Amplificatore ultraveloce

Definizione: un amplificatore che amplifica impulsi ottici ultrabrevi.
Gli amplificatori ultraveloci sono amplificatori ottici utilizzati per amplificare impulsi ultrabrevi. Alcuni amplificatori ultraveloci vengono utilizzati per amplificare treni di impulsi ad alta frequenza di ripetizione per ottenere una potenza media molto elevata mentre l'energia dell'impulso è ancora a livelli moderati, in altri casi gli impulsi a frequenza di ripetizione inferiore ottengono più guadagno e ottengono un'energia degli impulsi molto elevata e una potenza di picco relativamente elevata. Quando questi intensi impulsi vengono focalizzati su alcuni bersagli, si ottengono intensità luminose molto elevate, a volte anche superiori a 1016âW/cm2.
Ad esempio, si consideri l'uscita di un laser a modalità bloccata con una frequenza di ripetizione dell'impulso di 100 MHz, una lunghezza di 100 fs e una potenza media di 0,1 W. Quindi l'energia dell'impulso è 0,1 W/100 MHz = 1 nJ e la la potenza di picco è inferiore a 10 kW (in relazione alla forma dell'impulso). Un amplificatore ad alta potenza, agendo sull'intero impulso, può aumentare la sua potenza media a 10W, aumentando così l'energia dell'impulso a 100nJ. In alternativa, è possibile utilizzare un rilevatore di impulsi prima dell'amplificatore per ridurre la frequenza di ripetizione degli impulsi a 1 kHz. Se l'amplificatore ad alta potenza aumenta ancora la potenza media a 10 W, l'energia dell'impulso è di 10 mJ in questo momento e la potenza di picco può raggiungere i 100 GW.

Requisiti speciali per amplificatori ultraveloci:
Oltre ai soliti dettagli tecnici degli amplificatori ottici, i dispositivi ultraveloci devono affrontare ulteriori problemi:
Soprattutto per i sistemi ad alta energia, il guadagno dell'amplificatore deve essere molto elevato. Negli ioni discussi sopra, è richiesto un guadagno fino a 70 dB. Poiché gli amplificatori a passaggio singolo hanno un guadagno limitato, di solito viene impiegato il funzionamento multicanale. È possibile ottenere guadagni molto elevati con amplificatori a feedback positivo. Inoltre, vengono spesso impiegati amplificatori multistadio (catene di amplificatori), in cui il primo stadio fornisce un guadagno elevato e l'ultimo stadio è ottimizzato per un'elevata energia di impulso e un'efficiente estrazione di energia.
Un guadagno elevato generalmente significa anche una maggiore sensibilità alla luce riflessa all'indietro (con l'eccezione degli amplificatori a feedback positivo) e una maggiore tendenza a produrre emissione spontanea amplificata (ASE). In una certa misura, l'ASE può essere soppresso posizionando un interruttore ottico (modulatore acusto-ottico) tra i due stadi degli amplificatori. Questi interruttori si aprono solo per intervalli di tempo molto brevi intorno al picco dell'impulso amplificato. Tuttavia, questo intervallo di tempo è ancora lungo rispetto alla durata dell'impulso, quindi è improbabile sopprimere il rumore di fondo ASE vicino all'impulso. Gli amplificatori ottici parametrici hanno prestazioni migliori in questo senso perché forniscono guadagno solo quando viene fatto passare l'impulso della pompa. La luce retropropagante non viene amplificata.
Gli impulsi ultracorti hanno una larghezza di banda significativa, che può essere ridotta dall'effetto di restringimento del guadagno nell'amplificatore, risultando quindi in lunghezze di impulso amplificate più lunghe. Quando la durata dell'impulso è inferiore a decine di femtosecondi, è necessario un amplificatore a banda ultralarga. La riduzione del guadagno è particolarmente importante nei sistemi ad alto guadagno.
Soprattutto per i sistemi con energie di impulso elevate, vari effetti non lineari possono distorcere la forma temporale e spaziale dell'impulso e persino danneggiare l'amplificatore a causa di effetti di autofocalizzazione. Un modo efficace per sopprimere questo effetto consiste nell'utilizzare un amplificatore di impulsi cinguettati (CPA), in cui l'impulso viene prima ampliato in dispersione fino a una lunghezza, ad esempio, di 1 ns, quindi amplificato e infine compresso in dispersione. Un'altra alternativa meno comune consiste nell'utilizzare un amplificatore a impulsi secondari. Un altro metodo importante consiste nell'aumentare l'area modale dell'amplificatore per ridurre l'intensità della luce.
Per gli amplificatori a passaggio singolo, l'estrazione efficiente di energia è possibile solo se la lunghezza dell'impulso è sufficientemente lunga da consentire al flusso dell'impulso di raggiungere livelli di flusso di saturazione senza causare forti effetti non lineari.
I diversi requisiti per gli amplificatori ultraveloci si riflettono nelle differenze di energia dell'impulso, lunghezza dell'impulso, frequenza di ripetizione, lunghezza d'onda media, ecc. Di conseguenza, è necessario adottare dispositivi diversi. Di seguito sono riportate alcune metriche prestazionali tipiche ottenute per diversi tipi di sistemi:
L'amplificatore in fibra drogata con itterbio può amplificare il treno di impulsi di 10ps a 100MHz fino a una potenza media di 10W. (Un sistema con questa capacità è talvolta indicato come un laser a fibra ultraveloce, anche se in realtà è un dispositivo amplificatore di potenza dell'oscillatore principale.) Le potenze di picco di 10 kW sono relativamente facili da ottenere utilizzando amplificatori a fibra con ampie aree di modo. Ma con impulsi di femtosecondi, un tale sistema avrebbe effetti non lineari molto forti. Partendo da impulsi di femtosecondi, seguiti da amplificazione di impulsi cinguettati, si possono facilmente ottenere energie di pochi microjoule, o in casi estremi superiori a 1 mJ. Un approccio alternativo consiste nell'amplificare un impulso parabolico in una fibra con dispersione normale, seguito dalla compressione della dispersione dell'impulso.
Un amplificatore bulk multi-pass, come un amplificatore basato su Ti: Sapphire, può fornire un'ampia area modale, con conseguenti energie di uscita dell'ordine di 1 J, con frequenze di ripetizione degli impulsi relativamente basse, come 10 Hz. L'allungamento dell'impulso di pochi nanosecondi è necessario per sopprimere gli effetti non lineari. Successivamente compresso per dire 20fs, la potenza di picco può raggiungere decine di terawatt (TW); i grandi sistemi più avanzati possono raggiungere una potenza di picco superiore a 1 PW, che è dell'ordine dei picowatt. I sistemi più piccoli, ad esempio, possono generare impulsi da 1 mJ a 10 kHz. Il guadagno di un amplificatore multipass è solitamente dell'ordine di 10 dB.
Un guadagno elevato di decine di dB può essere ottenuto in un amplificatore a feedback positivo. Ad esempio, un impulso da 1 nJ può essere amplificato a 1 mJ utilizzando un amplificatore a feedback positivo Ti:Sapphire. Inoltre, per sopprimere gli effetti non lineari è necessario un amplificatore di impulsi chirp.
Utilizzando un amplificatore a feedback positivo basato su una testina laser a disco sottile drogata con itterbio, gli impulsi di lunghezza inferiore a 1 ps possono essere amplificati a diverse centinaia di microjoule senza la necessità di CPA.
Gli amplificatori parametrici in fibra pompati con impulsi di nanosecondi generati da laser Q-switched possono amplificare l'energia dell'impulso allungato a diversi millijoule. È possibile ottenere un guadagno elevato di diversi decibel nel funzionamento a canale singolo. Per speciali strutture di adattamento di fase, la larghezza di banda del guadagno è molto ampia, quindi è possibile ottenere un impulso molto breve dopo la compressione della dispersione.
Le specifiche delle prestazioni dei sistemi di amplificazione ultraveloci commerciali sono spesso ben al di sotto delle migliori prestazioni ottenute negli esperimenti scientifici. In molti casi, il motivo principale è che i dispositivi e le tecniche impiegate negli esperimenti spesso non possono essere applicati ai dispositivi commerciali a causa della loro mancanza di stabilità e robustezza. Ad esempio, i complessi sistemi di fibre ottiche contengono molteplici processi di transizione tra fibre ottiche e ottiche a spazio libero. È possibile costruire sistemi di amplificazione interamente in fibra, ma questi sistemi non raggiungono le prestazioni dei sistemi che utilizzano l'ottica di massa. Ci sono altri casi in cui l'ottica opera vicino alle soglie di danno; tuttavia, per i dispositivi commerciali, sono richieste maggiori garanzie di sicurezza. Un altro problema è che sono richiesti alcuni materiali speciali, che sono molto difficili da ottenere.

Applicazione:
Gli amplificatori ultraveloci hanno molte applicazioni:
Molti dispositivi sono utilizzati per la ricerca di base. Possono fornire forti impulsi per forti processi non lineari, come la generazione di armoniche di ordine elevato, o per accelerare particelle a energie molto elevate.
Grandi amplificatori ultraveloci sono utilizzati nella ricerca per la fusione indotta da laser (fusione a confinamento inerziale, accensione rapida).
Gli impulsi di picosecondi o femtosecondi con energie in millijoule sono vantaggiosi nella lavorazione di precisione. Ad esempio, impulsi molto brevi consentono un taglio molto fine e preciso di lamiere sottili.
I sistemi di amplificazione ultraveloci sono difficili da implementare nell'industria a causa della loro complessità e del prezzo elevato, e talvolta a causa della loro mancanza di robustezza. In questo caso, sono necessari sviluppi tecnologicamente più avanzati per migliorare la situazione.