초고속 증폭기

정의: 초단파 광 펄스를 증폭하는 증폭기.
초고속 증폭기는 초단 펄스를 증폭하는 데 사용되는 광 증폭기입니다. 일부 초고속 증폭기는 펄스 에너지가 여전히 적당한 수준에 있는 동안 매우 높은 평균 전력을 얻기 위해 높은 반복률 펄스 트레인을 증폭하는 데 사용됩니다. 다른 경우 낮은 반복률 펄스는 더 많은 이득을 얻고 매우 높은 펄스 에너지와 상대적으로 큰 피크 전력을 얻습니다. 이러한 강렬한 펄스가 일부 목표물에 집중되면 때로는 1016W/cm2보다 더 큰 매우 높은 광도가 얻어집니다.
예를 들어 펄스 반복률이 100MHz이고 길이가 100fs이고 평균 출력이 0.1W인 모드 잠금 레이저의 출력을 고려하십시오. 따라서 펄스 에너지는 0.1W/100MHz=1nJ이고 피크 전력은 10kW 미만입니다(펄스 모양과 관련됨). 전체 펄스에 작용하는 고전력 증폭기는 평균 전력을 10W로 증가시킬 수 있으므로 펄스 에너지를 100nJ로 증가시킬 수 있습니다. 또는 증폭기 앞에 펄스 픽업을 사용하여 펄스 반복률을 1kHz로 줄일 수 있습니다. 고전력 증폭기가 여전히 평균 전력을 10W로 증가시키면 이때 펄스 에너지는 10mJ이고 피크 전력은 100GW에 도달할 수 있습니다.

초고속 증폭기에 대한 특수 요구 사항:
광 증폭기의 일반적인 기술적 세부 사항 외에도 초고속 장치는 다음과 같은 추가 문제에 직면합니다.
특히 고 에너지 시스템의 경우 증폭기의 이득이 매우 커야 합니다. 위에서 논의한 이온에서 최대 70dB의 이득이 필요합니다. 단일 패스 증폭기는 이득이 제한적이기 때문에 일반적으로 다중 채널 작동이 사용됩니다. 포지티브 피드백 증폭기를 사용하면 매우 높은 이득을 얻을 수 있습니다. 또한 다단계 증폭기(증폭기 체인)가 종종 사용되는데, 첫 번째 단계는 높은 이득을 제공하고 마지막 단계는 높은 펄스 에너지와 효율적인 에너지 추출에 최적화되어 있습니다.
게인이 높다는 것은 일반적으로 역반사광에 대한 감도가 더 높고(포지티브 피드백 증폭기 제외) 증폭 자발 방출(ASE)을 생성하는 경향이 더 크다는 것을 의미합니다. ASE는 증폭기의 두 단계 사이에 광학 스위치(음향-광 변조기)를 배치하여 어느 정도 억제할 수 있습니다. 이 스위치는 증폭된 펄스의 피크 부근에서 매우 짧은 시간 간격 동안만 열립니다. 그러나 이 시간 간격은 펄스 길이에 비해 여전히 길기 때문에 펄스 근처에서 ASE 배경 잡음을 억제할 가능성은 낮습니다. 광학 파라메트릭 증폭기는 펌프 펄스가 통과할 때만 이득을 제공하기 때문에 이와 관련하여 더 나은 성능을 발휘합니다. 역전파 빛은 증폭되지 않습니다.
초단파 펄스는 증폭기의 이득 축소 효과에 의해 감소될 수 있는 상당한 대역폭을 가지므로 증폭된 펄스 길이가 더 길어집니다. 펄스 길이가 수십 펨토초 미만인 경우 초광대역 증폭기가 필요합니다. 게인 축소는 하이 게인 시스템에서 특히 중요합니다.
특히 펄스 에너지가 높은 시스템의 경우 다양한 비선형 효과가 펄스의 시간적 및 공간적 모양을 왜곡할 수 있으며 자체 초점 효과로 인해 증폭기를 손상시킬 수도 있습니다. 이 효과를 억제하는 효과적인 방법은 처프 펄스 증폭기(CPA)를 사용하는 것입니다. 여기서 펄스는 먼저 분산이 예를 들어 1ns의 길이로 확장된 다음 증폭되고 마지막으로 분산이 압축됩니다. 덜 일반적인 또 다른 대안은 서브 펄스 증폭기를 사용하는 것입니다. 또 다른 중요한 방법은 증폭기의 모드 영역을 늘려 빛의 강도를 줄이는 것입니다.
단일 패스 증폭기의 경우 효율적인 에너지 추출은 펄스 길이가 펄스 플럭스가 강한 비선형 효과를 일으키지 않고 포화 플럭스 수준에 도달할 수 있을 만큼 충분히 긴 경우에만 가능합니다.
초고속 증폭기에 대한 다양한 요구 사항은 펄스 에너지, 펄스 길이, 반복률, 평균 파장 등의 차이에 반영됩니다. 따라서 서로 다른 장치를 채택해야 합니다. 다음은 다양한 유형의 시스템에 대해 얻은 몇 가지 일반적인 성능 메트릭입니다.
이터븀 첨가 광섬유 증폭기는 100MHz에서 10ps의 펄스열을 평균 10W의 전력으로 증폭할 수 있습니다. (이 기능을 갖춘 시스템은 실제로 마스터 발진기 전력 증폭기 장치임에도 불구하고 때때로 초고속 광섬유 레이저라고 합니다.) 10kW의 피크 출력은 모드 영역이 큰 광섬유 증폭기를 사용하여 상대적으로 쉽게 달성할 수 있습니다. 그러나 펨토초 펄스를 사용하면 그러한 시스템은 매우 강력한 비선형 효과를 갖게 됩니다. 펨토초 펄스로 시작하여 처프 펄스 증폭에 이어 몇 마이크로줄의 에너지를 쉽게 얻을 수 있으며 극단적인 경우 1mJ보다 큽니다. 또 다른 접근 방식은 정상적인 분산을 가진 섬유의 포물선 펄스를 증폭한 다음 펄스의 분산 압축을 수행하는 것입니다.
Ti:Sapphire 기반 증폭기와 같은 다중 패스 벌크 증폭기는 넓은 모드 영역을 제공할 수 있으므로 10Hz와 같이 상대적으로 낮은 펄스 반복률로 1J 정도의 출력 에너지를 생성할 수 있습니다. 비선형 효과를 억제하려면 몇 나노초의 펄스 스트레칭이 필요합니다. 나중에 20fs로 압축하면 최대 전력은 수십 테라와트(TW)에 달할 수 있습니다. 가장 발전된 대형 시스템은 피코와트 수준인 1PW보다 큰 피크 전력을 달성할 수 있습니다. 예를 들어 소규모 시스템은 10kHz에서 1mJ 펄스를 생성할 수 있습니다. 다중 통과 증폭기의 이득은 일반적으로 10dB 정도입니다.
포지티브 피드백 증폭기에서 수십 dB의 높은 이득을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 1nJ 펄스는 Ti:Sapphire 포지티브 피드백 증폭기를 사용하여 1mJ로 증폭될 수 있습니다. 또한 비선형 효과를 억제하려면 처프 펄스 증폭기가 필요합니다.
이테르븀 도핑된 얇은 디스크 레이저 헤드를 기반으로 하는 포지티브 피드백 증폭기를 사용하면 길이가 1ps 미만인 펄스를 CPA 없이 수백 마이크로줄로 증폭할 수 있습니다.
Q 스위치 레이저에 의해 생성된 나노초 펄스로 펌핑되는 섬유 파라메트릭 증폭기는 확장된 펄스 에너지를 몇 밀리줄로 증폭할 수 있습니다. 단일 채널 작동에서 여러 데시벨의 높은 이득을 얻을 수 있습니다. 특수 위상 정합 구조의 경우 이득 대역폭이 매우 크기 때문에 분산 압축 후 매우 짧은 펄스를 얻을 수 있습니다.
상업용 초고속 증폭기 시스템의 성능 사양은 종종 과학 실험에서 얻은 최고의 성능보다 훨씬 낮습니다. 많은 경우에 주된 이유는 실험에 사용된 장치와 기술이 안정성과 견고성이 부족하여 상용 장치에 적용할 수 없는 경우가 많기 때문입니다. 예를 들어, 복잡한 광섬유 시스템에는 광섬유와 자유 공간 광학 사이의 여러 전이 프로세스가 포함되어 있습니다. 모든 광섬유 증폭기 시스템을 구성할 수 있지만 이러한 시스템은 벌크 광학을 사용하는 시스템의 성능을 달성하지 못합니다. 광학 장치가 손상 임계값 근처에서 작동하는 다른 경우가 있습니다. 그러나 상업용 장치의 경우 더 높은 안전 보장이 필요합니다. 또 다른 문제는 구하기가 매우 어려운 일부 특수 재료가 필요하다는 것입니다.

애플리케이션:
초고속 증폭기는 다양한 용도로 사용됩니다.
많은 장치가 기초 연구에 사용됩니다. 고조파 생성과 같은 강력한 비선형 프로세스를 위한 강력한 펄스를 제공하거나 입자를 매우 높은 에너지로 가속할 수 있습니다.
대형 초고속 증폭기는 레이저 유도 융합(관성 구속 융합, 고속 점화) 연구에 사용됩니다.
에너지가 밀리줄 단위인 피코초 또는 펨토초 펄스는 정밀 가공에 유용합니다. 예를 들어, 매우 짧은 펄스를 사용하면 얇은 금속 시트를 매우 미세하고 정확하게 절단할 수 있습니다.
초고속 증폭기 시스템은 복잡성과 높은 가격, 때로는 견고성 부족으로 인해 업계에서 구현하기 어렵습니다. 이 경우 상황을 개선하려면 기술적으로 더 발전된 개발이 필요합니다.