Anplifikadore ultra azkarra

Definizioa: pultsu optiko ultralaburrak anplifikatzen dituen anplifikadorea.
Anplifikadore ultraazkarrak pultsu ultralaburrak anplifikatzeko erabiltzen diren anplifikadore optikoak dira. Anplifikadore ultraazkar batzuk errepikapen-tasa handiko pultsu-trenak anplifikatzeko erabiltzen dira, batez besteko potentzia oso altua lortzeko, pultsu-energia oraindik maila moderatuan dagoen bitartean, beste kasu batzuetan errepikapen-tasa baxuagoko pultsuek irabazi gehiago lortzen dute eta pultsuen energia oso altua eta gailur potentzia nahiko handia lortzen dute. Pultsu bizi hauek helburu batzuetara bideratzen direnean, argi intentsitate oso handiak lortzen dira, batzuetan 1016âW/cm2 baino handiagoak ere.
Adibide gisa, kontuan hartu 100 MHz-ko pultsu-errepikapen-abiadura, 100 fs-ko luzera eta 0,1 W-ko batez besteko potentzia dituen modu-blokeatutako laser baten irteera. Beraz, pultsu-energia 0,1W/100MHz=1nJ da, eta gailurreko potentzia 10kW baino txikiagoa da (pultsu formarekin lotuta). Potentzia handiko anplifikadore batek, pultsu osoan eraginez, bere batez besteko potentzia 10W-ra igo dezake, horrela pultsu-energia 100nJ-ra handituz. Bestela, anplifikadorearen aurretik pultsu-hartzailea erabil daiteke pultsu-errepikapen-tasa 1 kHz-ra murrizteko. Potentzia handiko anplifikadoreak batez besteko potentzia 10W-ra areagotzen badu, orduan pultsu-energia 10mJ-koa da momentu honetan, eta gailurreko potentzia 100GWra irits daiteke.

Anplifikadore ultraazkarrentzako baldintza bereziak:
Anplifikadore optikoen ohiko xehetasun teknikoez gain, gailu ultraazkarrek arazo gehigarriak dituzte:
Batez ere energia handiko sistemetarako, anplifikadorearen irabaziak oso handia izan behar du. Goian aipatu ditugun ioietan, 70 dB arteko irabazia behar da. Pasa bakarreko anplifikadoreak irabazian mugatuak direnez, kanal anitzeko funtzionamendua erabili ohi da. Irabazi oso handiak lor daitezke feedback positiboko anplifikadoreekin. Horrez gain, etapa anitzeko anplifikadoreak (anplifikadore-kateak) erabiltzen dira sarritan, non lehen etapak irabazi handia ematen duen eta azken etapa pultsu-energia handiko eta energia eraginkorra ateratzeko optimizatuta dagoen.
Irabazi handiak, oro har, atzera islatutako argiarekiko sentikortasun handiagoa esan nahi du (feedback positiboaren anplifikadoreak izan ezik) eta igorpen espontaneo anplifikatua (ASE) sortzeko joera handiagoa. Neurri batean, ASE kendu daiteke etengailu optiko bat (moduladore akusto-optikoa) anplifikadoreen bi etapen artean jarriz. Etengailu hauek pultsu anplifikatuaren gailurraren inguruan oso denbora-tarte laburretan soilik irekitzen dira. Hala ere, denbora-tarte hau luzea da oraindik pultsuaren luzerarekin alderatuta, beraz, zaila da pultsutik gertu dagoen ASE atzeko zarata kentzea. Anplifikadore parametriko optikoek hobeto funtzionatzen dute zentzu honetan, ponpa-pultsua pasatzen denean soilik ematen baitute irabazia. Atzera hedatzen den argia ez da anplifikatzen.
Pultsu ultralaburrek banda-zabalera handia dute, anplifikadorearen irabazi-murrizketaren eraginez murriztu daitekeena, eta horrela anplifikatutako pultsu-luzera luzeagoa da. Pultsuaren luzera hamarnaka femtosegundo baino txikiagoa denean, banda ultra-zabaleko anplifikadorea behar da. Irabaziaren murrizketa bereziki garrantzitsua da irabazi handiko sistemetan.
Batez ere, pultsu-energia handiko sistemetan, hainbat efektu ez-lineal pultsuaren forma tenporala eta espaziala desitxuratu dezakete, eta are gehiago kaltetu anplifikadorea autofokatze-efektuen ondorioz. Efektu hori kentzeko modu eraginkor bat pultsu txio-anplifikadorea (CPA) erabiltzea da, non pultsua lehenik dispertsioa zabaltzen den, adibidez, 1 ns-ko luzeraraino, gero anplifikatu eta azkenik sakabanaketa konprimitzen den. Ez hain ohikoa den beste alternatiba bat azpi-pultsu anplifikadorea erabiltzea da. Beste metodo garrantzitsu bat anplifikadorearen modu-eremua handitzea da, argiaren intentsitatea murrizteko.
Pasabide bakarreko anplifikadoreetarako, energia-erauzketa eraginkorra posible da pultsuaren luzera nahikoa bada pultsu-fluxua saturazio-fluxu-mailetara iristeko efektu ez-lineal indartsuak eragin gabe.
Anplifikadore ultraazkarren eskakizun desberdinak pultsu-energia, pultsu-luzera, errepikapen-abiadura, batez besteko uhin-luzera eta abarretan islatzen dira. Horren arabera, gailu desberdinak hartu behar dira. Jarraian, sistema mota desberdinetarako lortutako errendimendu-neurri tipiko batzuk daude:
Itterbioz dopatutako zuntz-anplifikagailuak 10ps-ko pultsu-trena 100MHz-an handitu dezake 10W-ko batez besteko potentziaraino. (Gaitasun hori duen sistemari batzuetan zuntz ultraazkar-laser gisa aipatzen da, nahiz eta benetan osziladore-potentzia-anplifikadorearen gailu nagusi bat izan.) 10 kW-eko potentzia gailurrak nahiko errazak dira modu eremu handiak dituzten zuntz-anplifikagailuak erabiliz. Baina femtosegundoko pultsuekin, sistema horrek efektu ez-lineal oso handiak izango lituzke. Femtosegundoko pultsuetatik hasita, pultsu txinpatuaren anplifikazioarekin jarraituz, erraz lor daitezke mikrojoule gutxiko energiak, edo muturreko kasuetan 1 mJ baino handiagoak. Planteamendu alternatibo bat sakabanaketa normala duen zuntz batean pultsu paraboliko bat anplifikatzea da, pultsuaren sakabanaketa-konpresioaren ondoren.
Pasabide anitzeko anplifikadoreak, Ti:Sapphire-n oinarritutako anplifikadoreak adibidez, modu eremu handia eman dezake, eta ondorioz 1 J-ko ordenako irteerako energiak sor ditzake, pultsu errepikapen-tasa nahiko baxuekin, hala nola 10 Hz. Pultsuak nanosegundo batzuk luzatzea beharrezkoa da efektu ez-linealak ezabatzeko. Geroago konprimituta 20fs esateko, potentzia gailurra hamarnaka terawatt (TW) irits daiteke; sistema handi aurreratuenek 1PW baino handiagoa den potentzia gailurra lor dezakete, hau da, pikowatt-en ordenakoa. Sistema txikiagoek, adibidez, 1 mJ-ko pultsuak sor ditzakete 10 kHz-tan. Pasarte anitzeko anplifikadore baten irabazia 10 dB-koa izan ohi da.
Feedback positiboko anplifikadore batean hamarnaka dB-ko irabazi handia lor daiteke. Adibidez, 1 nJ-ko pultsu bat 1 mJ-ra anplifikatu daiteke Ti: Sapphire feedback positiboaren anplifikadorea erabiliz. Horrez gain, efektu ez-linealak kentzeko txirripatutako pultsu-anplifikadore bat behar da.
Itterbioz dopatutako disko meheko laser buru batean oinarritutako feedback positiboko anplifikadore bat erabiliz, 1 ps baino gutxiagoko pultsuak ehunka mikrojouletan anplifikatu daitezke CPAren beharrik gabe.
Q-switched laserrak sortutako nanosegundoko pultsuekin ponpatutako zuntz-anplifikadore parametrikoek pultsu-energia luzatua milijouleraino handitu dezakete. Hainbat dezibelioko irabazi handia lor daiteke kanal bakarreko funtzionamenduan. Fase parekatzeko egitura berezietarako, irabazien banda-zabalera oso handia da, beraz, oso pultsu laburra lor daiteke dispertsio-konpresioaren ondoren.
Merkataritza-sistema anplifikatzaile ultraazkarren errendimendu-zehaztapenak sarritan esperimentu zientifikoetan lortutako errendimendu onenaren azpitik daude. Kasu askotan, arrazoi nagusia da esperimentuetan erabilitako gailu eta teknikak ezin direla gailu komertzialetan aplikatu, egonkortasun eta sendotasun faltagatik. Adibidez, zuntz optikoko sistema konplexuek trantsizio prozesu anitz dituzte zuntz optikoen eta espazio libreko optikaren artean. Zuntz osoko anplifikadore-sistemak eraiki daitezke, baina sistema hauek ez dute lortzen optika masiboa erabiltzen duten sistemen errendimendua. Badaude beste kasu batzuk optikak kalte-atalaseetatik gertu funtzionatzen duena; hala ere, gailu komertzialetarako, segurtasun-berme handiagoak behar dira. Beste arazo bat material berezi batzuk behar direla da, oso zailak direnak.

Aplikazio:
Anplifikadore ultraazkorrek aplikazio ugari dituzte:
Gailu asko oinarrizko ikerketarako erabiltzen dira. Pultsu indartsuak eman ditzakete lineal ez diren prozesu indartsuetarako, hala nola ordena handiko harmonikoen sorkuntzarako, edo partikulak energia oso altuetara bizkortzeko.
Anplifikadore ultraazkar handiak laser bidezko fusioaren ikerketan erabiltzen dira (konfinamendu inertzialaren fusioa, pizte azkarra).
Pikosegundoko edo femtosegundoko pultsuak milijouletako energiak dituzten pultsuak onuragarriak dira doitasuneko mekanizazioan. Esaterako, pultsu oso laburrek xafla meheak oso fin eta zehatzak mozteko aukera ematen dute.
Anplifikadore-sistema ultraazkarrak industrian ezartzea zaila da, konplexutasunagatik eta prezio altuagatik, eta batzuetan sendotasun faltagatik. Kasu honetan, teknologikoki aurreratuagoak diren garapenak behar dira egoera hobetzeko.