مكبر فائق السرعة

التعريف: مضخم يقوم بتضخيم النبضات الضوئية فائقة القصر.
مكبرات الصوت فائقة السرعة هي مضخمات ضوئية تستخدم لتضخيم النبضات فائقة القصر. تُستخدم بعض مكبرات الصوت فائقة السرعة لتضخيم القطارات النبضية ذات معدل التكرار العالي للحصول على متوسط ​​طاقة مرتفع للغاية بينما لا تزال طاقة النبض عند مستويات معتدلة ، وفي حالات أخرى ، تحصل نبضات معدل التكرار الأقل على مكاسب أكبر وتحصل على طاقة نبضات عالية جدًا وقوة ذروة كبيرة نسبيًا. عندما تركز هذه النبضات الشديدة على بعض الأهداف ، يتم الحصول على شدة إضاءة عالية جدًا ، وأحيانًا تزيد عن 1016 واط / سم 2.
على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك إخراج ليزر مغلق الوضع بمعدل تكرار نبضة يبلغ 100 ميجاهرتز ، وطول 100 fs ، ومتوسط ​​طاقة 0.1 وات ، لذا فإن طاقة النبض هي 0.1W / 100MHz = 1nJ ، و طاقة الذروة أقل من 10 كيلو واط (تتعلق بشكل النبض). يمكن لمكبر الصوت عالي الطاقة ، الذي يعمل على النبضة بأكملها ، زيادة متوسط ​​قوته إلى 10 واط ، وبالتالي زيادة طاقة النبض إلى 100 نيوجول. بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام لاقط نبضي قبل مكبر الصوت لتقليل معدل تكرار النبض إلى 1 كيلو هرتز. إذا استمر مضخم الطاقة العالية في زيادة متوسط ​​الطاقة إلى 10 وات ، فإن طاقة النبض هي 10 مللي جول في هذا الوقت ، ويمكن أن تصل طاقة الذروة إلى 100 جيجاواط.

المتطلبات الخاصة لمكبرات الصوت فائقة السرعة:
بالإضافة إلى التفاصيل التقنية المعتادة للمكبرات الضوئية ، تواجه الأجهزة فائقة السرعة مشاكل إضافية:
خاصة بالنسبة للأنظمة عالية الطاقة ، يجب أن يكون مكسب مكبر الصوت كبيرًا جدًا. في الأيونات التي تمت مناقشتها أعلاه ، يلزم تحقيق مكاسب تصل إلى 70 ديسيبل. نظرًا لأن مكبرات الصوت أحادية المرور محدودة في الكسب ، يتم عادةً استخدام التشغيل متعدد القنوات. يمكن تحقيق مكاسب عالية جدًا باستخدام مضخمات التغذية المرتدة الإيجابية. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يتم استخدام مكبرات الصوت متعددة المراحل (سلاسل مكبر الصوت) ، حيث توفر المرحلة الأولى مكاسب عالية ويتم تحسين المرحلة الأخيرة للحصول على طاقة عالية النبض واستخراج فعال للطاقة.
يعني الكسب العالي أيضًا بشكل عام المزيد من الحساسية للضوء المنعكس للخلف (باستثناء مكبرات الصوت الإيجابية) وميل أكبر لإنتاج انبعاث تلقائي مضخم (ASE). إلى حد ما ، يمكن قمع ASE عن طريق وضع مفتاح بصري (معدل صوتي بصري) بين مرحلتي مكبرات الصوت. لا تفتح هذه المفاتيح إلا لفترات زمنية قصيرة جدًا حول ذروة النبض المضخم. ومع ذلك ، فإن هذا الفاصل الزمني لا يزال طويلاً مقارنة بطول النبضة ، لذلك من غير المحتمل كبت ضوضاء الخلفية ASE بالقرب من النبض. تعمل المضخمات الضوئية البارامترية بشكل أفضل في هذا الصدد لأنها توفر كسبًا فقط عندما يتم تمرير نبض المضخة. لا يتم تضخيم الضوء المرتد.
النبضات فائقة القصر لها نطاق ترددي كبير ، والذي يمكن تقليله من خلال تأثير تضيق الكسب في مكبر الصوت ، مما يؤدي إلى تضخيم أطوال النبضات. عندما يكون طول النبضة أقل من عشرات الفمتوثانية ، يلزم وجود مضخم عريض النطاق. تضييق الكسب مهم بشكل خاص في أنظمة الكسب العالي.
خاصة بالنسبة للأنظمة ذات طاقات النبضات العالية ، يمكن للتأثيرات غير الخطية المختلفة أن تشوه الشكل الزماني والمكاني للنبض ، بل وتتلف مكبر الصوت بسبب تأثيرات التركيز الذاتي. تتمثل إحدى الطرق الفعالة لقمع هذا التأثير في استخدام مضخم النبض النقيق (CPA) ، حيث يتم توسيع النبضة أولاً إلى طول ، على سبيل المثال ، 1 نانوثانية ، ثم تضخيمها ، وضغط التشتت أخيرًا. بديل آخر أقل شيوعًا هو استخدام مضخم نبضي فرعي. طريقة أخرى مهمة هي زيادة مساحة وضع مكبر الصوت لتقليل شدة الضوء.
بالنسبة لمضخمات التمرير الأحادي ، يكون الاستخراج الفعال للطاقة ممكنًا فقط إذا كان طول النبضة طويلًا بما يكفي للسماح لتدفق النبض بالوصول إلى مستويات تدفق التشبع دون التسبب في تأثيرات غير خطية قوية.
تنعكس المتطلبات المختلفة لمكبرات الصوت فائقة السرعة في الاختلافات في طاقة النبض ، وطول النبضة ، ومعدل التكرار ، ومتوسط ​​الطول الموجي ، وما إلى ذلك. وفقًا لذلك ، يجب اعتماد أجهزة مختلفة. فيما يلي بعض مقاييس الأداء النموذجية التي تم الحصول عليها لأنواع مختلفة من الأنظمة:
يمكن لمضخم الألياف المشبعة بالإيتربيوم تضخيم قطار النبض من 10ps عند 100 ميجاهرتز إلى متوسط ​​طاقة 10 وات. (يُشار أحيانًا إلى نظام بهذه الإمكانية على أنه ليزر ليفي فائق السرعة ، على الرغم من أنه في الواقع جهاز مضخم طاقة مذبذب رئيسي.) من السهل نسبيًا تحقيق قدرات الذروة البالغة 10 كيلو وات باستخدام مضخمات الألياف ذات مناطق الوضع الكبيرة. ولكن مع نبضات الفمتوثانية ، سيكون لهذا النظام تأثيرات غير خطية قوية جدًا. بدءًا من نبضات الفمتوثانية ، متبوعة بتضخيم النبض المزقّد ، يمكن بسهولة الحصول على طاقات من بضعة ميكرو جول ، أو في الحالات القصوى أكبر من 1 مللي جول. نهج بديل هو تضخيم نبضة مكافئ في الألياف مع تشتت طبيعي ، متبوعًا بضغط تشتت النبض.
يمكن أن يوفر مكبر الصوت متعدد التمريرات ، مثل مكبر الصوت Ti: Sapphire ، منطقة وضع كبيرة ، مما ينتج عنه طاقات خرج بترتيب 1 J ، مع معدلات تكرار نبض منخفضة نسبيًا ، مثل 10 هرتز. إن تمدد النبضة ببضع نانوثانية ضروري لقمع التأثيرات اللاخطية. عند ضغطها لاحقًا لتصل إلى 20 قدمًا ، يمكن أن تصل قوة الذروة إلى عشرات تيراوات (TW) ؛ يمكن للأنظمة الكبيرة الأكثر تقدمًا تحقيق طاقة ذروة أكبر من 1PW ، والتي تكون بترتيب البيكوات. يمكن للأنظمة الأصغر ، على سبيل المثال ، توليد نبضات 1 مللي جول عند 10 كيلوهرتز. عادة ما يكون كسب مضخم الصوت المتعدد في حدود 10 ديسيبل.
يمكن الحصول على مكاسب عالية تصل إلى عشرات ديسيبل في مكبر صوت إيجابي. على سبيل المثال ، يمكن تضخيم نبضة 1 nJ إلى 1 mJ باستخدام مضخم ردود فعل إيجابي Ti: Sapphire. بالإضافة إلى ذلك ، يلزم وجود مضخم نبضي مزقز لقمع التأثيرات غير الخطية.
باستخدام مكبر صوت إيجابي يعتمد على رأس ليزر قرص رفيع مخدر بالإيتربيوم ، يمكن تضخيم النبضات التي يقل طولها عن 1 ps إلى عدة مئات من الميكرو جول دون الحاجة إلى CPA.
يمكن لمضخمات الألياف البارامترية التي يتم ضخها بنبضات نانوثانية المولدة بواسطة ليزر Q-switched تضخيم طاقة النبضة الممتدة إلى عدة ملي جول. يمكن تحقيق مكاسب عالية لعدة ديسيبل في عملية أحادية القناة. بالنسبة لهياكل مطابقة الطور الخاصة ، يكون عرض نطاق الكسب كبيرًا جدًا ، لذلك يمكن الحصول على نبضة قصيرة جدًا بعد ضغط التشتت.
غالبًا ما تكون مواصفات أداء أنظمة مكبر الصوت التجارية فائقة السرعة أقل بكثير من أفضل أداء تم الحصول عليه في التجارب العلمية. في كثير من الحالات ، يكون السبب الرئيسي هو أن الأجهزة والتقنيات المستخدمة في التجارب غالبًا لا يمكن تطبيقها على الأجهزة التجارية بسبب افتقارها إلى الاستقرار والمتانة. على سبيل المثال ، تحتوي أنظمة الألياف الضوئية المعقدة على عمليات انتقال متعددة بين الألياف الضوئية وبصريات الفضاء الحر. يمكن بناء أنظمة مضخمات الألياف بالكامل ، لكن هذه الأنظمة لا تحقق أداء الأنظمة التي تستخدم البصريات السائبة. هناك حالات أخرى حيث تعمل البصريات بالقرب من حدود الضرر ؛ ومع ذلك ، بالنسبة للأجهزة التجارية ، يلزم وجود ضمانات أمان أعلى. مشكلة أخرى هي أن بعض المواد الخاصة مطلوبة ، والتي يصعب الحصول عليها.

طلب:
مكبرات الصوت فائقة السرعة لها العديد من التطبيقات:
يتم استخدام العديد من الأجهزة للبحث الأساسي. يمكن أن توفر نبضات قوية لعمليات غير خطية قوية ، مثل التوليد التوافقي عالي الترتيب ، أو لتسريع الجسيمات إلى طاقات عالية جدًا.
تستخدم مكبرات الصوت فائقة السرعة في البحث عن الاندماج الناجم عن الليزر (اندماج الحبس بالقصور الذاتي ، والاشتعال السريع).
إن نبضات البيكو ثانية أو الفيمتو ثانية مع طاقات بالميليجول مفيدة في التصنيع الدقيق. على سبيل المثال ، تسمح النبضات القصيرة جدًا بقطع دقيق للغاية للصفائح المعدنية الرقيقة.
يصعب تنفيذ أنظمة مكبر الصوت فائق السرعة في الصناعة نظرًا لتعقيدها وارتفاع سعرها ، وفي بعض الأحيان بسبب افتقارها إلى القوة. في هذه الحالة ، هناك حاجة إلى مزيد من التطورات التكنولوجية المتقدمة لتحسين الوضع.