เครื่องขยายเสียงที่เร็วมาก

คำจำกัดความ: แอมพลิฟายเออร์ที่ขยายพัลส์ออปติคัลที่สั้นเกินขีด
แอมพลิฟายเออร์ที่เร็วมากคือแอมพลิฟายเออร์แบบออปติคัลที่ใช้ในการขยายพัลส์ที่สั้นมาก แอมพลิฟายเออร์ที่เร็วเป็นพิเศษบางตัวใช้เพื่อขยายพัลส์ที่มีอัตราการทำซ้ำสูงเพื่อให้ได้พลังงานเฉลี่ยที่สูงมากในขณะที่พลังงานพัลส์ยังอยู่ในระดับปานกลาง ในกรณีอื่นๆ พัลส์ที่มีอัตราการทำซ้ำที่ต่ำกว่าจะได้รับอัตราขยายที่มากขึ้น และได้รับพลังงานพัลส์ที่สูงมากและกำลังสูงสุดค่อนข้างมาก เมื่อพัลส์ที่เข้มข้นเหล่านี้โฟกัสไปที่บางเป้าหมาย จะได้ความเข้มของแสงที่สูงมาก บางครั้งอาจมากกว่า 1,016âW/cm2
ตัวอย่างเช่น พิจารณาเอาต์พุตของเลเซอร์ที่ล็อกโหมดด้วยอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์ที่ 100 MHz ความยาว 100 fs และกำลังเฉลี่ย 0.1 W ดังนั้นพลังงานพัลส์คือ 0.1W/100MHz=1nJ และ กำลังสูงสุดน้อยกว่า 10kW (เกี่ยวข้องกับรูปร่างพัลส์) แอมพลิฟายเออร์กำลังสูงซึ่งทำงานบนพัลส์ทั้งหมดสามารถเพิ่มกำลังเฉลี่ยเป็น 10W ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพลังงานพัลส์เป็น 100nJ อีกทางหนึ่ง สามารถใช้ปิ๊กอัพพัลส์ก่อนแอมพลิฟายเออร์เพื่อลดอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์เป็น 1 kHz หากแอมพลิฟายเออร์กำลังสูงยังคงเพิ่มกำลังเฉลี่ยเป็น 10W พลังงานพัลส์จะอยู่ที่ 10mJ ในขณะนี้ และกำลังสูงสุดจะสูงถึง 100GW

ข้อกำหนดพิเศษสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่เร็วมาก:
นอกเหนือจากรายละเอียดทางเทคนิคตามปกติของเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลแล้ว อุปกรณ์ความเร็วสูงยังประสบปัญหาเพิ่มเติม:
โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบพลังงานสูง อัตราขยายของเครื่องขยายเสียงจะต้องสูงมาก ในไอออนที่กล่าวถึงข้างต้น ต้องมีเกนเพิ่มขึ้นถึง 70dB เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์แบบ single-pass มีกำลังขยายจำกัด จึงมักใช้การทำงานแบบหลายช่องสัญญาณ สามารถรับอัตราขยายที่สูงมากได้ด้วยแอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับเชิงบวก นอกจากนี้ มักจะใช้แอมพลิฟายเออร์หลายสเตจ (แอมพลิฟายเออร์เชน) โดยที่สเตจแรกให้อัตราขยายสูงและสเตจสุดท้ายได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับพลังงานพัลส์สูงและการสกัดพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
อัตราขยายที่สูงโดยทั่วไปยังหมายถึงความไวต่อแสงที่สะท้อนกลับมากขึ้น (ยกเว้นแอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับเชิงบวก) และมีแนวโน้มมากขึ้นในการสร้างการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง (ASE) ในระดับหนึ่ง สามารถระงับ ASE ได้โดยวางสวิตช์ออปติคัล (ตัวปรับสัญญาณเสียง-ออปติคัล) ระหว่างแอมพลิฟายเออร์สองสเตจ สวิตช์เหล่านี้เปิดเฉพาะในช่วงเวลาสั้น ๆ รอบจุดสูงสุดของพัลส์ที่ขยาย อย่างไรก็ตาม ช่วงเวลานี้ยังคงยาวเมื่อเทียบกับความยาวของพัลส์ ดังนั้นการยับยั้งเสียงรบกวนพื้นหลังของ ASE ใกล้กับพัลส์จึงไม่น่าเป็นไปได้ เครื่องขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกแบบออปติคัลทำงานได้ดีกว่าในเรื่องนี้เนื่องจากให้อัตราขยายเมื่อพัลส์ปั๊มผ่านเท่านั้น แสงที่ส่องจากด้านหลังจะไม่ถูกขยาย
พัลส์ที่สั้นเกินมีแบนด์วิธที่สำคัญ ซึ่งสามารถลดลงได้ด้วยเอฟเฟกต์การจำกัดอัตราขยายในแอมพลิฟายเออร์ ส่งผลให้ความยาวของพัลส์ที่ขยายยาวขึ้น เมื่อความยาวพัลส์น้อยกว่า 10 เฟมโตวินาที จำเป็นต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณย่านความถี่กว้างพิเศษ การจำกัดเกนมีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบเกนสูง
โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบที่มีพลังงานพัลส์สูง เอฟเฟกต์ต่างๆ ที่ไม่ใช่เชิงเส้นสามารถบิดเบือนรูปร่างของพัลส์ทั้งทางโลกและเชิงพื้นที่ และทำให้แอมพลิฟายเออร์เสียหายเนื่องจากเอฟเฟกต์การโฟกัสตัวเอง วิธีที่มีประสิทธิภาพในการระงับผลกระทบนี้คือการใช้เครื่องขยายสัญญาณพัลส์แบบส่งเสียงร้อง (CPA) ซึ่งก่อนอื่นการกระจายพัลส์จะถูกขยายให้กว้างขึ้นเป็นความยาว เช่น 1 ns จากนั้นจึงขยายสัญญาณ และบีบอัดการกระจายในที่สุด อีกทางเลือกหนึ่งที่พบได้น้อยกว่าคือการใช้เครื่องขยายสัญญาณพัลส์ย่อย อีกวิธีที่สำคัญคือการเพิ่มพื้นที่โหมดของเครื่องขยายเสียงเพื่อลดความเข้มของแสง
สำหรับแอมพลิฟายเออร์แบบ single-pass การสกัดพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจะทำได้ต่อเมื่อความยาวพัลส์ยาวพอที่จะทำให้ฟลักซ์ของพัลส์ไปถึงระดับฟลักซ์อิ่มตัวโดยไม่ทำให้เกิดผลไม่เชิงเส้นที่รุนแรง
ข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่เร็วมากจะสะท้อนให้เห็นในความแตกต่างของพลังงานพัลส์ ความยาวของพัลส์ อัตราการทำซ้ำ ความยาวคลื่นเฉลี่ย ฯลฯ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่แตกต่างกัน ด้านล่างนี้เป็นเมตริกประสิทธิภาพทั่วไปที่ได้รับสำหรับระบบประเภทต่างๆ:
เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจืออิตเทอร์เบียมสามารถขยายสัญญาณพัลส์ 10ps ที่ 100MHz เป็นกำลังเฉลี่ย 10W (ระบบที่มีความสามารถนี้บางครั้งเรียกว่าไฟเบอร์เลเซอร์แบบเร็วพิเศษ แม้ว่าจริงๆ แล้วจะเป็นอุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบออสซิลเลเตอร์หลักก็ตาม) กำลังสูงสุด 10 กิโลวัตต์ทำได้ค่อนข้างง่ายโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่มีพื้นที่โหมดขนาดใหญ่ แต่ด้วยเฟมโตวินาทีพัลส์ ระบบดังกล่าวจะมีผลไม่เชิงเส้นที่รุนแรงมาก เริ่มต้นด้วยเฟมโตวินาทีพัลส์ ตามด้วยการขยายพัลส์แบบร้องเจี๊ยก ๆ สามารถรับพลังงานของไมโครจูลเพียงไม่กี่ไมโครจูลได้อย่างง่ายดาย หรือในกรณีที่รุนแรงมากกว่า 1 มิลลิจูล อีกวิธีหนึ่งคือการขยายพัลส์พาราโบลาในเส้นใยที่มีการกระจายตัวแบบปกติ ตามด้วยการบีบตัวของพัลส์แบบกระจายตัว
แอมพลิฟายเออร์แบบมัลติพาสจำนวนมาก เช่น แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้ Ti:Sapphire สามารถให้พื้นที่โหมดขนาดใหญ่ ส่งผลให้มีพลังงานเอาท์พุตในระดับ 1 J โดยมีอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์ที่ค่อนข้างต่ำ เช่น 10 Hz การยืดพัลส์โดยไม่กี่นาโนวินาทีเป็นสิ่งจำเป็นในการยับยั้งผลกระทบที่ไม่เชิงเส้น ภายหลังการบีบอัดเป็น 20fs กำลังสูงสุดสามารถเข้าถึงหลายสิบเทราวัตต์ (TW); ระบบขนาดใหญ่ที่ทันสมัยที่สุดสามารถรับพลังงานสูงสุดได้มากกว่า 1PW ซึ่งอยู่ในลำดับพิโควัตต์ ตัวอย่างเช่น ระบบขนาดเล็กสามารถสร้างพัลส์ 1 mJ ที่ 10 kHz อัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์มัลติพาสมักจะอยู่ที่ 10dB
สามารถรับอัตราขยายได้สูงถึงหลายสิบเดซิเบลในแอมพลิฟายเออร์ตอบรับเชิงบวก ตัวอย่างเช่น สามารถขยายพัลส์ 1 nJ เป็น 1 mJ โดยใช้เครื่องขยายสัญญาณป้อนกลับเชิงบวก Ti:Sapphire นอกจากนี้ ยังต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณพัลส์ส่งเสียงร้องเพื่อลดผลกระทบที่ไม่เชิงเส้น
การใช้แอมพลิฟายเออร์ป้อนกลับเชิงบวกโดยใช้หัวเลเซอร์ดิสก์บางเจืออิตเทอร์เบียม ทำให้พัลส์ที่มีความยาวน้อยกว่า 1 ps สามารถขยายเป็นหลายร้อยไมโครจูลโดยไม่จำเป็นต้องใช้ CPA
เครื่องขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกแบบไฟเบอร์ที่ปั๊มด้วยพัลส์นาโนวินาทีที่สร้างโดยเลเซอร์ Q-switched สามารถขยายพลังงานพัลส์ที่ยืดออกเป็นหลายมิลลิจูล สามารถเพิ่มเดซิเบลหลายเดซิเบลได้สูงในการทำงานแบบช่องสัญญาณเดียว สำหรับโครงสร้างการจับคู่เฟสแบบพิเศษ แบนด์วิดท์อัตราขยายจะสูงมาก ดังนั้นจึงสามารถรับพัลส์ที่สั้นมากได้หลังจากการบีบอัดแบบกระจาย
ข้อมูลจำเพาะด้านประสิทธิภาพของระบบขยายเสียงความเร็วสูงเชิงพาณิชย์มักจะต่ำกว่าประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่ได้รับจากการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ในหลายกรณี สาเหตุหลักคืออุปกรณ์และเทคนิคที่ใช้ในการทดลองมักไม่สามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ได้เนื่องจากขาดความเสถียรและความทนทาน ตัวอย่างเช่น ระบบใยแก้วนำแสงที่ซับซ้อนประกอบด้วยกระบวนการเปลี่ยนผ่านหลายขั้นตอนระหว่างใยแก้วนำแสงและใยแก้วนำแสงในพื้นที่ว่าง สามารถสร้างระบบแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ทั้งหมดได้ แต่ระบบเหล่านี้ไม่บรรลุประสิทธิภาพของระบบที่ใช้ออปติกจำนวนมาก มีหลายกรณีที่เลนส์ทำงานใกล้กับเกณฑ์ความเสียหาย อย่างไรก็ตาม สำหรับอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ จำเป็นต้องมีการรับประกันความปลอดภัยที่สูงขึ้น ปัญหาอีกประการหนึ่งคือต้องใช้วัสดุพิเศษบางอย่างซึ่งหาได้ยากมาก

แอปพลิเคชัน:
แอมพลิฟายเออร์ที่เร็วมากมีแอพพลิเคชั่นมากมาย:
อุปกรณ์หลายอย่างใช้สำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐาน พวกเขาสามารถให้พัลส์ที่แข็งแกร่งสำหรับกระบวนการที่ไม่เชิงเส้นที่แข็งแกร่ง เช่น การสร้างฮาร์มอนิกลำดับสูง หรือการเร่งอนุภาคให้มีพลังงานสูงมาก
แอมพลิฟายเออร์ความเร็วสูงพิเศษขนาดใหญ่ใช้ในการวิจัยสำหรับการหลอมรวมด้วยเลเซอร์ (การหลอมรวมแบบเฉื่อย การจุดระเบิดอย่างรวดเร็ว)
พัลส์ Picosecond หรือ femtosecond ที่มีพลังงานเป็นมิลลิจูลมีประโยชน์ในการตัดเฉือนที่แม่นยำ ตัวอย่างเช่น พัลส์ที่สั้นมากช่วยให้สามารถตัดแผ่นโลหะบางได้อย่างละเอียดและแม่นยำ
ระบบขยายเสียงที่เร็วมากนั้นยากต่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเนื่องจากความซับซ้อนและราคาที่สูง และบางครั้งเนื่องจากขาดความทนทาน ในกรณีนี้ จำเป็นต้องมีการพัฒนาที่ก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมากขึ้นเพื่อปรับปรุงสถานการณ์