Penguat ultra cepat

Definisi: Penguat yang memperkuat pulsa optik ultrapendek.
Penguat ultracepat adalah penguat optik yang digunakan untuk memperkuat pulsa ultrashort. Beberapa amplifier ultrafast digunakan untuk memperkuat rangkaian pulsa dengan laju pengulangan yang tinggi untuk mendapatkan daya rata-rata yang sangat tinggi sementara energi pulsa masih pada tingkat sedang, dalam kasus lain pulsa dengan laju pengulangan yang lebih rendah mendapatkan lebih banyak penguatan dan mendapatkan energi pulsa yang sangat tinggi dan daya puncak yang relatif besar. Ketika pulsa intens ini difokuskan pada beberapa target, intensitas cahaya yang sangat tinggi diperoleh, terkadang bahkan lebih besar dari 1016âW/cm2.
Sebagai contoh, pertimbangkan output dari laser mode-terkunci dengan laju pengulangan pulsa 100 MHz, panjang 100 fs, dan daya rata-rata 0,1 W. Jadi energi pulsa adalah 0,1W/100MHz=1nJ, dan daya puncak kurang dari 10kW (terkait dengan bentuk pulsa). Penguat daya tinggi, yang bekerja pada seluruh pulsa, dapat meningkatkan daya rata-rata hingga 10W, sehingga meningkatkan energi pulsa hingga 100nJ. Alternatifnya, pengambilan pulsa dapat digunakan sebelum amplifier untuk mengurangi laju pengulangan pulsa menjadi 1 kHz. Jika penguat daya tinggi masih meningkatkan daya rata-rata menjadi 10W, maka energi pulsa saat ini adalah 10mJ, dan daya puncaknya dapat mencapai 100GW.

Persyaratan khusus untuk amplifier ultrafast:
Selain detail teknis penguat optik yang biasa, perangkat ultracepat menghadapi masalah tambahan:
Khusus untuk sistem energi tinggi, penguatan penguat harus sangat besar. Dalam ion yang dibahas di atas, diperlukan penguatan hingga 70dB. Karena amplifier single-pass terbatas dalam penguatan, operasi multi-saluran biasanya digunakan. Keuntungan yang sangat tinggi dapat dicapai dengan penguat umpan balik positif. Selain itu, penguat multi-tahap (rantai penguat) sering digunakan, di mana tahap pertama memberikan penguatan tinggi dan tahap terakhir dioptimalkan untuk energi pulsa tinggi dan ekstraksi energi yang efisien.
Gain tinggi juga umumnya berarti lebih sensitif terhadap cahaya yang dipantulkan kembali (dengan pengecualian amplifier umpan balik positif) dan kecenderungan yang lebih besar untuk menghasilkan emisi spontan yang diperkuat (ASE). Sampai batas tertentu, ASE dapat ditekan dengan menempatkan sakelar optik (modulator akustik-optik) di antara dua tahap amplifier. Sakelar ini hanya terbuka untuk interval waktu yang sangat singkat di sekitar puncak pulsa yang diperkuat. Namun, interval waktu ini masih panjang dibandingkan dengan panjang pulsa, sehingga tidak mungkin menekan kebisingan latar belakang ASE di dekat pulsa. Penguat parametrik optik bekerja lebih baik dalam hal ini karena mereka hanya memberikan keuntungan ketika pulsa pompa dilewatkan. Cahaya propagasi balik tidak diperkuat.
Pulsa ultrashort memiliki bandwidth yang signifikan, yang dapat dikurangi dengan efek penyempitan penguatan pada amplifier, sehingga menghasilkan panjang pulsa yang diperkuat lebih lama. Ketika panjang pulsa kurang dari puluhan femtosekon, diperlukan amplifier ultra-wideband. Penyempitan gain sangat penting dalam sistem gain tinggi.
Khusus untuk sistem dengan energi pulsa tinggi, berbagai efek nonlinier dapat mendistorsi bentuk pulsa sementara dan spasial, dan bahkan merusak amplifier karena efek pemfokusan sendiri. Cara yang efektif untuk menekan efek ini adalah dengan menggunakan chirped pulse amplifier (CPA), di mana dispersi pulsa pertama-tama diperluas hingga panjang, misalnya 1 ns, kemudian diperkuat, dan akhirnya dispersi dikompresi. Alternatif lain yang kurang umum adalah dengan menggunakan penguat sub-pulsa. Metode penting lainnya adalah meningkatkan area mode amplifier untuk mengurangi intensitas cahaya.
Untuk amplifier single-pass, ekstraksi energi yang efisien hanya mungkin jika panjang pulsa cukup panjang untuk memungkinkan fluks pulsa mencapai tingkat fluks saturasi tanpa menyebabkan efek nonlinear yang kuat.
Persyaratan yang berbeda untuk amplifier ultrafast tercermin dalam perbedaan energi pulsa, panjang pulsa, tingkat pengulangan, panjang gelombang rata-rata, dll. Dengan demikian, perangkat yang berbeda perlu diadopsi. Di bawah ini adalah beberapa metrik kinerja tipikal yang diperoleh untuk berbagai jenis sistem:
Penguat serat yang didoping ytterbium dapat memperkuat rangkaian pulsa 10ps pada 100MHz menjadi daya rata-rata 10W. (Sistem dengan kemampuan ini terkadang disebut sebagai laser serat ultracepat, meskipun sebenarnya ini adalah perangkat penguat daya osilator utama.) Daya puncak 10 kW relatif mudah dicapai menggunakan penguat serat dengan area mode besar. Tetapi dengan pulsa femtosecond, sistem seperti itu akan memiliki efek nonlinier yang sangat kuat. Dimulai dengan pulsa femtosecond, diikuti dengan amplifikasi pulsa berkicau, energi dari beberapa mikrojoule dapat dengan mudah diperoleh, atau dalam kasus ekstrim lebih besar dari 1 mJ. Pendekatan alternatif adalah memperkuat pulsa parabola dalam serat dengan dispersi normal, diikuti dengan kompresi dispersi pulsa.
Penguat massal multi-pass, seperti penguat berbasis Ti:Sapphire, dapat memberikan area mode yang besar, menghasilkan energi keluaran pada urutan 1 J, dengan tingkat pengulangan pulsa yang relatif rendah, seperti 10 Hz. Peregangan pulsa beberapa nanodetik diperlukan untuk menekan efek nonlinier. Kemudian dikompresi menjadi 20fs, tenaga puncaknya bisa mencapai puluhan terawatts (TW); sistem besar yang paling canggih dapat mencapai daya puncak lebih besar dari 1PW, yang berada di urutan picowatt. Sistem yang lebih kecil, misalnya, dapat menghasilkan pulsa 1 mJ pada 10 kHz. Gain dari penguat multipass biasanya di urutan 10dB.
Gain tinggi puluhan dB dapat diperoleh dalam penguat umpan balik positif. Misalnya, pulsa 1 nJ dapat diamplifikasi menjadi 1 mJ menggunakan penguat umpan balik positif Ti:Sapphire. Selain itu, penguat pulsa berkicau diperlukan untuk menekan efek nonlinier.
Menggunakan penguat umpan balik positif berdasarkan kepala laser cakram tipis yang didoping ytterbium, panjang pulsa kurang dari 1 ps dapat diamplifikasi hingga beberapa ratus mikrojoule tanpa memerlukan CPA.
Penguat parametrik serat yang dipompa dengan pulsa nanodetik yang dihasilkan oleh laser Q-switched dapat memperkuat energi pulsa yang diregangkan hingga beberapa milijoule. Gain tinggi beberapa desibel dapat dicapai dalam operasi saluran tunggal. Untuk struktur pencocokan fase khusus, bandwidth gain sangat besar, sehingga pulsa yang sangat singkat dapat diperoleh setelah kompresi dispersi.
Spesifikasi kinerja sistem penguat ultrafast komersial seringkali jauh di bawah kinerja terbaik yang diperoleh dalam percobaan ilmiah. Dalam banyak kasus, alasan utamanya adalah bahwa perangkat dan teknik yang digunakan dalam percobaan seringkali tidak dapat diterapkan pada perangkat komersial karena kurangnya stabilitas dan ketahanannya. Misalnya, sistem serat optik yang kompleks mengandung banyak proses transisi antara serat optik dan optik ruang bebas. Sistem penguat semua serat dapat dibangun, tetapi sistem ini tidak mencapai kinerja sistem yang menggunakan optik massal. Ada kasus lain di mana optik beroperasi di dekat ambang kerusakannya; namun, untuk perangkat komersial, diperlukan jaminan keamanan yang lebih tinggi. Masalah lainnya adalah diperlukan beberapa bahan khusus yang sangat sulit didapat.

Aplikasi:
Amplifier ultrafast memiliki banyak aplikasi:
Banyak perangkat yang digunakan untuk penelitian dasar. Mereka dapat memberikan pulsa yang kuat untuk proses nonlinear yang kuat, seperti generasi harmonik orde tinggi, atau untuk mempercepat partikel ke energi yang sangat tinggi.
Amplifier ultrafast besar digunakan dalam penelitian untuk fusi yang diinduksi laser (fusi kurungan inersia, penyalaan cepat).
Pulsa picosecond atau femtosecond dengan energi dalam milijoule bermanfaat dalam pemesinan presisi. Misalnya, pulsa yang sangat pendek memungkinkan pemotongan lembaran logam tipis yang sangat halus dan akurat.
Sistem amplifier ultra cepat sulit diterapkan di industri karena kerumitan dan harganya yang mahal, dan terkadang karena kurangnya ketahanannya. Dalam hal ini, perkembangan teknologi yang lebih maju diperlukan untuk memperbaiki keadaan.