Принцип действия многопроходных усилителей
Многопроходной усилитель представляет собой конфигурацию лазерного усилителя, в которой лазерный импульс или непрерывное излучение многократно проходит через активную среду, накапливая энергию при каждом проходе. Это позволяет достигать высокой энергии выходного излучения без необходимости значительного увеличения длины или плотности накачки активного элемента. Основное преимущество многопроходных схем — эффективное использование активной среды при минимизации тепловых эффектов и неоднородностей усиления.
Архитектурные схемы многопроходных усилителей
Существует несколько ключевых схем многопроходных усилителей, различающихся конфигурацией оптического тракта и способом возврата импульса:
Линейная (двухзеркальная) схема Импульс входит в усилитель, проходит через активную среду, отражается от зеркала и возвращается обратно, проходя среду повторно. Такая схема проста, но ограничена числом проходов, поскольку импульс уходит в обратном направлении.
Z-образная схема Использует три зеркала, формирующих траекторию в виде буквы Z. Обеспечивает более длинный оптический путь и возможность удобного внедрения элементов управления фазой и поляризацией.
Схема с П-образной траекторией (U-образный усилитель) Обеспечивает симметричный путь для оптического луча и используется для компенсации термически индуцированных аберраций.
Схемы с использованием поворотных зеркал или призм (например, поворотных тел) Позволяют реализовать до 8, 16 и более проходов через активную среду, направляя импульс по разным углам на входное окно среды. Такая архитектура широко применяется в высокоэнергетических CPA-системах (chirped pulse amplification).
Учет пространственной и временной структуры импульса
Многократный проход импульса через активную среду требует точного контроля как временной синхронизации, так и пространственной коллимации. При каждом проходе необходимо обеспечивать согласование фокусировки, чтобы избежать накопления фазовых искажений. Это особенно критично при работе с ультракороткими импульсами (фемто- и аттосекундный диапазон), где пространственно-временная кросс-модуляция может привести к искажению фронта волны и спектра.
Роль усиления в режиме с затяжкой (gain saturation)
В многопроходных усилителях усиление может достигать насыщения активной среды, при котором инверсия населения значительно уменьшается после нескольких проходов. Это оказывает влияние на:
Поэтому проектирование многопроходных усилителей требует расчета оптимального уровня накачки и числа проходов, чтобы импульс достигал требуемой энергии при сохранении когерентных свойств.
Активные среды и выбор материалов
Наиболее часто используемые активные среды:
Выбор материала зависит от требуемой длины волны, длительности импульса, энергии, а также от технологических и экономических факторов.
Компенсация аберраций и искажений
При многократном прохождении через активную среду могут возникать:
Для устранения этих эффектов применяются:
Согласование с растянутыми импульсами (CPA)
Многопроходные усилители широко используются в системах CPA, где ультракороткий импульс сначала растягивается во времени (до пикосекунд или наносекунд), затем усиливается, и в конце снова сжимается. Такой подход позволяет избежать самофокусировки и повреждения элементов усилителя.
В многопроходных CPA-системах необходимо обеспечить:
Управление поляризацией и фазой
Поляризация усиливаемого импульса может изменяться при каждом проходе через активную среду и оптические элементы. Это может влиять на эффективность усиления, особенно в анизотропных средах. Поэтому применяются:
Управление фазой критично также для когерентного объединения импульсов и для сохранения формы спектра при многопроходном усилении.
Механическая и термическая стабильность
Из-за большого числа оптических элементов и длины пути луча, многопроходные усилители чувствительны к:
Для обеспечения стабильности применяются:
Инженерные аспекты проектирования
Проектирование многопроходного усилителя требует:
Кроме того, необходим тщательный подбор антиобратных элементов (например, оптических изоляторов) для предотвращения самогенерации и паразитных осцилляций.
Примеры реализации и применения
Многопроходные усилители представляют собой ключевой элемент в построении высокоэнергетических, ультракороткоимпульсных лазерных систем и продолжают оставаться объектом интенсивных исследований в области оптики, фотоники и прикладной физики высоких полей.