আল্ট্রাফাস্ট পরিবর্ধক

সংজ্ঞা: একটি পরিবর্ধক যা আল্ট্রাশর্ট অপটিক্যাল স্পন্দনকে প্রশস্ত করে।
আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ারগুলি হল অপটিক্যাল অ্যামপ্লিফায়ারগুলি আল্ট্রাশর্ট ডালগুলিকে প্রশস্ত করতে ব্যবহৃত হয়। কিছু আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ার ব্যবহার করা হয় উচ্চ পুনরাবৃত্তি হারের পালস ট্রেনগুলিকে প্রশস্ত করার জন্য খুব উচ্চ গড় শক্তি পাওয়ার জন্য যখন পালস শক্তি এখনও মাঝারি স্তরে থাকে, অন্যান্য ক্ষেত্রে নিম্ন পুনরাবৃত্তি হারের ডালগুলি বেশি লাভ পায় এবং খুব উচ্চ পালস শক্তি এবং তুলনামূলকভাবে বড় পিক পাওয়ার পায়। যখন এই তীব্র স্পন্দনগুলি কিছু লক্ষ্যের উপর ফোকাস করা হয়, তখন খুব উচ্চ আলোর তীব্রতা পাওয়া যায়, কখনও কখনও এমনকি 1016âW/cm2 এর থেকেও বেশি।
উদাহরণ হিসেবে, 100 মেগাহার্টজ, 100 fs দৈর্ঘ্য এবং 0.1 W এর গড় শক্তি সহ একটি মোড-লকড লেজারের আউটপুট বিবেচনা করুন। তাই পালস শক্তি হল 0.1W/100MHz=1nJ, এবং সর্বোচ্চ শক্তি 10kW এর কম (নাড়ি আকৃতির সাথে সম্পর্কিত)। একটি উচ্চ শক্তি পরিবর্ধক, সমগ্র নাড়ির উপর কাজ করে, এর গড় শক্তি 10W-এ বৃদ্ধি করতে পারে, এইভাবে পালস শক্তি 100nJ-এ বৃদ্ধি পায়। বিকল্পভাবে, পালস রিপিটেশন রেট 1 kHz এ কমাতে পরিবর্ধকের আগে একটি পালস পিকআপ ব্যবহার করা যেতে পারে। যদি উচ্চ-শক্তি পরিবর্ধক এখনও গড় শক্তি 10W-এ বৃদ্ধি করে, তাহলে এই সময়ে পালস শক্তি 10mJ হয় এবং সর্বোচ্চ শক্তি 100GW-এ পৌঁছাতে পারে।

আল্ট্রাফাস্ট এমপ্লিফায়ারের জন্য বিশেষ প্রয়োজনীয়তা:
অপটিক্যাল এমপ্লিফায়ারের স্বাভাবিক প্রযুক্তিগত বিবরণ ছাড়াও, অতি দ্রুত ডিভাইসগুলি অতিরিক্ত সমস্যার সম্মুখীন হয়:
বিশেষ করে উচ্চ শক্তি সিস্টেমের জন্য, পরিবর্ধক লাভ খুব বড় হতে হবে। উপরে আলোচিত আয়নগুলিতে, 70dB পর্যন্ত লাভ প্রয়োজন। যেহেতু একক-পাস পরিবর্ধক লাভে সীমিত, মাল্টি-চ্যানেল অপারেশন সাধারণত নিযুক্ত করা হয়। ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া পরিবর্ধক দিয়ে খুব উচ্চ লাভ অর্জন করা যেতে পারে। উপরন্তু, মাল্টি-স্টেজ এমপ্লিফায়ার (এম্প্লিফায়ার চেইন) প্রায়ই নিযুক্ত করা হয়, যেখানে প্রথম পর্যায় উচ্চ লাভ প্রদান করে এবং শেষ পর্যায়টি উচ্চ পালস শক্তি এবং দক্ষ শক্তি নিষ্কাশনের জন্য অপ্টিমাইজ করা হয়।
উচ্চ লাভের অর্থ সাধারণত ব্যাক-প্রতিফলিত আলোর প্রতি আরও সংবেদনশীলতা (ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া পরিবর্ধক ব্যতীত) এবং পরিবর্ধিত স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমন (ASE) তৈরির একটি বৃহত্তর প্রবণতা। একটি নির্দিষ্ট পরিমাণে, অ্যামপ্লিফায়ারের দুটি পর্যায়ের মধ্যে একটি অপটিক্যাল সুইচ (অ্যাকোস্টো-অপটিক্যাল মডুলেটর) স্থাপন করে ASE দমন করা যেতে পারে। এই সুইচগুলি শুধুমাত্র পরিবর্ধিত নাড়ির শীর্ষের চারপাশে খুব অল্প সময়ের জন্য খোলা থাকে। যাইহোক, এই সময়ের ব্যবধানটি নাড়ির দৈর্ঘ্যের তুলনায় এখনও দীর্ঘ, তাই নাড়ির কাছাকাছি ASE পটভূমির শব্দকে দমন করা অসম্ভাব্য। অপটিক্যাল প্যারামেট্রিক অ্যামপ্লিফায়ারগুলি এই বিষয়ে আরও ভাল পারফরম্যান্স করে কারণ তারা কেবলমাত্র যখন পাম্প পালস দিয়ে যায় তখনই লাভ দেয়। Backpropagating আলো প্রশস্ত করা হয় না.
আল্ট্রাশর্ট ডালগুলির উল্লেখযোগ্য ব্যান্ডউইথ রয়েছে, যা পরিবর্ধক-এ লাভ-সংকীর্ণ প্রভাব দ্বারা হ্রাস করা যেতে পারে, এইভাবে দীর্ঘতর পরিবর্ধিত পালস দৈর্ঘ্যের ফলে। যখন পালস দৈর্ঘ্য ফেমটোসেকেন্ডের দশের কম হয়, তখন একটি আল্ট্রা-ওয়াইডব্যান্ড এমপ্লিফায়ার প্রয়োজন হয়। লাভ সংকীর্ণতা উচ্চ লাভ সিস্টেমে বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ।
বিশেষত উচ্চ পালস শক্তি সহ সিস্টেমগুলির জন্য, বিভিন্ন অরৈখিক প্রভাব নাড়ির অস্থায়ী এবং স্থানিক আকৃতিকে বিকৃত করতে পারে এবং এমনকি স্ব-ফোকাসিং প্রভাবের কারণে পরিবর্ধককে ক্ষতিগ্রস্ত করতে পারে। এই প্রভাবকে দমন করার একটি কার্যকর উপায় হল একটি চিপড পালস এমপ্লিফায়ার (সিপিএ) ব্যবহার করা, যেখানে পালসটি প্রথমে বিচ্ছুরণকে দৈর্ঘ্যে প্রসারিত করা হয়, উদাহরণস্বরূপ, 1 এনএস, তারপরে বিবর্ধিত এবং অবশেষে বিচ্ছুরণ সংকুচিত করা হয়। আরেকটি কম সাধারণ বিকল্প হল একটি সাব-পালস পরিবর্ধক ব্যবহার করা। আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ পদ্ধতি হল আলোর তীব্রতা কমাতে অ্যামপ্লিফায়ারের মোড এলাকা বাড়ানো।
একক-পাস পরিবর্ধকগুলির জন্য, দক্ষ শক্তি নিষ্কাশন শুধুমাত্র তখনই সম্ভব যদি নাড়ির দৈর্ঘ্য যথেষ্ট দীর্ঘ হয় যাতে শক্তিশালী অরৈখিক প্রভাব না ঘটিয়ে পালস ফ্লাক্সকে স্যাচুরেশন ফ্লাক্স স্তরে পৌঁছাতে দেয়।
আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ারগুলির জন্য বিভিন্ন প্রয়োজনীয়তাগুলি পালস শক্তি, নাড়ির দৈর্ঘ্য, পুনরাবৃত্তির হার, গড় তরঙ্গদৈর্ঘ্য ইত্যাদির পার্থক্যগুলিতে প্রতিফলিত হয়। সেই অনুযায়ী, বিভিন্ন ডিভাইস গ্রহণ করা প্রয়োজন। নীচে বিভিন্ন ধরণের সিস্টেমের জন্য প্রাপ্ত কিছু সাধারণ কর্মক্ষমতা মেট্রিক রয়েছে:
ytterbium-doped ফাইবার পরিবর্ধক 10ps এর পালস ট্রেনকে 100MHz এ 10W এর গড় শক্তিতে প্রসারিত করতে পারে। (এই ক্ষমতা সহ একটি সিস্টেমকে কখনও কখনও একটি আল্ট্রাফাস্ট ফাইবার লেজার হিসাবে উল্লেখ করা হয়, যদিও এটি আসলে একটি মাস্টার অসিলেটর পাওয়ার এম্প্লিফায়ার ডিভাইস।) 10 কিলোওয়াটের সর্বোচ্চ শক্তি বৃহৎ মোড এলাকায় ফাইবার পরিবর্ধক ব্যবহার করে অর্জন করা তুলনামূলকভাবে সহজ। কিন্তু ফেমটোসেকেন্ড ডালগুলির সাথে, এই জাতীয় সিস্টেমের খুব শক্তিশালী অরৈখিক প্রভাব থাকবে। ফেমটোসেকেন্ড ডাল দিয়ে শুরু করে, তারপরে চিপড পালস অ্যামপ্লিফিকেশন, কয়েকটি মাইক্রোজলের শক্তি সহজেই পাওয়া যায়, বা চরম ক্ষেত্রে 1 mJ-এর বেশি। একটি বিকল্প পদ্ধতি হল একটি ফাইবারে একটি প্যারাবোলিক নাড়িকে স্বাভাবিক বিচ্ছুরণ সহ প্রসারিত করা, তারপর নাড়ির বিচ্ছুরণ সংকোচন।
একটি মাল্টি-পাস বাল্ক অ্যামপ্লিফায়ার, যেমন একটি Ti:Sapphire-ভিত্তিক পরিবর্ধক, একটি বৃহৎ মোড এলাকা প্রদান করতে পারে, যার ফলে 1 J এর ক্রম অনুসারে আউটপুট শক্তি পাওয়া যায়, তুলনামূলকভাবে কম পালস পুনরাবৃত্তি হার, যেমন 10 Hz। অরৈখিক প্রভাব দমন করার জন্য কয়েক ন্যানোসেকেন্ড দ্বারা পালস প্রসারিত করা প্রয়োজন। পরে 20fs বলতে সংকুচিত হলে, সর্বোচ্চ শক্তি দশ টেরাওয়াট (TW) এ পৌঁছাতে পারে; সবচেয়ে উন্নত বৃহৎ সিস্টেম 1PW এর চেয়ে বেশি পিক পাওয়ার অর্জন করতে পারে, যা পিকোওয়াটের ক্রম অনুসারে। ছোট সিস্টেম, উদাহরণস্বরূপ, 10 kHz এ 1 mJ ডাল তৈরি করতে পারে। একটি মাল্টিপাস অ্যামপ্লিফায়ারের লাভ সাধারণত 10dB এর অর্ডারে হয়।
একটি ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া পরিবর্ধক dB এর একটি উচ্চ লাভ প্রাপ্ত করা যেতে পারে. উদাহরণস্বরূপ, একটি 1 nJ পালস একটি Ti:Sapphire পজিটিভ ফিডব্যাক পরিবর্ধক ব্যবহার করে 1 mJ এ বিবর্ধিত করা যেতে পারে। উপরন্তু, অরৈখিক প্রভাব দমন করার জন্য একটি চিপড পালস পরিবর্ধক প্রয়োজন।
একটি ytterbium-doped পাতলা-ডিস্ক লেজার হেডের উপর ভিত্তি করে একটি ইতিবাচক প্রতিক্রিয়া পরিবর্ধক ব্যবহার করে, 1 পিএস-এর কম দৈর্ঘ্যের ডালগুলিকে CPA-র প্রয়োজন ছাড়াই কয়েকশো মাইক্রোজুলে বিবর্ধিত করা যেতে পারে।
Q-সুইচড লেজার দ্বারা উত্পন্ন ন্যানোসেকেন্ড ডাল দিয়ে পাম্প করা ফাইবার প্যারামেট্রিক অ্যামপ্লিফায়ারগুলি প্রসারিত পালস শক্তিকে কয়েক মিলিজুলে প্রসারিত করতে পারে। একক-চ্যানেল অপারেশনে বেশ কয়েকটি ডেসিবেলের উচ্চ লাভ অর্জন করা যেতে পারে। বিশেষ ফেজ ম্যাচিং স্ট্রাকচারের জন্য, গেইন ব্যান্ডউইথ অনেক বড়, তাই ডিসপ্রেশন কম্প্রেশনের পরে খুব ছোট পালস পাওয়া যায়।
বাণিজ্যিক আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ার সিস্টেমগুলির কার্যকারিতা বৈশিষ্ট্যগুলি প্রায়শই বৈজ্ঞানিক পরীক্ষায় প্রাপ্ত সর্বোত্তম কর্মক্ষমতার নীচে থাকে। অনেক ক্ষেত্রে, প্রধান কারণ হল পরীক্ষায় নিযুক্ত ডিভাইস এবং কৌশলগুলি প্রায়শই বাণিজ্যিক ডিভাইসগুলিতে প্রয়োগ করা যায় না তাদের স্থিতিশীলতা এবং দৃঢ়তার অভাবের কারণে। উদাহরণস্বরূপ, জটিল অপটিক্যাল ফাইবার সিস্টেমে অপটিক্যাল ফাইবার এবং ফ্রি-স্পেস অপটিক্সের মধ্যে একাধিক ট্রানজিশন প্রক্রিয়া রয়েছে। অল-ফাইবার অ্যামপ্লিফায়ার সিস্টেমগুলি তৈরি করা যেতে পারে, তবে এই সিস্টেমগুলি বাল্ক অপটিক্স নিয়োগকারী সিস্টেমগুলির কার্যকারিতা অর্জন করে না। এমন আরও কিছু ক্ষেত্রে রয়েছে যেখানে অপটিক্স তাদের ক্ষতির থ্রেশহোল্ডের কাছাকাছি কাজ করে; যাইহোক, বাণিজ্যিক ডিভাইসের জন্য, উচ্চ নিরাপত্তা আশ্বাস প্রয়োজন। আরেকটি সমস্যা হল কিছু বিশেষ উপকরণ প্রয়োজন, যা পাওয়া খুবই কঠিন।

আবেদন:
আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ারগুলির অনেকগুলি অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে:
মৌলিক গবেষণার জন্য অনেক ডিভাইস ব্যবহার করা হয়। তারা শক্তিশালী অরৈখিক প্রক্রিয়াগুলির জন্য শক্তিশালী ডাল সরবরাহ করতে পারে, যেমন উচ্চ-অর্ডার হারমোনিক জেনারেশন, বা কণাকে খুব উচ্চ শক্তিতে ত্বরান্বিত করতে।
লেজার-প্ররোচিত ফিউশন (ইনর্শিয়াল কনফিনমেন্ট ফিউশন, দ্রুত ইগনিশন) গবেষণায় বড় আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ার ব্যবহার করা হয়।
মিলিজুলে শক্তি সহ পিকোসেকেন্ড বা ফেমটোসেকেন্ড ডালগুলি নির্ভুল মেশিনে উপকারী। উদাহরণস্বরূপ, খুব ছোট ডাল পাতলা ধাতব শীটগুলির খুব সূক্ষ্ম এবং সঠিক কাটার অনুমতি দেয়।
আল্ট্রাফাস্ট অ্যামপ্লিফায়ার সিস্টেমগুলি তাদের জটিলতা এবং উচ্চ মূল্যের কারণে এবং কখনও কখনও তাদের দৃঢ়তার অভাবের কারণে শিল্পে প্রয়োগ করা কঠিন। এই ক্ষেত্রে, পরিস্থিতির উন্নতির জন্য আরও প্রযুক্তিগতভাবে উন্নত উন্নয়ন প্রয়োজন।