిరించడానికి అనుమతిస్తాయి.
అల్ట్రాఫాస్ట్ యాంప్లిఫైయర్ సిస్టమ్‌లు వాటి సంక్లిష్టత మరియు అధిక ధర కారణంగా పరిశ్రమలో అమలు చేయడం కష్టం, మరియు కొన్నిసార్లు వాటి పటిష్టత లేకపోవడం. ఈ సందర్భంలో, పరిస్థితిని మెరుగుపరచడానికి మరింత సాంకేతికంగా అభివృద్ధి చెందిన అభివృద్ధి అవసరం.