Ultraschneller Verstärker

Definition: Ein Verstärker, der ultrakurze optische Impulse verstärkt.
Ultraschnelle Verstärker sind optische Verstärker zur Verstärkung ultrakurzer Impulse. Einige ultraschnelle Verstärker werden verwendet, um Impulsfolgen mit hoher Wiederholungsrate zu verstärken, um eine sehr hohe Durchschnittsleistung zu erhalten, während sich die Impulsenergie noch auf einem moderaten Niveau befindet. In anderen Fällen erzielen Impulse mit niedrigerer Wiederholungsrate mehr Verstärkung und erzielen eine sehr hohe Impulsenergie und eine relativ große Spitzenleistung. Wenn diese intensiven Impulse auf einige Ziele fokussiert werden, werden sehr hohe Lichtintensitäten erzielt, manchmal sogar mehr als 1016 W/cm2.
Betrachten Sie als Beispiel die Leistung eines modengekoppelten Lasers mit einer Pulswiederholungsrate von 100 MHz, einer Länge von 100 fs und einer durchschnittlichen Leistung von 0,1 W. Die Pulsenergie beträgt also 0,1 W/100 MHz = 1 nJ und die Die Spitzenleistung beträgt weniger als 10 kW (bezogen auf die Pulsform). Ein Hochleistungsverstärker, der auf den gesamten Impuls einwirkt, kann seine durchschnittliche Leistung auf 10 W und damit die Impulsenergie auf 100 nJ erhöhen. Alternativ kann ein Impulsaufnehmer vor dem Verstärker eingesetzt werden, um die Impulswiederholungsrate auf 1 kHz zu reduzieren. Wenn der Hochleistungsverstärker die Durchschnittsleistung immer noch auf 10 W erhöht, beträgt die Impulsenergie zu diesem Zeitpunkt 10 mJ und die Spitzenleistung kann 100 GW erreichen.

Besondere Anforderungen an ultraschnelle Verstärker:
Zusätzlich zu den üblichen technischen Details optischer Verstärker stehen ultraschnelle Geräte vor weiteren Problemen:
Insbesondere bei Hochenergiesystemen muss die Verstärkung des Verstärkers sehr groß sein. Bei den oben besprochenen Ionen ist eine Verstärkung von bis zu 70 dB erforderlich. Da die Verstärkung von Single-Pass-Verstärkern begrenzt ist, wird üblicherweise ein Mehrkanalbetrieb eingesetzt. Mit Verstärkern mit positiver Rückkopplung können sehr hohe Gewinne erzielt werden. Darüber hinaus werden häufig mehrstufige Verstärker (Verstärkerketten) eingesetzt, bei denen die erste Stufe eine hohe Verstärkung bietet und die letzte Stufe auf hohe Pulsenergie und effiziente Energiegewinnung optimiert ist.
Eine hohe Verstärkung bedeutet im Allgemeinen auch eine höhere Empfindlichkeit gegenüber rückreflektiertem Licht (mit Ausnahme von Verstärkern mit positiver Rückkopplung) und eine größere Tendenz zur Erzeugung einer verstärkten spontanen Emission (ASE). Bis zu einem gewissen Grad kann ASE unterdrückt werden, indem ein optischer Schalter (akusto-optischer Modulator) zwischen den beiden Verstärkerstufen platziert wird. Diese Schalter öffnen nur für sehr kurze Zeitintervalle um den Höhepunkt des verstärkten Impulses herum. Allerdings ist dieses Zeitintervall im Vergleich zur Pulslänge immer noch lang, sodass eine Unterdrückung des ASE-Hintergrundrauschens in der Nähe des Pulses unwahrscheinlich ist. Optische parametrische Verstärker schneiden in dieser Hinsicht besser ab, da sie nur dann eine Verstärkung liefern, wenn der Pumpimpuls durchgelassen wird. Rückwärts ausbreitendes Licht wird nicht verstärkt.
Ultrakurze Impulse haben eine erhebliche Bandbreite, die durch den verstärkungsverengenden Effekt im Verstärker reduziert werden kann, was zu längeren verstärkten Impulslängen führt. Wenn die Pulslänge weniger als einige zehn Femtosekunden beträgt, ist ein Ultrabreitbandverstärker erforderlich. Besonders wichtig ist die Verstärkungsverengung bei Systemen mit hoher Verstärkung.
Insbesondere bei Systemen mit hohen Pulsenergien können verschiedene nichtlineare Effekte die zeitliche und räumliche Form des Pulses verzerren und aufgrund von Selbstfokussierungseffekten sogar den Verstärker beschädigen. Eine wirksame Möglichkeit, diesen Effekt zu unterdrücken, ist die Verwendung eines Chirped-Puls-Verstärkers (CPA), bei dem der Impuls zunächst auf eine Länge von beispielsweise 1 ns dispersionsverbreitert, dann verstärkt und schließlich dispersionskomprimiert wird. Eine andere, weniger verbreitete Alternative ist die Verwendung eines Subpulsverstärkers. Eine weitere wichtige Methode besteht darin, den Modenbereich des Verstärkers zu vergrößern, um die Lichtintensität zu verringern.
Bei Single-Pass-Verstärkern ist eine effiziente Energieextraktion nur dann möglich, wenn die Pulslänge lang genug ist, damit der Pulsfluss Sättigungsflussniveaus erreichen kann, ohne dass es zu starken nichtlinearen Effekten kommt.
Die unterschiedlichen Anforderungen an ultraschnelle Verstärker spiegeln sich in Unterschieden in der Pulsenergie, Pulslänge, Wiederholungsrate, durchschnittlichen Wellenlänge usw. wider. Dementsprechend müssen unterschiedliche Geräte eingesetzt werden. Nachfolgend sind einige typische Leistungsmetriken aufgeführt, die für verschiedene Systemtypen ermittelt wurden:
Der Ytterbium-dotierte Faserverstärker kann die Impulsfolge von 10 ps bei 100 MHz auf eine durchschnittliche Leistung von 10 W verstärken. (Ein System mit dieser Fähigkeit wird manchmal als ultraschneller Faserlaser bezeichnet, obwohl es sich eigentlich um einen Leistungsverstärker mit Hauptoszillator handelt.) Spitzenleistungen von 10 kW sind mit Faserverstärkern mit großen Modenflächen relativ einfach zu erreichen. Aber mit Femtosekundenpulsen hätte ein solches System sehr starke nichtlineare Effekte. Ausgehend von Femtosekundenpulsen und anschließender Chirp-Pulsverstärkung können problemlos Energien von einigen Mikrojoule oder im Extremfall von mehr als 1 mJ erreicht werden. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen parabolischen Impuls in einer Faser mit normaler Dispersion zu verstärken und anschließend die Dispersion des Impulses zu komprimieren.
Ein Multi-Pass-Volumenverstärker, beispielsweise ein Verstärker auf Ti:Saphir-Basis, kann eine große Modenfläche bereitstellen, was zu Ausgangsenergien in der Größenordnung von 1 J bei relativ niedrigen Impulswiederholungsraten, beispielsweise 10 Hz, führt. Zur Unterdrückung nichtlinearer Effekte ist eine Pulsdehnung um einige Nanosekunden erforderlich. Später auf beispielsweise 20 fs komprimiert, kann die Spitzenleistung mehrere zehn Terawatt (TW) erreichen; Die fortschrittlichsten großen Systeme können eine Spitzenleistung von mehr als 1 PW erreichen, was in der Größenordnung von Pikowatt liegt. Kleinere Systeme können beispielsweise 1-mJ-Pulse bei 10 kHz erzeugen. Die Verstärkung eines Multipass-Verstärkers liegt normalerweise in der Größenordnung von 10 dB.
In einem Verstärker mit positiver Rückkopplung kann eine hohe Verstärkung von mehreren zehn dB erzielt werden. Beispielsweise kann ein 1-nJ-Impuls mithilfe eines Ti:Saphir-Verstärkers mit positiver Rückkopplung auf 1 mJ verstärkt werden. Darüber hinaus ist ein Chirped-Puls-Verstärker erforderlich, um nichtlineare Effekte zu unterdrücken.
Mit einem Verstärker mit positiver Rückkopplung, der auf einem Ytterbium-dotierten Laserkopf mit dünnen Scheiben basiert, können Impulse mit einer Länge von weniger als 1 ps auf mehrere hundert Mikrojoule verstärkt werden, ohne dass CPA erforderlich ist.
Faserparametrische Verstärker, die mit von gütegeschalteten Lasern erzeugten Nanosekundenimpulsen gepumpt werden, können die gestreckte Impulsenergie auf mehrere Millijoule verstärken. Im Einkanalbetrieb können hohe Verstärkungen von mehreren Dezibel erreicht werden. Bei speziellen Phasenanpassungsstrukturen ist die Verstärkungsbandbreite sehr groß, sodass nach der Dispersionskomprimierung 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. Der Hauptgrund liegt in vielen Fällen darin, dass die in den Experimenten verwendeten Geräte und Techniken aufgrund ihrer mangelnden Stabilität und Robustheit oft nicht auf kommerzielle Geräte anwendbar sind. Komplexe optische Fasersysteme enthalten beispielsweise mehrere Übergangsprozesse zwischen optischen Fasern und Freiraumoptiken. Es können reine Faserverstärkersysteme aufgebaut werden, diese Systeme erreichen jedoch nicht die Leistung von Systemen, die Massenoptiken verwenden. Es gibt andere Fälle, in denen Optiken nahe ihrer Schadensschwelle arbeiten; Für kommerzielle Geräte sind jedoch höhere Sicherheitsgarantien erforderlich. Ein weiteres Problem besteht darin, dass einige spezielle Materialien benötigt werden, die sehr schwer zu beschaffen sind.

Anwendung:
Ultraschnelle Verstärker haben viele Anwendungen:
Viele Geräte werden für die Grundlagenforschung eingesetzt. Sie können starke Impulse für starke nichtlineare Prozesse liefern, etwa für die Erzeugung von Oberwellen höherer Ordnung, oder um Teilchen auf sehr hohe Energien zu beschleunigen.
Große ultraschnelle Verstärker werden in der Forschung zur laserinduzierten Fusion (Inertial Confinement Fusion, schnelle Zündung) eingesetzt.
Pikosekunden- oder Femtosekundenpulse mit Energien in Millijoule sind bei der Präzisionsbearbeitung von Vorteil. Sehr kurze Impulse ermöglichen beispielsweise ein sehr feines und präzises Schneiden dünner Bleche.
Ultraschnelle Verstärkersysteme sind aufgrund ihrer Komplexität und ihres hohen Preises und manchmal auch aufgrund ihrer mangelnden Robustheit in der Industrie nur schwer zu implementieren. In diesem Fall sind technologisch fortschrittlichere Entwicklungen erforderlich, um die Situation zu verbessern.