Amplificador ultrarrápido

Definición: Un amplificador que amplifica pulsos ópticos ultracortos.
Los amplificadores ultrarrápidos son amplificadores ópticos que se utilizan para amplificar pulsos ultracortos. Algunos amplificadores ultrarrápidos se utilizan para amplificar trenes de pulsos de alta tasa de repetición para obtener una potencia promedio muy alta mientras que la energía del pulso aún se encuentra en niveles moderados, en otros casos, los pulsos de menor tasa de repetición obtienen más ganancia y obtienen una energía de pulsos muy alta y una potencia pico relativamente grande. Cuando estos pulsos intensos se enfocan en algunos objetivos, se obtienen intensidades de luz muy altas, a veces incluso superiores a 1016âW/cm2.
Como ejemplo, considere la salida de un láser de modo bloqueado con una tasa de repetición de pulso de 100 MHz, una longitud de 100 fs y una potencia promedio de 0,1 W. Por lo tanto, la energía del pulso es 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, y la la potencia máxima es inferior a 10kW (relacionada con la forma del pulso). Un amplificador de alta potencia, actuando sobre todo el pulso, puede aumentar su potencia promedio a 10 W, aumentando así la energía del pulso a 100 nJ. Alternativamente, se puede usar un captador de pulsos antes del amplificador para reducir la tasa de repetición de pulsos a 1 kHz. Si el amplificador de alta potencia aún aumenta la potencia promedio a 10 W, entonces la energía del pulso es de 10 mJ en este momento y la potencia máxima puede alcanzar los 100 GW.

Requisitos especiales para amplificadores ultrarrápidos:
Además de los detalles técnicos habituales de los amplificadores ópticos, los dispositivos ultrarrápidos enfrentan problemas adicionales:
Especialmente para sistemas de alta energía, la ganancia del amplificador debe ser muy grande. En los iones discutidos anteriormente, se requiere una ganancia de hasta 70dB. Dado que los amplificadores de paso único tienen una ganancia limitada, generalmente se emplea la operación multicanal. Se pueden lograr ganancias muy altas con amplificadores de retroalimentación positiva. Además, a menudo se emplean amplificadores de etapas múltiples (cadenas de amplificadores), donde la primera etapa proporciona una alta ganancia y la última etapa está optimizada para una energía de pulso alta y una extracción de energía eficiente.
Una alta ganancia generalmente significa más sensibilidad a la luz reflejada (con la excepción de los amplificadores de retroalimentación positiva) y una mayor tendencia a producir emisión espontánea amplificada (ASE). Hasta cierto punto, ASE se puede suprimir colocando un interruptor óptico (modulador acústico-óptico) entre las dos etapas de los amplificadores. Estos interruptores solo se abren durante intervalos de tiempo muy cortos alrededor del pico del pulso amplificado. Sin embargo, este intervalo de tiempo sigue siendo largo en comparación con la duración del pulso, por lo que es poco probable que se suprima el ruido de fondo del ASE cerca del pulso. Los amplificadores paramétricos ópticos funcionan mejor en este sentido porque solo proporcionan ganancia cuando pasa el pulso de la bomba. La luz de retropropagación no se amplifica.
Los pulsos ultracortos tienen un ancho de banda significativo, que puede reducirse por el efecto de estrechamiento de ganancia en el amplificador, lo que da como resultado longitudes de pulso amplificadas más largas. Cuando la longitud del pulso es inferior a decenas de femtosegundos, se requiere un amplificador de banda ultraancha. La reducción de ganancia es especialmente importante en los sistemas de alta ganancia.
Especialmente para sistemas con altas energías de pulso, varios efectos no lineales pueden distorsionar la forma temporal y espacial del pulso e incluso dañar el amplificador debido a los efectos de autoenfoque. Una forma eficaz de suprimir este efecto es utilizar un amplificador de pulso chirp (CPA), en el que primero se amplía la dispersión del pulso a una longitud de, por ejemplo, 1 ns, luego se amplifica y finalmente se comprime la dispersión. Otra alternativa menos común es utilizar un amplificador de subpulsos. Otro método importante es aumentar el área de modo del amplificador para reducir la intensidad de la luz.
Para los amplificadores de un solo paso, la extracción de energía eficiente solo es posible si la longitud del pulso es lo suficientemente larga como para permitir que el flujo del pulso alcance niveles de flujo de saturación sin causar fuertes efectos no lineales.
Los diferentes requisitos para los amplificadores ultrarrápidos se reflejan en las diferencias en la energía del pulso, la longitud del pulso, la tasa de repetición, la longitud de onda promedio, etc. En consecuencia, es necesario adoptar diferentes dispositivos. A continuación se muestran algunas métricas de rendimiento típicas obtenidas para diferentes tipos de sistemas:
El amplificador de fibra dopada con iterbio puede amplificar el tren de pulsos de 10ps a 100MHz a una potencia promedio de 10W. (Un sistema con esta capacidad a veces se denomina láser de fibra ultrarrápido, aunque en realidad es un dispositivo amplificador de potencia de oscilador maestro). Las potencias máximas de 10 kW son relativamente fáciles de lograr utilizando amplificadores de fibra con áreas de modo grandes. Pero con pulsos de femtosegundos, tal sistema tendría efectos no lineales muy fuertes. Comenzando con pulsos de femtosegundos, seguidos de una amplificación de pulso chirrido, se pueden obtener fácilmente energías de unos pocos microjulios o, en casos extremos, superiores a 1 mJ. Un enfoque alternativo es amplificar un pulso parabólico en una fibra con dispersión normal, seguido de una compresión de dispersión del pulso.
Un amplificador masivo de paso múltiple, como un amplificador basado en Ti:Sapphire, puede proporcionar un área de modo grande, lo que da como resultado energías de salida del orden de 1 J, con tasas de repetición de pulso relativamente bajas, como 10 Hz. Es necesario estirar el pulso unos pocos nanosegundos para suprimir los efectos no lineales. Más tarde comprimida a 20fs, la potencia máxima puede alcanzar decenas de teravatios (TW); los sistemas grandes más avanzados pueden alcanzar una potencia máxima superior a 1PW, que es del orden de los picovatios. Los sistemas más pequeños, por ejemplo, pueden generar pulsos de 1 mJ a 10 kHz. La ganancia de un amplificador multipaso suele ser del orden de 10dB.
Se puede obtener una alta ganancia de decenas de dB en un amplificador de retroalimentación positiva. Por ejemplo, un pulso de 1 nJ se puede amplificar a 1 mJ usando un amplificador de retroalimentación positiva Ti:Sapphire. Además, se requiere un amplificador de pulso chirrido para suprimir los efectos no lineales.
Usando un amplificador de retroalimentación positiva basado en un cabezal láser de disco delgado dopado con iterbio, los pulsos de menos de 1 ps de longitud se pueden amplificar a varios cientos de microjulios sin necesidad de CPA.
Los amplificadores paramétricos de fibra bombeados con pulsos de nanosegundos generados por láseres Q-switched pueden amplificar la energía del pulso estirado a varios milijulios. Se puede lograr una alta ganancia de varios decibelios en la operación de un solo canal. Para estructuras de adaptación de fase especiales, el ancho de banda de ganancia es muy grande, por lo que se puede obtener un pulso muy corto después de la compresión de dispersión.
Las especificaciones de rendimiento de los sistemas amplificadores ultrarrápidos comerciales suelen estar muy por debajo del mejor rendimiento obtenido en experimentos científicos. En muchos casos, la razón principal es que los dispositivos y técnicas empleadas en los experimentos muchas veces no se pueden aplicar a dispositivos comerciales debido a su falta de estabilidad y robustez. Por ejemplo, los sistemas complejos de fibra óptica contienen múltiples procesos de transición entre las fibras ópticas y la óptica de espacio libre. Se pueden construir sistemas amplificadores totalmente de fibra, pero estos sistemas no logran el rendimiento de los sistemas que emplean óptica a granel. Hay otros casos en los que la óptica opera cerca de sus umbrales de daño; sin embargo, para dispositivos comerciales, se requieren mayores garantías de seguridad. Otro problema es que se requieren algunos materiales especiales, que son muy difíciles de conseguir.

Solicitud:
Los amplificadores ultrarrápidos tienen muchas aplicaciones:
Muchos dispositivos se utilizan para la investigación básica. Pueden proporcionar pulsos fuertes para procesos no lineales fuertes, como la generación de armónicos de alto orden, o para acelerar partículas a energías muy altas.
Los grandes amplificadores ultrarrápidos se utilizan en la investigación de la fusión inducida por láser (fusión por confinamiento inercial, encendido rápido).
Los pulsos de picosegundos o femtosegundos con energías en milijulios son beneficiosos en el mecanizado de precisión. Por ejemplo, los pulsos muy cortos permiten un corte muy fino y preciso de láminas de metal delgadas.
Los sistemas amplificadores ultrarrápidos son difíciles de implementar en la industria debido a su complejidad y alto precio, y en ocasiones por su falta de robustez. En este caso, se necesitan desarrollos tecnológicamente más avanzados para mejorar la situación.