超高速アンプ

定義: 超短光パルスを増幅する増幅器。
超高速増幅器は、超短パルスを増幅するために使用される光増幅器です。一部の超高速アンプは、パルスエネルギーが中程度のレベルにある間に非常に高い平均パワーを得るために高繰り返しレートのパルス列を増幅するために使用されます。また、他の場合には、より低い繰り返しレートのパルスがより多くのゲインを得て、非常に高いパルスエネルギーと比較的大きなピークパワーを得ることができます。これらの強力なパルスが一部のターゲットに集中すると、非常に高い光強度が得られ、場合によっては 1016 W/cm2 を超えることもあります。
例として、パルス繰り返し率 100 MHz、長さ 100 fs、平均パワー 0.1 W のモードロック レーザーの出力を考えてみましょう。つまり、パルス エネルギーは 0.1 W/100 MHz=1nJ であり、ピーク電力は 10kW 未満です (パルス形状に関連)。高出力アンプはパルス全体に作用し、その平均出力を 10W に増加させることができるため、パルスエネルギーは 100nJ に増加します。あるいは、アンプの前でパルスピックアップを使用して、パルス繰り返しレートを 1 kHz に下げることもできます。高出力アンプが依然として平均電力を 10W に増加させる場合、このときのパルスエネルギーは 10mJ となり、ピーク電力は 100GW に達する可能性があります。

超高速アンプの特別な要件:
光増幅器の通常の技術的詳細に加えて、超高速デバイスは追加の問題に直面しています。
特に高エネルギーシステムの場合、アンプのゲインは非常に大きくなければなりません。上で説明したイオンでは、最大 70dB のゲインが必要です。シングルパスアンプはゲインが制限されているため、通常はマルチチャンネル動作が使用されます。正帰還アンプを使用すると、非常に高いゲインを実現できます。さらに、多段増幅器（増幅器チェーン）がよく使用され、最初の段は高ゲインを提供し、最終段は高パルスエネルギーと効率的なエネルギー抽出のために最適化されています。
また、ゲインが高いということは、一般に、後方反射光に対する感度が高く (正帰還アンプを除く)、増幅自然放出 (ASE) が発生しやすいことを意味します。 2 段の増幅器の間に光スイッチ (音響光学変調器) を配置することで、ASE をある程度抑制できます。これらのスイッチは、増幅されたパルスのピーク付近の非常に短い時間間隔でのみ開きます。ただし、この時間間隔はパルス長に比べてまだ長いため、パルス付近の ASE バックグラウンド ノイズを抑制することは可能性が低いです。光パラメトリック増幅器は、ポンプパルスが通過するときにのみ利得を提供するため、この点でより優れた性能を発揮します。逆伝播光は増幅されません。
超短パルスはかなりの帯域幅を持っていますが、増幅器の利得を狭める効果によって帯域幅が狭くなる可能性があるため、増幅されるパルス長が長くなります。パルス長が数十フェムト秒未満の場合、超広帯域アンプが必要になります。ゲインを狭めることは、高ゲインシステムでは特に重要です。
特に高いパルスエネルギーを持つシステムの場合、さまざまな非線形効果によりパルスの時間的および空間的形状が歪み、さらには自己集束効果によりアンプが損傷する可能性があります。この影響を抑制する効果的な方法は、チャープ パルス増幅器 (CPA) を使用することです。この場合、パルスはまず分散がたとえば 1 ns の長さに広がり、次に増幅され、最後に分散が圧縮されます。あまり一般的ではないもう 1 つの代替手段は、サブパルスアンプを使用することです。もう 1 つの重要な方法は、増幅器のモード領域を増やして光強度を下げることです。
シングルパス増幅器の場合、強い非線形効果を引き起こすことなくパルス磁束が飽和磁束レベルに達するのに十分なパルス長がある場合にのみ、効率的なエネルギー抽出が可能になります。
超高速増幅器に対するさまざまな要件は、パルスエネルギー、パルス長、繰り返し率、平均波長などの違いに反映されます。したがって、さまざまなデバイスを採用する必要があります。以下は、さまざまなタイプのシステムで得られる典型的なパフォーマンス メトリックの一部です。
イッテルビウムをドープしたファイバ増幅器は、100MHzで10psのパルス列を平均電力10Wまで増幅できます。 (この機能を備えたシステムは、実際にはマスター オシレーター パワー アンプ デバイスであるにもかかわらず、超高速ファイバー レーザーと呼ばれることもあります。) 10 kW のピーク パワーは、大きなモード領域を持つファイバー アンプを使用すると比較的簡単に達成できます。しかし、フェムト秒パルスの場合、そのようなシステムは非常に強い非線形効果をもたらすことになります。フェムト秒パルスから始めてチャープパルス増幅を行うと、数マイクロジュールのエネルギーが簡単に得られ、極端な場合には1 mJを超えるエネルギーが得られます。別のアプローチは、正常分散を備えたファイバ内の放物線状パルスを増幅し、続いてパルスの分散圧縮を行うことです。
Ti:Sapphire ベースの増幅器などのマルチパスバルク増幅器は、大きなモード領域を提供することができ、その結果、10 Hz などの比較的低いパルス繰り返し率で 1 J 程度の出力エネルギーが得られます。非線形効果を抑制するには、数ナノ秒のパルスストレッチが必要です。その後、約 20fs に圧縮されると、ピーク電力は数十テラワット (TW) に達することがあります。最先端の大規模システムは、ピコワットのオーダーである 1PW を超えるピーク電力を達成できます。たとえば、より小型のシステムでは、10 kHz で 1 mJ のパルスを生成できます。マルチパスアンプのゲインは通常 10dB 程度です。
正帰還アンプでは数十dBの高いゲインが得られます。たとえば、Ti:Sapphire 正帰還アンプを使用すると、1 nJ パルスを 1 mJ に増幅できます。さらに、非線形効果を抑制するにはチャープパルス増幅器が必要です。
イッテルビウムをドープした薄ディスクレーザーヘッドをベースにした正帰還増幅器を使用すると、CPA を必要とせずに長さ 1 ps 未満のパルスを数百マイクロジュールまで増幅できます。
Qスイッチレーザーによって生成されたナノ秒パルスで励起されるファイバーパラメトリック増幅器は、伸張されたパルスエネルギーを数ミリジュールまで増幅できます。単一チャネル動作で数デシベルの高ゲインを実現できます。特殊な位相整合構造の場合、利得帯域幅が非常に広いため、分散圧縮後に非常に短いパルスが得られます。
市販の超高速アンプ システムの性能仕様は、多くの場合、科学実験で得られた最高の性能を大幅に下回っています。多くの場合、主な理由は、実験で使用されたデバイスや技術が、安定性や堅牢性に欠けるため、市販のデバイスに適用できないことが多いためです。たとえば、複雑な光ファイバー システムには、光ファイバーと自由空間光学系の間の複数の移行プロセスが含まれます。全ファイバ増幅器システムを構築することは可能ですが、これらのシステムはバルク光を使用するシステムの性能を達成できません。光学部品が損傷閾値近くで動作するケースは他にもあります。ただし、商用機器の場合は、より高度な安全性の保証が必要です。もう 1 つの問題は、入手が非常に難しい特殊な材料が必要になることです。

応用：
超高速アンプには多くの用途があります。
基礎研究には多くの装置が使用されています。これらは、高次高調波の生成などの強力な非線形プロセス用の強力なパルスを提供したり、粒子を非常に高いエネルギーまで加速したりできます。
大型の超高速増幅器は、レーザー誘起核融合（慣性閉じ込め核融合、高速点火）の研究に使用されます。
ミリジュール単位のエネルギーを持つピコ秒またはフェムト秒パルスは、精密加工に有益です。たとえば、非常に短いパルスにより、薄い金属シートを非常に細かく正確に切断できます。
超高速増幅器システムは、その複雑さと価格の高さ、そして場合によっては堅牢性の欠如により、産業界での実装が困難です。この場合、状況を改善するには、より高度な技術開発が必要です。