Amplificateur ultrarapide

Définition : Un amplificateur qui amplifie des impulsions optiques ultracourtes.
Les amplificateurs ultrarapides sont des amplificateurs optiques utilisés pour amplifier des impulsions ultracourtes. Certains amplificateurs ultrarapides sont utilisés pour amplifier des trains d'impulsions à taux de répétition élevé afin d'obtenir une puissance moyenne très élevée alors que l'énergie des impulsions est encore à des niveaux modérés. Dans d'autres cas, les impulsions à taux de répétition inférieur obtiennent plus de gain et obtiennent une énergie d'impulsions très élevée et une puissance de crête relativement importante. Lorsque ces impulsions intenses sont focalisées sur certaines cibles, des intensités lumineuses très élevées sont obtenues, parfois même supérieures à 1016âW/cm2.
A titre d'exemple, considérons la sortie d'un laser à verrouillage de mode avec un taux de répétition d'impulsions de 100 MHz, une longueur de 100 fs et une puissance moyenne de 0,1 W. Ainsi, l'énergie d'impulsion est de 0,1 W/100 MHz = 1 nJ, et le la puissance de crête est inférieure à 10 kW (liée à la forme de l'impulsion). Un amplificateur haute puissance, agissant sur l'ensemble de l'impulsion, peut augmenter sa puissance moyenne à 10W, augmentant ainsi l'énergie de l'impulsion à 100nJ. Alternativement, un capteur d'impulsions peut être utilisé avant l'amplificateur pour réduire le taux de répétition des impulsions à 1 kHz. Si l'amplificateur haute puissance augmente encore la puissance moyenne à 10 W, l'énergie d'impulsion est de 10 mJ à ce moment et la puissance de crête peut atteindre 100 GW.

Exigences particulières pour les amplificateurs ultrarapides :
En plus des détails techniques habituels des amplificateurs optiques, les appareils ultrarapides sont confrontés à des problèmes supplémentaires :
Surtout pour les systèmes à haute énergie, le gain de l'amplificateur doit être très important. Dans les ions discutés ci-dessus, un gain allant jusqu'à 70 dB est requis. Étant donné que les amplificateurs à passage unique ont un gain limité, un fonctionnement multicanal est généralement utilisé. Des gains très élevés peuvent être obtenus avec des amplificateurs à rétroaction positive. De plus, des amplificateurs à plusieurs étages (chaînes d'amplificateurs) sont souvent utilisés, où le premier étage fournit un gain élevé et le dernier étage est optimisé pour une énergie d'impulsion élevée et une extraction d'énergie efficace.
Un gain élevé signifie également généralement une plus grande sensibilité à la lumière rétro-réfléchie (à l'exception des amplificateurs à rétroaction positive) et une plus grande tendance à produire une émission spontanée amplifiée (ASE). Dans une certaine mesure, l'ASE peut être supprimée en plaçant un commutateur optique (modulateur acousto-optique) entre les deux étages d'amplificateurs. Ces commutateurs ne s'ouvrent que pendant de très courts intervalles de temps autour du pic de l'impulsion amplifiée. Cependant, cet intervalle de temps est encore long par rapport à la longueur de l'impulsion, donc la suppression du bruit de fond ASE près de l'impulsion est peu probable. Les amplificateurs paramétriques optiques fonctionnent mieux à cet égard car ils ne fournissent un gain que lorsque l'impulsion de pompe est traversée. La rétropropagation de la lumière n'est pas amplifiée.
Les impulsions ultracourtes ont une bande passante importante, qui peut être réduite par l'effet de rétrécissement de gain dans l'amplificateur, ce qui entraîne des longueurs d'impulsions amplifiées plus longues. Lorsque la durée d'impulsion est inférieure à des dizaines de femtosecondes, un amplificateur à bande ultra large est nécessaire. Le rétrécissement du gain est particulièrement important dans les systèmes à gain élevé.
En particulier pour les systèmes à haute énergie d'impulsion, divers effets non linéaires peuvent déformer la forme temporelle et spatiale de l'impulsion, et même endommager l'amplificateur en raison d'effets d'auto-focalisation. Un moyen efficace de supprimer cet effet consiste à utiliser un amplificateur d'impulsions à modulation de fréquence (CPA), où l'impulsion est d'abord élargie en dispersion jusqu'à une longueur, par exemple, de 1 ns, puis amplifiée et enfin compressée en dispersion. Une autre alternative moins courante consiste à utiliser un amplificateur à sous-impulsions. Une autre méthode importante consiste à augmenter la zone de mode de l'amplificateur pour réduire l'intensité lumineuse.
Pour les amplificateurs à passage unique, une extraction d'énergie efficace n'est possible que si la longueur d'impulsion est suffisamment longue pour permettre au flux d'impulsions d'atteindre des niveaux de flux de saturation sans provoquer d'effets non linéaires importants.
Les différentes exigences pour les amplificateurs ultrarapides se reflètent dans les différences d'énergie d'impulsion, de longueur d'impulsion, de taux de répétition, de longueur d'onde moyenne, etc. En conséquence, différents dispositifs doivent être adoptés. Vous trouverez ci-dessous quelques mesures de performances typiques obtenues pour différents types de systèmes :
L'amplificateur à fibre dopée à l'ytterbium peut amplifier le train d'impulsions de 10ps à 100MHz à une puissance moyenne de 10W. (Un système doté de cette capacité est parfois appelé laser à fibre ultrarapide, même s'il s'agit en fait d'un amplificateur de puissance à oscillateur maître.) Des puissances de crête de 10 kW sont relativement faciles à obtenir en utilisant des amplificateurs à fibre avec de grandes zones de mode. Mais avec des impulsions femtosecondes, un tel système aurait des effets non linéaires très forts. A partir d'impulsions femtosecondes, suivies d'une amplification d'impulsions chirpées, des énergies de quelques microjoules peuvent facilement être obtenues, ou dans les cas extrêmes supérieures à 1 mJ. Une approche alternative consiste à amplifier une impulsion parabolique dans une fibre avec une dispersion normale, suivie d'une compression de dispersion de l'impulsion.
Un amplificateur de masse multipasse, tel qu'un amplificateur à base de Ti:Sapphire, peut fournir une grande zone de mode, entraînant des énergies de sortie de l'ordre de 1 J, avec des taux de répétition d'impulsions relativement faibles, tels que 10 Hz. L'allongement de l'impulsion de quelques nanosecondes est nécessaire pour supprimer les effets non linéaires. Plus tard compressée à 20fs, la puissance de crête peut atteindre des dizaines de térawatts (TW); les grands systèmes les plus avancés peuvent atteindre une puissance de crête supérieure à 1PW, qui est de l'ordre du picowatt. Des systèmes plus petits, par exemple, peuvent générer des impulsions de 1 mJ à 10 kHz. Le gain d'un amplificateur multipasse est généralement de l'ordre de 10 dB.
Un gain élevé de plusieurs dizaines de dB peut être obtenu dans un amplificateur à rétroaction positive. Par exemple, une impulsion de 1 nJ peut être amplifiée à 1 mJ à l'aide d'un amplificateur à rétroaction positive Ti:Sapphire. De plus, un amplificateur d'impulsions modulées est nécessaire pour supprimer les effets non linéaires.
En utilisant un amplificateur à rétroaction positive basé sur une tête laser à disque mince dopée à l'ytterbium, les impulsions de moins de 1 ps de longueur peuvent être amplifiées à plusieurs centaines de microjoules sans avoir besoin de CPA.
Les amplificateurs paramétriques à fibre pompés avec des impulsions nanosecondes générées par des lasers à commutation Q peuvent amplifier l'énergie d'impulsion étirée à plusieurs millijoules. Un gain élevé de plusieurs décibels peut être atteint en fonctionnement monocanal. Pour les structures d'adaptation de phase spéciales, la largeur de bande de gain est très grande, de sorte qu'une impulsion très courte peut être obtenue après la compression de la dispersion.
Les spécifications de performances des systèmes d'amplification ultrarapides commerciaux sont souvent bien en deçà des meilleures performances obtenues lors d'expériences scientifiques. Dans de nombreux cas, la raison principale est que les dispositifs et techniques utilisés dans les expériences ne peuvent souvent pas être appliqués aux dispositifs commerciaux en raison de leur manque de stabilité et de robustesse. Par exemple, les systèmes de fibres optiques complexes contiennent de multiples processus de transition entre les fibres optiques et l'optique en espace libre. Des systèmes d'amplification tout fibre peuvent être construits, mais ces systèmes n'atteignent pas les performances des systèmes utilisant l'optique en vrac. Il existe d'autres cas où les optiques fonctionnent près de leurs seuils de dommages; cependant, pour les dispositifs commerciaux, des garanties de sécurité plus élevées sont requises. Un autre problème est que certains matériaux spéciaux sont nécessaires, qui sont très difficiles à obtenir.

Application:
Les amplificateurs ultrarapides ont de nombreuses applications :
De nombreux appareils sont utilisés pour la recherche fondamentale. Ils peuvent fournir de fortes impulsions pour des processus non linéaires puissants, tels que la génération d'harmoniques d'ordre élevé, ou pour accélérer des particules à des énergies très élevées.
Les grands amplificateurs ultrarapides sont utilisés dans la recherche de la fusion induite par laser (fusion par confinement inertiel, allumage rapide).
Les impulsions picosecondes ou femtosecondes avec des énergies en millijoules sont bénéfiques dans l'usinage de précision. Par exemple, des impulsions très courtes permettent une découpe très fine et précise de tôles minces.
Les systèmes d'amplification ultrarapides sont difficiles à mettre en œuvre dans l'industrie en raison de leur complexité et de leur prix élevé, et parfois en raison de leur manque de robustesse. Dans ce cas, des développements plus avancés sur le plan technologique sont nécessaires pour améliorer la situation.