अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लिफायर

व्याख्या: एक अॅम्प्लीफायर जो अल्ट्राशॉर्ट ऑप्टिकल पल्स वाढवतो.
अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लीफायर्स हे ऑप्टिकल अॅम्प्लीफायर्स आहेत जे अल्ट्राशॉर्ट पल्स वाढवण्यासाठी वापरले जातात. काही अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लिफायर्सचा वापर उच्च पुनरावृत्ती दर पल्स गाड्या वाढवण्यासाठी खूप उच्च सरासरी पॉवर मिळविण्यासाठी केला जातो, तर पल्स ऊर्जा अजूनही मध्यम पातळीवर असते, इतर बाबतीत कमी पुनरावृत्ती दर डाळींना अधिक फायदा होतो आणि खूप उच्च पल्स ऊर्जा आणि तुलनेने मोठी पीक पॉवर मिळते. जेव्हा या तीव्र डाळी काही लक्ष्यांवर केंद्रित असतात, तेव्हा खूप जास्त प्रकाशाची तीव्रता प्राप्त होते, कधीकधी 1016âW/cm2 पेक्षाही जास्त.
उदाहरण म्हणून, 100 मेगाहर्ट्झच्या पल्स रिपीटेशन रेट, 100 एफएस लांबी आणि 0.1 डब्ल्यूच्या सरासरी पॉवरसह मोड-लॉक केलेल्या लेसरचे आउटपुट विचारात घ्या. त्यामुळे पल्स एनर्जी 0.1W/100MHz=1nJ आहे आणि पीक पॉवर 10kW पेक्षा कमी आहे (नाडीच्या आकाराशी संबंधित). उच्च पॉवर अॅम्प्लिफायर, संपूर्ण नाडीवर कार्य करते, त्याची सरासरी शक्ती 10W पर्यंत वाढवू शकते, अशा प्रकारे पल्स ऊर्जा 100nJ पर्यंत वाढवते. वैकल्पिकरित्या, पल्स रिपीटेशन रेट 1 kHz पर्यंत कमी करण्यासाठी अॅम्प्लिफायरच्या आधी पल्स पिकअपचा वापर केला जाऊ शकतो. जर हाय-पॉवर अॅम्प्लीफायर अजूनही सरासरी पॉवर 10W पर्यंत वाढवत असेल, तर यावेळी पल्स एनर्जी 10mJ आहे आणि पीक पॉवर 100GW पर्यंत पोहोचू शकते.

अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लीफायर्ससाठी विशेष आवश्यकता:
ऑप्टिकल अॅम्प्लीफायर्सच्या नेहमीच्या तांत्रिक तपशीलांव्यतिरिक्त, अल्ट्राफास्ट उपकरणांना अतिरिक्त समस्यांचा सामना करावा लागतो:
विशेषत: उच्च ऊर्जा प्रणालींसाठी, अॅम्प्लीफायरचा लाभ खूप मोठा असणे आवश्यक आहे. वर चर्चा केलेल्या आयनमध्ये, 70dB पर्यंत वाढ आवश्यक आहे. सिंगल-पास अॅम्प्लीफायर मर्यादित लाभ घेत असल्याने, बहु-चॅनेल ऑपरेशन सहसा नियोजित केले जाते. सकारात्मक फीडबॅक अॅम्प्लिफायरसह खूप उच्च नफा मिळवता येतो. याव्यतिरिक्त, बहु-स्टेज अॅम्प्लिफायर (अ‍ॅम्प्लीफायर चेन) अनेकदा कार्यरत असतात, जेथे पहिला टप्पा उच्च लाभ प्रदान करतो आणि शेवटचा टप्पा उच्च नाडी ऊर्जा आणि कार्यक्षम ऊर्जा काढण्यासाठी अनुकूल केला जातो.
उच्च लाभ म्हणजे सामान्यतः बॅक-रिफ्लेक्‍ट प्रकाशाची अधिक संवेदनशीलता (सकारात्मक फीडबॅक अॅम्प्लिफायरचा अपवाद वगळता) आणि प्रवर्धित उत्स्फूर्त उत्सर्जन (ASE) निर्माण करण्याची प्रवृत्ती. एका विशिष्ट मर्यादेपर्यंत, अॅम्प्लीफायर्सच्या दोन टप्प्यांमध्ये ऑप्टिकल स्विच (अकॉस्टो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटर) ठेवून ASE दाबले जाऊ शकते. हे स्विच केवळ प्रवर्धित नाडीच्या शिखराभोवती अगदी कमी कालावधीसाठी उघडतात. तथापि, नाडीच्या लांबीच्या तुलनेत या वेळेचे मध्यांतर अद्याप लांब आहे, म्हणून नाडीजवळील ASE पार्श्वभूमी आवाज दाबणे संभव नाही. ऑप्टिकल पॅरामेट्रिक अॅम्प्लीफायर्स या संदर्भात अधिक चांगले कार्य करतात कारण ते पंप पल्समधून जातात तेव्हाच फायदा देतात. बॅकप्रोपेगेटिंग लाइट अॅम्प्लिफाय होत नाही.
अल्ट्राशॉर्ट कडधान्यांमध्ये लक्षणीय बँडविड्थ असते, जी अॅम्प्लिफायरमधील वाढीव-संकुचित प्रभावाने कमी केली जाऊ शकते, ज्यामुळे नाडीची लांबी अधिक वाढू शकते. जेव्हा नाडीची लांबी दहापट फेमटोसेकंदांपेक्षा कमी असते, तेव्हा अल्ट्रा-वाइडबँड अॅम्प्लिफायरची आवश्यकता असते. उच्च लाभ प्रणालींमध्ये गेन अरुंद करणे विशेषतः महत्वाचे आहे.
विशेषत: उच्च नाडी ऊर्जा असलेल्या प्रणालींसाठी, विविध नॉनलाइनर प्रभाव नाडीचा तात्पुरता आणि अवकाशीय आकार विकृत करू शकतात आणि स्वयं-केंद्रित प्रभावांमुळे अॅम्प्लिफायरचे नुकसान देखील करू शकतात. हा प्रभाव दाबण्याचा एक प्रभावी मार्ग म्हणजे चिरपड पल्स अॅम्प्लिफायर (CPA) वापरणे, जेथे नाडी प्रथम पसरते, उदाहरणार्थ, 1 एनएस, नंतर विस्तारित आणि शेवटी फैलाव संकुचित केले जाते. दुसरा कमी सामान्य पर्याय म्हणजे सब-पल्स अॅम्प्लिफायर वापरणे. दुसरी महत्त्वाची पद्धत म्हणजे प्रकाशाची तीव्रता कमी करण्यासाठी अॅम्प्लिफायरचे मोड क्षेत्र वाढवणे.
सिंगल-पास अॅम्प्लिफायर्ससाठी, कार्यक्षम ऊर्जा काढणे केवळ तेव्हाच शक्य आहे जेव्हा नाडीची लांबी मजबूत नॉनलाइनर प्रभावांना कारणीभूत न होता पल्स फ्लक्सला संपृक्तता फ्लक्स पातळीपर्यंत पोहोचू देण्यासाठी पुरेशी लांब असेल.
अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लिफायरच्या वेगवेगळ्या आवश्यकता नाडी ऊर्जा, नाडीची लांबी, पुनरावृत्ती दर, सरासरी तरंगलांबी इत्यादीमधील फरकांवरून दिसून येतात. त्यानुसार, भिन्न उपकरणे स्वीकारणे आवश्यक आहे. खाली विविध प्रकारच्या सिस्टीमसाठी प्राप्त केलेले काही विशिष्ट कार्यप्रदर्शन मेट्रिक्स आहेत:
ytterbium-doped फायबर अॅम्प्लिफायर 10ps च्या पल्स ट्रेनला 100MHz वर 10W च्या सरासरी पॉवरपर्यंत वाढवू शकतो. (ही क्षमता असलेल्या प्रणालीला कधीकधी अल्ट्राफास्ट फायबर लेसर म्हणून संबोधले जाते, जरी ते प्रत्यक्षात एक मास्टर ऑसिलेटर पॉवर अॅम्प्लिफायर डिव्हाइस आहे.) मोठ्या मोड क्षेत्रांसह फायबर अॅम्प्लिफायर वापरून 10 kW च्या शिखर शक्ती प्राप्त करणे तुलनेने सोपे आहे. परंतु फेमटोसेकंद कडधान्यांसह, अशा प्रणालीचे खूप मजबूत नॉनलाइनर प्रभाव असतील. फेमटोसेकंद कडधान्यांपासून सुरुवात करून, त्यानंतर चिरपड पल्स अॅम्प्लिफिकेशन, काही मायक्रोज्युल्सची ऊर्जा सहजपणे मिळवता येते, किंवा 1 mJ पेक्षा जास्त गंभीर प्रकरणांमध्ये. पर्यायी दृष्टीकोन म्हणजे फायबरमध्ये पॅराबॉलिक पल्स सामान्य पसरवणे, त्यानंतर नाडीचे फैलाव कॉम्प्रेशन करणे.
एक मल्टी-पास बल्क अॅम्प्लीफायर, जसे की Ti:Sapphire-आधारित अॅम्प्लिफायर, एक मोठा मोड क्षेत्र प्रदान करू शकतो, परिणामी 1 J च्या क्रमाने आउटपुट ऊर्जा, तुलनेने कमी पल्स पुनरावृत्ती दरांसह, जसे की 10 Hz. नॉनलाइनर इफेक्ट्स दाबण्यासाठी काही नॅनोसेकंदांनी पल्स स्ट्रेचिंग आवश्यक आहे. नंतर 20fs म्हणण्यासाठी संकुचित केल्याने, शिखर शक्ती दहापट टेरावॅट्स (TW) पर्यंत पोहोचू शकते; सर्वात प्रगत मोठ्या प्रणाली 1PW पेक्षा जास्त पीक पॉवर प्राप्त करू शकतात, जी पिकोवॅटच्या क्रमाने आहे. लहान प्रणाली, उदाहरणार्थ, 10 kHz वर 1 mJ डाळी निर्माण करू शकतात. मल्टीपास अॅम्प्लिफायरचा फायदा सामान्यतः 10dB च्या ऑर्डरवर असतो.
सकारात्मक फीडबॅक अॅम्प्लिफायरमध्ये दहापट डीबीचा उच्च लाभ मिळू शकतो. उदाहरणार्थ, Ti:Sapphire पॉझिटिव्ह फीडबॅक अॅम्प्लिफायर वापरून 1 nJ पल्स 1 mJ पर्यंत वाढवता येते. याव्यतिरिक्त, नॉनलाइनर प्रभाव दाबण्यासाठी एक चिरपड पल्स अॅम्प्लिफायर आवश्यक आहे.
यटरबियम-डोपड पातळ-डिस्क लेसर हेडवर आधारित सकारात्मक फीडबॅक अॅम्प्लिफायर वापरून, 1 पीएस पेक्षा कमी लांबीच्या डाळी CPA ची गरज न घेता अनेकशे मायक्रोज्युल्समध्ये वाढवल्या जाऊ शकतात.
क्यू-स्विच केलेल्या लेसरद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या नॅनोसेकंद कडधान्यांसह पंप केलेले फायबर पॅरामेट्रिक अॅम्प्लीफायर्स ताणलेली नाडी ऊर्जा अनेक मिलिजूल्सपर्यंत वाढवू शकतात. सिंगल-चॅनेल ऑपरेशनमध्ये अनेक डेसिबलचा उच्च फायदा मिळवता येतो. स्पेशल फेज मॅचिंग स्ट्रक्चर्ससाठी, गेन बँडविड्थ खूप मोठी असते, त्यामुळे डिस्पर्शन कॉम्प्रेशन नंतर खूप लहान नाडी मिळवता येते.
व्यावसायिक अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लिफायर सिस्टीमचे कार्यप्रदर्शन वैशिष्ट्य बहुतेक वेळा वैज्ञानिक प्रयोगांमध्ये मिळालेल्या सर्वोत्तम कामगिरीपेक्षा खूप कमी असते. बर्‍याच प्रकरणांमध्ये, मुख्य कारण असे आहे की प्रयोगांमध्ये वापरलेली उपकरणे आणि तंत्रे स्थिरता आणि मजबूती नसल्यामुळे व्यावसायिक उपकरणांवर लागू केली जाऊ शकत नाहीत. उदाहरणार्थ, कॉम्प्लेक्स ऑप्टिकल फायबर सिस्टममध्ये ऑप्टिकल फायबर आणि फ्री-स्पेस ऑप्टिक्स दरम्यान अनेक संक्रमण प्रक्रिया असतात. ऑल-फायबर अॅम्प्लिफायर सिस्टीम बनवता येतात, परंतु या सिस्टीम मोठ्या प्रमाणात ऑप्टिक्स वापरणाऱ्या सिस्टीमची कार्यक्षमता साध्य करत नाहीत. अशी इतर प्रकरणे आहेत जिथे ऑप्टिक्स त्यांच्या नुकसानीच्या थ्रेशोल्डजवळ कार्य करतात; तथापि, व्यावसायिक उपकरणांसाठी, उच्च सुरक्षा आश्वासने आवश्यक आहेत. दुसरी अडचण अशी आहे की काही विशेष साहित्य आवश्यक आहे, जे मिळवणे खूप कठीण आहे.

अर्ज:
अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लीफायर्समध्ये अनेक अनुप्रयोग आहेत:
मूलभूत संशोधनासाठी अनेक उपकरणे वापरली जातात. ते मजबूत नॉनलाइनर प्रक्रियांसाठी मजबूत डाळी प्रदान करू शकतात, जसे की उच्च-ऑर्डर हार्मोनिक निर्मिती किंवा कणांना अतिशय उच्च उर्जेपर्यंत गती देण्यासाठी.
लेसर-प्रेरित फ्यूजन (जडत्व बंदिस्त फ्यूजन, जलद प्रज्वलन) साठी संशोधनात मोठ्या अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लिफायर्सचा वापर केला जातो.
पिकोसेकंद किंवा फेमटोसेकंद कडधान्ये मिलीज्युलमध्ये ऊर्जा असलेल्या अचूक मशीनिंगमध्ये फायदेशीर आहेत. उदाहरणार्थ, अतिशय लहान कडधान्ये पातळ धातूच्या शीटचे अत्यंत बारीक आणि अचूक कट करण्यास परवानगी देतात.
अल्ट्राफास्ट अॅम्प्लिफायर प्रणाली त्यांच्या जटिलतेमुळे आणि उच्च किंमतीमुळे आणि कधीकधी त्यांच्या मजबूतपणाच्या अभावामुळे उद्योगात लागू करणे कठीण आहे. या प्रकरणात, परिस्थिती सुधारण्यासाठी अधिक तांत्रिकदृष्ट्या प्रगत विकास आवश्यक आहेत.