Регенеративные усилители

Принцип действия регенеративных усилителей

Регенеративный усилитель — это устройство, обеспечивающее многократное усиление слабого лазерного импульса за счёт его циркуляции в резонаторе и последовательного прохождения через активную среду. В отличие от обычного одноходового усилителя, где усиление достигается за счёт однократного прохождения импульса через усилительную ячейку, в регенеративном усилителе реализуется многократное накопление энергии, что позволяет достигать высокой энергии при умеренном усилении на каждом проходе.

Основу регенеративного усилителя составляет оптический резонатор, в который инжектируется слабый импульс. С помощью быстродействующего оптического переключателя (например, на основе акустооптического или электрооптического модулятора) импульс многократно циркулирует в пределах резонатора и при каждом проходе проходит через активную среду, где и усиливается. По достижении заданного уровня энергии или по истечении определённого количества проходов, импульс выводится из резонатора тем же переключателем.

Оптическая схема регенеративного усилителя

Типовая схема включает следующие элементы:

• Источник начального слабого импульса (например, генератор сверхкоротких импульсов);
• Усилительная ячейка (обычно кристалл с лазерно-активным ионом, накачиваемый внешним источником);
• Оптический резонатор, включающий зеркала и/или линзы для фокусировки и рециркуляции импульса;
• Оптический модулятор (Pockels cell или акустооптический модулятор) в комбинации с поляризатором и λ/4-пластиной;
• Система синхронизации между модулятором и импульсом;
• Выходной элемент (обычно полупрозрачное зеркало или переключаемый выход).

Благодаря высокой степени управления временем ввода и вывода импульса, регенеративные усилители обеспечивают хорошую стабильность, узкую спектральную ширину и высокую степень усиления.

Физические процессы в регенеративном усилителе

Во время циркуляции импульса внутри резонатора он последовательно проходит через активную среду, где происходит стимулированное излучение и накопление энергии. При этом важно, чтобы временной интервал между проходами импульса через активную среду был меньше времени жизни возбуждённых состояний. Это обеспечивает кумулятивный эффект усиления.

Следует учитывать следующие физические эффекты:

• Насыщение усиления. При многократном прохождении импульса через среду происходит истощение инверсной населённости, и дальнейшее усиление уменьшается;
• Тепловые эффекты. Воздействие накачки и циркулирующего импульса приводит к локальному нагреву среды, что может вызвать термические линзы;
• Дисперсия и нелинейности. При усилении коротких импульсов наблюдаются дисперсионные и нелинейные эффекты (самофокусировка, самофазовая модуляция), что требует использования техники чирпирования и компрессии.

Техника чирпирования в регенеративных усилителях

Для предотвращения нелинейных и дисперсионных искажений коротких импульсов в регенеративных усилителях часто используется техника чирпированного усиления (CPA, Chirped Pulse Amplification). В этом случае исходный короткий импульс сначала растягивается по времени (в спектрально-дисперсионной системе), затем усиливается в регенеративном усилителе при существенно меньшей пиковой мощности, и, наконец, снова сжимается до исходной длительности. Таким образом, снижается вероятность разрушения оптических элементов и нелинейных искажений.

Типичные параметры и материалы

Наиболее часто используемые активные среды в регенеративных усилителях — это:

• Ti:сапфир (Ti:Al₂O₃): широкая спектральная полоса усиления, применим в фемтосекундной лазерной технике;
• Nd:YAG: для наносекундных импульсов в ближнем ИК-диапазоне;
• Yb-допированные среды (например, Yb:YAG, Yb:KGW): высокая эффективность, узкая спектральная полоса, хорошее соотношение сигнал/шум.

Типичные параметры Ti:сапфировых регенеративных усилителей:

• Центральная длина волны: 800 нм;
• Длительность импульса после компрессии: 20–100 фс;
• Энергия на выходе: 1–10 мДж;
• Частота повторения: от 1 Гц до 1 кГц;
• Коэффициент усиления: 10⁶–10⁷.

Синхронизация и временное управление

Ключевым элементом работы регенеративного усилителя является точная синхронизация между:

1. Подачей входного импульса;
2. Управлением модулятором (временем ввода и вывода импульса);
3. Состоянием накачки активной среды.

Часто применяется схема с активным контроллером и генератором синхроимпульсов, синхронизированным с генерацией затравочного сигнала. Временные окна управления модулятором имеют длительность порядка нескольких наносекунд и должны быть точно согласованы с длительностью и частотой циркуляции импульса.

Преимущества регенеративных усилителей

• Возможность получения высоких энергий при контролируемом усилении;
• Высокая стабильность выходных параметров;
• Компактность по сравнению с многоходовыми схемами;
• Хорошее подавление ASE (амплифицированного спонтанного излучения) за счёт точного контроля времени задержки и окна усиления;
• Совместимость с техникой CPA.

Ограничения и проблемы

Несмотря на многочисленные преимущества, регенеративные усилители имеют ряд ограничений:

• Ограничения по максимальной энергии из-за разрушения оптических компонентов;
• Тепловые искажeния, особенно при высоких частотах повторения;
• Сложность синхронизации и управления модуляцией;
• Необходимость очень точной юстировки резонатора.

Кроме того, при усилении ультракоротких импульсов возникает потребность в компенсации хроматической дисперсии, что требует использования дополнительных оптических элементов: призменных пар, решёток, чирпированных зеркал и т.п.

Современные реализации и тенденции развития

Современные регенеративные усилители являются основой фемтосекундных лазерных систем высокой мощности. Они применяются в:

• аттосекундной физике;
• генерации высокоэнергетических гармоник;
• ускорении частиц;
• лазерной абляции и микромашинировании;
• медицинских и спектроскопических приложениях.

Ведущие лаборатории мира реализуют регенеративные усилители с параметрами:

• Энергия выходного импульса: до сотен миллиджоулей;
• Длительность после компрессии: до нескольких фемтосекунд;
• Частота повторения: до десятков кГц.

Используются новые кристаллы (например, Yb:CaF₂, Yb:LuAG), лазеры с диодной накачкой, и активно внедряются системы оптической адаптивной коррекции фронта волны.

Особый интерес вызывают оптические параметрические регенеративные усилители (OPCPA), в которых вместо инверсной населённости используется нелинейное взаимодействие волн в кристалле, что позволяет достигать более широкого спектрального диапазона и избегать некоторых ограничений традиционного усиления.

Выводы

Регенеративные усилители играют ключевую роль в современной лазерной физике, обеспечивая эффективное и управляемое усиление ультракоротких импульсов до высоких энергий. Их высокая стабильность, возможность интеграции в компактные схемы и совместимость с технологией CPA делают их незаменимыми в передовых научных и прикладных исследованиях.