အလွန်မြန်သော အသံချဲ့စက်

အဓိပ္ပာယ်ဖွင့်ဆိုချက်- အလွန်တိုတောင်းသော optical ပဲမျိုးစုံကို ချဲ့ထွင်ပေးသည့် အသံချဲ့စက်။
Ultrafast amplifier များသည် ultrashort pulses ကိုချဲ့ထွင်ရန်အတွက်အသုံးပြုသော optical amplifiers များဖြစ်သည်။ အချို့သော ultrafast amplifier များကို အလွန်မြင့်မားသော ပျမ်းမျှပါဝါရရှိရန် မြင့်မားသော ထပ်ခါတလဲလဲနှုန်း pulse ရထားများကို ချဲ့ထွင်ရန်အတွက် pulse စွမ်းအင်သည် အလယ်အလတ်အဆင့်တွင်ရှိနေဆဲဖြစ်ပြီး၊ အခြားအခြေအနေများတွင် ထပ်တလဲလဲနှုန်းနိမ့်သော pulses များပိုမိုရရှိပြီး အလွန်မြင့်မားသော pulses စွမ်းအင်နှင့် အတော်လေးကြီးမားသော peak power ကိုရရှိရန်အသုံးပြုပါသည်။ ဤပြင်းထန်သော ပဲမျိုးစုံများသည် အချို့သော ပစ်မှတ်များကို အာရုံစိုက်သောအခါ၊ အလွန်မြင့်မားသော အလင်းပြင်းအားကို ရရှိသည်၊ တစ်ခါတစ်ရံတွင် 1016â¢ှာW/cm2 ထက်ပင် ကြီးမားပါသည်။
ဥပမာအနေဖြင့်၊ သွေးခုန်နှုန်း 100 MHz၊ အလျား 100 fs နှင့် ပျမ်းမျှစွမ်းအား 0.1 W. ထို့ကြောင့် သွေးခုန်နှုန်း 0.1W/100MHz = 1nJ ရှိသော မုဒ်လော့ခ်ချထားသော လေဆာ၏ အထွက်ကို သုံးသပ်ကြည့်ပါ peak power သည် 10kW ထက်နည်းသည် (သွေးခုန်နှုန်းပုံသဏ္ဍာန်နှင့်ဆက်စပ်သည်)။ မြင့်မားသောပါဝါအသံချဲ့စက်သည် pulse တစ်ခုလုံးပေါ်တွင်လုပ်ဆောင်သော၊ ၎င်း၏ပျမ်းမျှပါဝါကို 10W သို့တိုးမြှင့်နိုင်ပြီး၊ ထို့ကြောင့် pulse စွမ်းအင်ကို 100nJ အထိတိုးစေသည်။ တနည်းအားဖြင့် သွေးခုန်နှုန်း ထပ်တလဲလဲနှုန်းကို 1 kHz အထိ လျှော့ချရန် အသံချဲ့စက်ရှေ့တွင် သွေးခုန်နှုန်း ပစ်ကပ်ကို အသုံးပြုနိုင်သည်။ ပါဝါမြင့်သော အသံချဲ့စက်သည် ပျမ်းမျှ ပါဝါကို 10W သို့ တိုးမြှင့်ထားပါက၊ ထိုအချိန်တွင် pulse စွမ်းအင်သည် 10mJ ဖြစ်ပြီး အမြင့်ဆုံးပါဝါသည် 100GW သို့ ရောက်ရှိနိုင်သည်။

အလွန်မြန်သော အသံချဲ့စက်များအတွက် အထူးလိုအပ်ချက်များ-
optical amplifiers များ၏ ပုံမှန်နည်းပညာဆိုင်ရာ အသေးစိတ်အချက်အလက်များအပြင်၊ ultrafast ကိရိယာများသည် နောက်ထပ်ပြဿနာများနှင့် ရင်ဆိုင်ရနိုင်သည်-
အထူးသဖြင့် စွမ်းအင်မြင့်စနစ်များအတွက်၊ အသံချဲ့စက်၏ အမြတ်သည် အလွန်ကြီးမားရမည်။ အထက်ဖော်ပြပါ အိုင်းယွန်းများတွင် 70dB အထိ တိုးရန် လိုအပ်သည်။ Single-pass အသံချဲ့စက်များသည် အမြတ်အစွန်းတွင် အကန့်အသတ်ရှိသောကြောင့်၊ Multi-channel လုပ်ဆောင်မှုကို အများအားဖြင့် အသုံးပြုကြသည်။ အပြုသဘောဆောင်သောတုံ့ပြန်ချက်အသံချဲ့စက်များဖြင့်အလွန်မြင့်မားသောအမြတ်အစွန်းများကိုရရှိနိုင်သည်။ ထို့အပြင်၊ အဆင့်များစွာရှိသော အသံချဲ့စက်များ (အသံချဲ့စက်ကွင်းဆက်များ) ကို မကြာခဏအသုံးပြုလေ့ရှိပြီး ပထမအဆင့်သည် မြင့်မားသောအမြတ်ရရှိစေပြီး နောက်ဆုံးအဆင့်သည် သွေးခုန်နှုန်းမြင့်မားပြီး ထိရောက်သောစွမ်းအင်ထုတ်ယူမှုအတွက် အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင်ပြုလုပ်ထားသည်။
မြင့်မားသောအမြတ်သည် ယေဘူယျအားဖြင့် နောက်ပြန်ရောင်ပြန်ဟပ်သည့်အလင်းရောင် (အပြုသဘောဆောင်သော တုံ့ပြန်ချက်အသံချဲ့စက်များမှလွဲ၍) နှင့် ချဲ့ထွင်ထားသော အလိုအလျောက်ထုတ်လွှတ်မှု (ASE) ကို ပိုမိုကောင်းမွန်သော သဘောထားကို ဆိုလိုသည်။ အတိုင်းအတာတစ်ခုအထိ၊ အသံချဲ့စက်များ၏ အဆင့်နှစ်ခုကြားတွင် optical switch (acousto-optical modulator) ကို ထားရှိခြင်းဖြင့် ASE ကို ဖိနှိပ်နိုင်သည်။ ဤခလုတ်များသည် ချဲ့ထွင်ထားသော သွေးခုန်နှုန်း၏ အထွတ်အထိပ်တဝိုက်တွင် အချိန်တိုအတွင်းသာ ဖွင့်ပါသည်။ သို့သော်၊ ဤအချိန်ကြားကာလသည် သွေးခုန်နှုန်းအရှည်နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ရှည်နေသေးသည်၊ ထို့ကြောင့် သွေးခုန်နှုန်းအနီး ASE နောက်ခံဆူညံမှုကို နှိမ်နှင်းရန်မှာ မဖြစ်နိုင်ပေ။ Optical parametric amplifier များသည် pump pulse ဖြတ်သွားသောအခါတွင်သာ အမြတ်များပေးသောကြောင့် ဤကိစ္စတွင် ပိုမိုကောင်းမွန်ပါသည်။ နောက်ကြောင်းပြန်ဖြန့်သည့်အလင်းရောင်ကို ချဲ့မထားပါ။
Ultrashort pulses များတွင် သိသာထင်ရှားသော bandwidth ရှိသည်၊ ၎င်းသည် amplifier တွင် gain-narrowing effect ဖြင့် လျှော့ချနိုင်ပြီး၊ ထို့ကြောင့် ပိုရှည်သော amplified pulse length ကို ဖြစ်ပေါ်စေပါသည်။ သွေးခုန်နှုန်းသည် ဆယ်ဂဏန်း femtoseconds ထက်နည်းသောအခါ၊ ultra-wideband အသံချဲ့စက် လိုအပ်သည်။ အမြတ်အစွန်းများသော စနစ်များတွင် အမြတ်နည်းခြင်းသည် အထူးအရေးကြီးပါသည်။
အထူးသဖြင့် သွေးခုန်နှုန်းမြင့်သော စွမ်းအင်ရှိသော စနစ်များအတွက်၊ အမျိုးမျိုးသော လိုင်းမဟုတ်သော အကျိုးသက်ရောက်မှုများသည် သွေးခုန်နှုန်း၏ ယာယီနှင့် spatial ပုံသဏ္ဍာန်ကို ကမောက်ကမဖြစ်စေနိုင်ပြီး ကိုယ်တိုင်အာရုံစူးစိုက်နိုင်သော အကျိုးသက်ရောက်မှုများကြောင့် အသံချဲ့စက်ကိုပင် ပျက်စီးစေသည်။ ဤအကျိုးသက်ရောက်မှုကို ဖိနှိပ်ရန် ထိရောက်သောနည်းလမ်းမှာ chirped pulse amplifier (CPA) ကိုအသုံးပြုပြီး pulse သည် ပထမပြန့်နှံ့သွားသည့်အရှည်အထိ ကျယ်ပြန့်လာကာ ဥပမာ၊ 1 ns၊ ထို့နောက် ချဲ့ပြီး နောက်ဆုံးတွင် dispersion compressed ဖြစ်သည်။ နောက်ထပ် အသုံးနည်းသော အခြားရွေးချယ်စရာမှာ သွေးခုန်နှုန်းခွဲ အသံချဲ့စက်ကို အသုံးပြုခြင်းဖြစ်သည်။ နောက်ထပ်အရေးကြီးသောနည်းလမ်းမှာ အလင်းပြင်းအားကိုလျှော့ချရန် အသံချဲ့စက်၏မုဒ်ဧရိယာကို တိုးမြှင့်ရန်ဖြစ်သည်။
single-pass amplifiers များအတွက်၊ pulse length သည် ပြင်းထန်သော nonlinear သက်ရောက်မှုများမဖြစ်စေဘဲ pulse flux သို့ရောက်ရှိရန် pulse flux လုံလောက်စွာရှည်နေမှသာ ထိရောက်သောစွမ်းအင်ထုတ်ယူနိုင်မည်ဖြစ်ပါသည်။
အလွန်မြန်သော အသံချဲ့စက်များအတွက် မတူညီသော လိုအပ်ချက်များသည် သွေးခုန်နှုန်း စွမ်းအင်၊ သွေးခုန်နှုန်း အလျား၊ ထပ်တလဲလဲနှုန်း၊ ပျမ်းမျှ လှိုင်းအလျား စသည်တို့တွင် ကွဲပြားမှုများတွင် ထင်ဟပ်ပါသည်။ ထို့ကြောင့် မတူညီသော စက်များကို လက်ခံကျင့်သုံးရန် လိုအပ်ပါသည်။ အောက်ပါတို့သည် စနစ်အမျိုးမျိုးအတွက်ရရှိသော ပုံမှန်စွမ်းဆောင်ရည်တိုင်းတာမှုအချို့ဖြစ်သည်-
ytterbium-doped fiber amplifier သည် 10ps ၏ 100MHz တွင် pulse train ကို ပျမ်းမျှ power 10W သို့ ချဲ့နိုင်သည်။ (ဤစွမ်းရည်ပါသည့်စနစ်အား တစ်ခါတစ်ရံတွင် ultrafast fiber လေဆာအဖြစ် ရည်ညွှန်းလေ့ရှိသည်၊ ၎င်းသည် အမှန်တကယ်ပင် master oscillator power amplifier device ပင်ဖြစ်ပါသည်။) Peak power 10 kW သည် ကြီးမားသော mode area ရှိသော fiber amplifiers ကိုအသုံးပြု၍ ရရှိရန် အတော်လေးလွယ်ကူပါသည်။ သို့သော် femtosecond pulses ဖြင့်၊ ထိုစနစ်သည် အလွန်ပြင်းထန်သော လိုင်းမဟုတ်သော အကျိုးသက်ရောက်မှုများ ရှိလိမ့်မည်။ femtosecond pulses ဖြင့် စတင်ကာ chirped pulse amplification ဖြင့်၊ microjoules အနည်းငယ်၏ စွမ်းအင်များကို အလွယ်တကူ ရရှိနိုင်သည်၊ သို့မဟုတ် 1 mJ ထက်ကြီးသော လွန်ကဲသော ကိစ္စများတွင်၊ အခြားနည်းလမ်းတစ်ခုမှာ အမျှင်တွင် ပါရာဘော်လစ်သွေးခုန်နှုန်းကို ပုံမှန်ပျံ့လွင့်မှုဖြင့် ချဲ့ထွင်ရန်ဖြစ်ပြီး၊ ထို့နောက်တွင် သွေးခုန်နှုန်းပျံ့နှံ့မှုကို ဖိသိပ်ခြင်းဖြင့် ချဲ့ထွင်ရန်ဖြစ်သည်။
Ti:Sapphire-based amplifier ကဲ့သို့ multi-pass bulk amplifier သည် 10 Hz ကဲ့သို့ အတန်ငယ်နိမ့်သော pulse ထပ်တလဲလဲနှုန်းဖြင့် 1 J ၏ အစီစဥ်တွင် အထွက်စွမ်းအင်များဖြစ်ပေါ်စေသည့် ကြီးမားသောမုဒ်ဧရိယာကို ပေးစွမ်းနိုင်သည်။ လိုင်းမဟုတ်သောသက်ရောက်မှုများကို ဖိနှိပ်ရန်အတွက် နာနိုစက္ကန့်အနည်းငယ်ဖြင့် သွေးခုန်နှုန်းကို ဆန့်ထုတ်ရန် လိုအပ်ပါသည်။ 20fs ဟုပြောရန် နောက်ပိုင်းတွင် ဖိသိပ်ထားသော်လည်း peak power သည် tens of terawatts (TW); အဆင့်မြင့်ဆုံး ကြီးမားသော စနစ်များသည် picowatts ၏ အစီအစဥ်ဖြစ်သည့် 1PW ထက် အမြင့်ဆုံး ပါဝါကို ရရှိနိုင်သည်။ ဥပမာအားဖြင့် သေးငယ်သော စနစ်များသည် 1 mJ ပဲမျိုးစုံကို 10 kHz တွင် ထုတ်ပေးနိုင်သည်။ Multipass အသံချဲ့စက်၏ အမြတ်သည် အများအားဖြင့် 10dB ၏ အစီအစဥ်တွင် ဖြစ်သည်။
အပြုသဘောဆောင်သော တုံ့ပြန်ချက်အသံချဲ့စက်ဖြင့် ဆယ်ဂဏန်း dB မြင့်မားစွာ ရရှိနိုင်သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ Ti:Sapphire positive feedback amplifier ကို အသုံးပြု၍ 1 nJ pulse ကို 1 mJ သို့ ချဲ့နိုင်သည်။ ထို့အပြင်၊ linear မဟုတ်သောသက်ရောက်မှုများကိုဖိနှိပ်ရန် chirped pulse amplifier လိုအပ်ပါသည်။
ytterbium-doped thin-disk လေဆာခေါင်းကို အခြေခံ၍ အပြုသဘောဆောင်သော တုံ့ပြန်ချက် အသံချဲ့စက်ကို အသုံးပြု၍ CPA မလိုအပ်ဘဲ 1 ps အောက်ရှိသော ပဲမျိုးစုံများကို ရာဂဏန်းအထိ ချဲ့ထွင်နိုင်သည်။
Q-ပြောင်းထားသော လေဆာများဖြင့် ထုတ်ပေးသော နာနိုစက္ကန့်ပဲမျိုးစုံဖြင့် စုပ်ယူထားသော ဖိုက်ဘာပါရာမက်ထရစ် အမ်ပလီဘာများသည် ဆန့်ထုတ်ထားသော သွေးခုန်နှုန်းအား မီလီဂျူးများစွာအထိ ချဲ့ထွင်နိုင်သည်။ လိုင်းတစ်ခုတည်းလုပ်ဆောင်မှုတွင် ဒက်စီဘယ်များစွာ၏ မြင့်မားသောအမြတ်ကို ရရှိနိုင်သည်။ အထူးအဆင့်လိုက်ဖက်သောဖွဲ့စည်းပုံများအတွက်၊ အမြတ် bandwidth သည် အလွန်ကြီးမားသောကြောင့် dispersion compression ပြီးနောက် အလွန်တိုတောင်းသော pulse ကို ရရှိနိုင်သည်။
စီးပွားဖြစ် ultrafast အသံချဲ့စက်စနစ်များ၏ စွမ်းဆောင်ရည် သတ်မှတ်ချက်များသည် သိပ္ပံနည်းကျ စမ်းသပ်မှုများတွင် ရရှိသော အကောင်းဆုံးစွမ်းဆောင်ရည်အောက် မကြာခဏ ရောက်နေပါသည်။ ဖြစ်ရပ်များစွာတွင် အဓိကအကြောင်းရင်းမှာ လက်တွေ့စမ်းသပ်မှုတွင် အသုံးပြုသည့် စက်ပစ္စည်းများနှင့် နည်းပညာများကို ၎င်းတို့၏ တည်ငြိမ်မှုနှင့် ကြံ့ခိုင်မှု မရှိခြင်းကြောင့် စီးပွားဖြစ်စက်ပစ္စည်းများတွင် မကြာခဏ အသုံးပြုနိုင်ခြင်းကြောင့် ဖြစ်သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ ရှုပ်ထွေးသော optical fiber စနစ်များတွင် optical fibers နှင့် free-space optics များကြားတွင် အသွင်ကူးပြောင်းမှုဖြစ်စဉ်များစွာ ပါဝင်ပါသည်။ ဖိုင်ဘာအသံချဲ့စက်စနစ်များအားလုံးကို တည်ဆောက်နိုင်သော်လည်း ဤစနစ်များသည် အများအပြား optics ကိုအသုံးပြုသည့်စနစ်များ၏စွမ်းဆောင်ရည်ကို မအောင်မြင်နိုင်ပါ။ ၎င်းတို့၏ ပျက်စီးမှုအဆင့်များအနီးတွင် optics လည်ပတ်သည့် အခြားကိစ္စများ ရှိပါသည်။ သို့သော်၊ လုပ်ငန်းသုံးစက်ပစ္စည်းများအတွက်၊ ပိုမိုလုံခြုံစိတ်ချရမှုအာမခံချက်လိုအပ်ပါသည်။ အခြားပြဿနာမှာ အချို့သော အထူးပစ္စည်းများ လိုအပ်သောကြောင့် ရရှိရန် အလွန်ခက်ခဲသည်။

လျှောက်လွှာ
Ultrafast အသံချဲ့စက်များတွင် အပလီကေးရှင်းများစွာရှိသည်။
စက်ပစ္စည်းအများအပြားကို အခြေခံသုတေသနအတွက် အသုံးပြုကြသည်။ ၎င်းတို့သည် မြင့်မားသော ဟာမိုနီထုတ်လုပ်ခြင်းကဲ့သို့သော ပြင်းထန်သော လိုင်းမဟုတ်သော လုပ်ငန်းစဉ်များအတွက် ခိုင်ခံ့သောပဲမျိုးစုံကို ထောက်ပံ့ပေးနိုင်သည် သို့မဟုတ် အမှုန်များကို အလွန်မြင့်မားသော စွမ်းအင်များဆီသို့ အရှိန်မြှင့်ပေးနိုင်သည်။
ကြီးမားသော အလွန်လျင်မြန်သော အသံချဲ့စက်များကို လေဆာဖြင့် ပေါင်းစပ်ထားသော ပေါင်းစပ်မှု (inertial confinement fusion၊ အမြန် ignition) အတွက် သုတေသနတွင် အသုံးပြုပါသည်။
millijoules တွင် စွမ်းအင်ရှိသော Picosecond သို့မဟုတ် femtosecond pulses များသည် တိကျစွာ စက်ပြုလုပ်ရာတွင် အကျိုးရှိသည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ အလွန်တိုတောင်းသော ပဲမျိုးစုံများသည် ပါးလွှာသော သတ္တုစာရွက်များကို အလွန်ကောင်းမွန်ပြီး တိကျစွာ ဖြတ်တောက်နိုင်စေပါသည်။
Ultrafast အသံချဲ့စက်စနစ်များသည် ၎င်းတို့၏ ရှုပ်ထွေးမှုနှင့် ဈေးနှုန်းမြင့်မားမှုကြောင့် လုပ်ငန်းတွင် အကောင်အထည်ဖော်ရန် ခက်ခဲပြီး တစ်ခါတစ်ရံတွင် ၎င်းတို့၏ ကြံ့ခိုင်မှု မရှိခြင်းကြောင့် ဖြစ်သည်။ ဤအခြေအနေမျိုးတွင် အခြေအနေကို မြှင့်တင်ရန်အတွက် နည်းပညာများ ပိုမိုအဆင့်မြင့်သော ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှုများ လိုအပ်ပါသည်။