अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर

परिभाषा: एक एम्पलीफायर जो अल्ट्राशॉर्ट ऑप्टिकल पल्स को बढ़ाता है।
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर ऑप्टिकल एम्पलीफायर हैं जिनका उपयोग अल्ट्राशॉर्ट पल्स को बढ़ाने के लिए किया जाता है। कुछ अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरों का उपयोग बहुत अधिक औसत शक्ति प्राप्त करने के लिए उच्च पुनरावृत्ति दर पल्स ट्रेनों को बढ़ाने के लिए किया जाता है, जबकि पल्स ऊर्जा अभी भी मध्यम स्तर पर है, अन्य मामलों में कम पुनरावृत्ति दर पल्स को अधिक लाभ मिलता है और बहुत उच्च पल्स ऊर्जा और अपेक्षाकृत बड़ी शिखर शक्ति प्राप्त होती है। जब इन तीव्र स्पंदनों को कुछ लक्ष्यों पर केंद्रित किया जाता है, तो बहुत उच्च प्रकाश तीव्रता प्राप्त होती है, कभी-कभी 1016âW/cm2 से भी अधिक।
उदाहरण के तौर पर, 100 मेगाहर्ट्ज की पल्स पुनरावृत्ति दर, 100 एफएस की लंबाई और 0.1 डब्ल्यू की औसत शक्ति के साथ एक मोड-लॉक लेजर के आउटपुट पर विचार करें। तो पल्स ऊर्जा 0.1W/100MHz=1nJ है, और अधिकतम शक्ति 10kW (पल्स आकार से संबंधित) से कम है। एक उच्च शक्ति एम्पलीफायर, संपूर्ण पल्स पर कार्य करते हुए, अपनी औसत शक्ति को 10W तक बढ़ा सकता है, इस प्रकार पल्स ऊर्जा को 100nJ तक बढ़ा सकता है। वैकल्पिक रूप से, पल्स पुनरावृत्ति दर को 1 kHz तक कम करने के लिए एम्पलीफायर से पहले पल्स पिकअप का उपयोग किया जा सकता है। यदि उच्च-शक्ति एम्पलीफायर अभी भी औसत शक्ति को 10W तक बढ़ाता है, तो इस समय पल्स ऊर्जा 10mJ है, और चरम शक्ति 100GW तक पहुंच सकती है।

अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरों के लिए विशेष आवश्यकताएं:
ऑप्टिकल एम्पलीफायरों के सामान्य तकनीकी विवरणों के अलावा, अल्ट्राफास्ट उपकरणों को अतिरिक्त समस्याओं का सामना करना पड़ता है:
विशेष रूप से उच्च ऊर्जा प्रणालियों के लिए, एम्पलीफायर का लाभ बहुत बड़ा होना चाहिए। ऊपर चर्चा किए गए आयनों में, 70dB तक का लाभ आवश्यक है। चूंकि सिंगल-पास एम्पलीफायरों का लाभ सीमित होता है, इसलिए आमतौर पर मल्टी-चैनल ऑपरेशन का उपयोग किया जाता है। सकारात्मक फीडबैक एम्पलीफायरों से बहुत अधिक लाभ प्राप्त किया जा सकता है। इसके अलावा, मल्टी-स्टेज एम्पलीफायरों (एम्प्लीफायर चेन) को अक्सर नियोजित किया जाता है, जहां पहला चरण उच्च लाभ प्रदान करता है और अंतिम चरण उच्च पल्स ऊर्जा और कुशल ऊर्जा निष्कर्षण के लिए अनुकूलित होता है।
उच्च लाभ का मतलब आम तौर पर बैक-रिफ्लेक्टेड प्रकाश के प्रति अधिक संवेदनशीलता (सकारात्मक प्रतिक्रिया एम्पलीफायरों के अपवाद के साथ) और प्रवर्धित सहज उत्सर्जन (एएसई) उत्पन्न करने की अधिक प्रवृत्ति है। कुछ हद तक, एम्पलीफायरों के दो चरणों के बीच एक ऑप्टिकल स्विच (एकॉस्टो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर) रखकर एएसई को दबाया जा सकता है। ये स्विच केवल प्रवर्धित पल्स के शिखर के आसपास बहुत कम समय के अंतराल के लिए खुलते हैं। हालाँकि, यह समय अंतराल पल्स लंबाई की तुलना में अभी भी लंबा है, इसलिए पल्स के पास एएसई पृष्ठभूमि शोर को दबाने की संभावना नहीं है। ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर इस संबंध में बेहतर प्रदर्शन करते हैं क्योंकि वे केवल तभी लाभ प्रदान करते हैं जब पंप पल्स को पारित किया जाता है। बैकप्रोपेगेटिंग प्रकाश को प्रवर्धित नहीं किया जाता है।
अल्ट्राशॉर्ट पल्स में महत्वपूर्ण बैंडविड्थ होती है, जिसे एम्पलीफायर में लाभ-संकीर्ण प्रभाव से कम किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप पल्स लंबाई लंबी हो जाती है। जब पल्स की लंबाई दसियों फेमटोसेकंड से कम होती है, तो एक अल्ट्रा-वाइडबैंड एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है। उच्च लाभ प्रणालियों में लाभ संकुचन विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।
विशेष रूप से उच्च पल्स ऊर्जा वाले सिस्टम के लिए, विभिन्न गैर-रेखीय प्रभाव पल्स के अस्थायी और स्थानिक आकार को विकृत कर सकते हैं, और यहां तक ​​कि आत्म-केंद्रित प्रभावों के कारण एम्पलीफायर को भी नुकसान पहुंचा सकते हैं। इस प्रभाव को दबाने का एक प्रभावी तरीका एक चिरप्ड पल्स एम्पलीफायर (सीपीए) का उपयोग करना है, जहां पल्स को पहले फैलाव को लंबाई तक बढ़ाया जाता है, उदाहरण के लिए, 1 एनएस, फिर बढ़ाया जाता है, और अंत में फैलाव को संपीड़ित किया जाता है। एक और कम आम विकल्प उप-पल्स एम्पलीफायर का उपयोग करना है। एक अन्य महत्वपूर्ण विधि प्रकाश की तीव्रता को कम करने के लिए एम्पलीफायर के मोड क्षेत्र को बढ़ाना है।
एकल-पास एम्पलीफायरों के लिए, कुशल ऊर्जा निष्कर्षण केवल तभी संभव है जब पल्स की लंबाई इतनी लंबी हो कि पल्स फ्लक्स मजबूत नॉनलाइनर प्रभाव पैदा किए बिना संतृप्ति फ्लक्स स्तर तक पहुंच सके।
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरों के लिए अलग-अलग आवश्यकताएं पल्स ऊर्जा, पल्स लंबाई, पुनरावृत्ति दर, औसत तरंग दैर्ध्य आदि में अंतर में परिलक्षित होती हैं। तदनुसार, विभिन्न उपकरणों को अपनाने की आवश्यकता होती है। विभिन्न प्रकार की प्रणालियों के लिए प्राप्त कुछ विशिष्ट प्रदर्शन मेट्रिक्स नीचे दिए गए हैं:
येटरबियम-डोप्ड फाइबर एम्पलीफायर 10पीएस की पल्स ट्रेन को 100 मेगाहर्ट्ज पर 10W की औसत शक्ति तक बढ़ा सकता है। (इस क्षमता वाले सिस्टम को कभी-कभी अल्ट्राफास्ट फाइबर लेजर के रूप में जाना जाता है, भले ही यह वास्तव में एक मास्टर ऑसिलेटर पावर एम्पलीफायर डिवाइस है।) बड़े मोड क्षेत्रों के साथ फाइबर एम्पलीफायरों का उपयोग करके 10 किलोवाट की चरम शक्ति प्राप्त करना अपेक्षाकृत आसान है। लेकिन फेमटोसेकंड दालों के साथ, ऐसी प्रणाली में बहुत मजबूत गैर-रेखीय प्रभाव होंगे। फेमटोसेकंड पल्स से शुरू करके, चहकती पल्स प्रवर्धन के बाद, कुछ माइक्रोजूल की ऊर्जा आसानी से प्राप्त की जा सकती है, या चरम मामलों में 1 एमजे से अधिक। एक वैकल्पिक दृष्टिकोण सामान्य फैलाव के साथ फाइबर में एक परवलयिक पल्स को बढ़ाना है, इसके बाद पल्स का फैलाव संपीड़न होता है।
एक मल्टी-पास बल्क एम्पलीफायर, जैसे कि टीआई: नीलमणि-आधारित एम्पलीफायर, एक बड़ा मोड क्षेत्र प्रदान कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप 1 जे के क्रम पर आउटपुट ऊर्जा होती है, जिसमें अपेक्षाकृत कम पल्स पुनरावृत्ति दर होती है, जैसे कि 10 हर्ट्ज। नॉनलाइनियर प्रभावों को दबाने के लिए पल्स को कुछ नैनोसेकंड तक खींचना आवश्यक है। बाद में 20fs कहने के लिए संपीड़ित, चरम शक्ति दसियों टेरावाट (TW) तक पहुंच सकती है; सबसे उन्नत बड़ी प्रणालियाँ 1PW से अधिक की चरम शक्ति प्राप्त कर सकती हैं, जो पिकोवाट के क्रम पर है। उदाहरण के लिए, छोटी प्रणालियाँ 10 kHz पर 1 mJ पल्स उत्पन्न कर सकती हैं। मल्टीपास एम्पलीफायर का लाभ आमतौर पर 10dB के क्रम पर होता है।
एक सकारात्मक फीडबैक एम्पलीफायर में दसियों डीबी का उच्च लाभ प्राप्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, Ti:Sapphire सकारात्मक फीडबैक एम्पलीफायर का उपयोग करके 1 nJ पल्स को 1 mJ तक बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा, नॉनलाइनियर प्रभावों को दबाने के लिए एक चिरप्ड पल्स एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है।
येटरबियम-डॉप्ड पतली-डिस्क लेजर हेड पर आधारित एक सकारात्मक फीडबैक एम्पलीफायर का उपयोग करके, 1 पीएस से कम लंबाई वाली दालों को सीपीए की आवश्यकता के बिना कई सौ माइक्रोजूल तक बढ़ाया जा सकता है।
क्यू-स्विच्ड लेजर द्वारा उत्पन्न नैनोसेकंड पल्स के साथ पंप किए गए फाइबर पैरामीट्रिक एम्पलीफायर, फैली हुई पल्स ऊर्जा को कई मिलीजूल तक बढ़ा सकते हैं। एकल-चैनल ऑपरेशन में कई डेसिबल का उच्च लाभ प्राप्त किया जा सकता है। विशेष चरण मिलान संरचनाओं के लिए, लाभ बैंडविड्थ बहुत बड़ा है, इसलिए फैलाव संपीड़न के बाद एक बहुत छोटी पल्स प्राप्त की जा सकती है।
वाणिज्यिक अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर सिस्टम के प्रदर्शन विनिर्देश अक्सर वैज्ञानिक प्रयोगों में प्राप्त सर्वोत्तम प्रदर्शन से काफी नीचे होते हैं। कई मामलों में, मुख्य कारण यह है कि प्रयोगों में नियोजित उपकरणों और तकनीकों को अक्सर उनकी स्थिरता और मजबूती की कमी के कारण वाणिज्यिक उपकरणों पर लागू नहीं किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, जटिल ऑप्टिकल फाइबर सिस्टम में ऑप्टिकल फाइबर और फ्री-स्पेस ऑप्टिक्स के बीच कई संक्रमण प्रक्रियाएं होती हैं। ऑल-फाइबर एम्पलीफायर सिस्टम का निर्माण किया जा सकता है, लेकिन ये सिस्टम बल्क ऑप्टिक्स को नियोजित करने वाले सिस्टम के प्रदर्शन को प्राप्त नहीं करते हैं। ऐसे अन्य मामले भी हैं जहां ऑप्टिक्स अपनी क्षति सीमा के निकट काम करते हैं; हालाँकि, व्यावसायिक उपकरणों के लिए, उच्च सुरक्षा आश्वासन की आवश्यकता होती है। दूसरी समस्या यह है कि कुछ विशेष सामग्रियों की आवश्यकता होती है, जिन्हें प्राप्त करना बहुत कठिन होता है।

आवेदन पत्र:
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरों के कई अनुप्रयोग हैं:
बुनियादी अनुसंधान के लिए कई उपकरणों का उपयोग किया जाता है। वे मजबूत गैर-रेखीय प्रक्रियाओं के लिए मजबूत पल्स प्रदान कर सकते हैं, जैसे उच्च-क्रम हार्मोनिक पीढ़ी, या कणों को बहुत उच्च ऊर्जा तक तेज करना।
लेजर-प्रेरित संलयन (जड़त्वीय कारावास संलयन, तेज प्रज्वलन) के लिए अनुसंधान में बड़े अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरों का उपयोग किया जाता है।
मिलीजूल में ऊर्जा के साथ पिकोसेकंड या फेमटोसेकंड पल्स सटीक मशीनिंग में फायदेमंद होते हैं। उदाहरण के लिए, बहुत छोटी दालें पतली धातु की चादरों को बहुत बारीक और सटीक काटने की अनुमति देती हैं।
अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर सिस्टम को उनकी जटिलता और उच्च कीमत के कारण, और कभी-कभी उनकी मजबूती की कमी के कारण उद्योग में लागू करना मुश्किल होता है। इस मामले में, स्थिति में सुधार के लिए अधिक तकनीकी रूप से उन्नत विकास की आवश्यकता है।