الٹرا فاسٹ یمپلیفائر

تعریف: ایک یمپلیفائر جو الٹرا شارٹ آپٹیکل دالوں کو بڑھاتا ہے۔
الٹرا فاسٹ ایمپلیفائر آپٹیکل ایمپلیفائر ہیں جو الٹرا شارٹ دالوں کو بڑھانے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ کچھ الٹرا فاسٹ ایمپلیفائرز کا استعمال ہائی ریپیٹیشن ریٹ پلس ٹرینوں کو بڑھانے کے لیے بہت زیادہ اوسط پاور حاصل کرنے کے لیے کیا جاتا ہے جب کہ نبض کی انرجی اب بھی اعتدال کی سطح پر ہے، دوسری صورتوں میں کم ریپیٹیشن ریٹ والی دالیں زیادہ فائدہ حاصل کرتی ہیں اور بہت زیادہ دالوں کی توانائی اور نسبتاً بڑی چوٹی کی طاقت حاصل کرتی ہیں۔ جب یہ شدید دالیں کچھ اہداف پر مرکوز ہوتی ہیں تو روشنی کی بہت زیادہ شدت حاصل ہوتی ہے، بعض اوقات 1016âW/cm2 سے بھی زیادہ۔
مثال کے طور پر، 100 میگاہرٹز، 100 ایف ایس کی لمبائی، اور 0.1 ڈبلیو کی اوسط طاقت کے ساتھ موڈ لاکڈ لیزر کے آؤٹ پٹ پر غور کریں۔ تو نبض کی توانائی 0.1W/100MHz=1nJ ہے، اور چوٹی کی طاقت 10kW سے کم ہے (نبض کی شکل سے متعلق)۔ ایک ہائی پاور ایمپلیفائر، پوری نبض پر کام کرتا ہے، اپنی اوسط طاقت کو 10W تک بڑھا سکتا ہے، اس طرح نبض کی توانائی 100nJ تک بڑھ جاتی ہے۔ متبادل طور پر، پلس پک اپ کو ایمپلیفائر سے پہلے استعمال کیا جا سکتا ہے تاکہ نبض کی تکرار کی شرح کو 1 کلو ہرٹز تک کم کیا جا سکے۔ اگر ہائی پاور ایمپلیفائر اب بھی اوسط پاور کو 10W تک بڑھاتا ہے، تو اس وقت نبض کی توانائی 10mJ ہے، اور چوٹی کی طاقت 100GW تک پہنچ سکتی ہے۔

الٹرا فاسٹ ایمپلیفائرز کے لیے خصوصی تقاضے:
آپٹیکل ایمپلیفائر کی معمول کی تکنیکی تفصیلات کے علاوہ، الٹرا فاسٹ ڈیوائسز کو اضافی مسائل کا سامنا کرنا پڑتا ہے:
خاص طور پر اعلی توانائی کے نظام کے لیے، یمپلیفائر کا فائدہ بہت بڑا ہونا چاہیے۔ اوپر زیر بحث آئنوں میں، 70dB تک کا فائدہ درکار ہے۔ چونکہ سنگل پاس ایمپلیفائر فائدہ میں محدود ہیں، اس لیے عام طور پر ملٹی چینل آپریشن کا استعمال کیا جاتا ہے۔ مثبت فیڈ بیک یمپلیفائر کے ساتھ بہت زیادہ فوائد حاصل کیے جا سکتے ہیں۔ اس کے علاوہ، ملٹی اسٹیج ایمپلیفائرز (ایمپلیفائر چینز) اکثر استعمال کیے جاتے ہیں، جہاں پہلا مرحلہ زیادہ فائدہ فراہم کرتا ہے اور آخری مرحلہ اعلی نبض کی توانائی اور موثر توانائی کے اخراج کے لیے موزوں ہے۔
زیادہ فائدہ کا مطلب بھی عام طور پر بیک سے منعکس ہونے والی روشنی کے لیے زیادہ حساسیت (مثبت فیڈ بیک ایمپلیفائرز کے علاوہ) اور ایمپلیفائیڈ اچانک اخراج (ASE) پیدا کرنے کا زیادہ رجحان ہے۔ ایک خاص حد تک، ASE کو امپلیفائر کے دو مراحل کے درمیان ایک آپٹیکل سوئچ (ایکوسٹو-آپٹیکل ماڈیولیٹر) رکھ کر دبایا جا سکتا ہے۔ یہ سوئچ صرف ایمپلیفائیڈ پلس کی چوٹی کے ارد گرد بہت کم وقت کے وقفوں کے لیے کھلتے ہیں۔ تاہم، اس وقت کا وقفہ نبض کی لمبائی کے مقابلے میں اب بھی طویل ہے، اس لیے نبض کے قریب ASE پس منظر کے شور کو دبانے کا امکان نہیں ہے۔ آپٹیکل پیرامیٹرک ایمپلیفائر اس سلسلے میں بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں کیونکہ وہ تب ہی فائدہ فراہم کرتے ہیں جب پمپ کی نبض گزر جاتی ہے۔ بیک پروپیگیٹنگ روشنی کو بڑھاوا نہیں دیا جاتا ہے۔
الٹرا شارٹ دالوں میں اہم بینڈوتھ ہوتی ہے، جسے ایمپلیفائر میں حاصل کرنے والے اثر سے کم کیا جا سکتا ہے، اس طرح پلس کی لمبائی لمبی ہوتی ہے۔ جب نبض کی لمبائی دسیوں فیمٹو سیکنڈز سے کم ہوتی ہے، تو الٹرا وائیڈ بینڈ ایمپلیفائر کی ضرورت ہوتی ہے۔ گین تنگ کرنا خاص طور پر ہائی گین سسٹم میں اہم ہے۔
خاص طور پر اعلی نبض کی توانائیوں والے نظاموں کے لیے، مختلف نان لکیری اثرات نبض کی وقتی اور مقامی شکل کو بگاڑ سکتے ہیں، اور خود فوکس کرنے والے اثرات کی وجہ سے یمپلیفائر کو بھی نقصان پہنچا سکتے ہیں۔ اس اثر کو دبانے کا ایک مؤثر طریقہ یہ ہے کہ ایک چیرپڈ پلس ایمپلیفائر (CPA) کا استعمال کیا جائے، جہاں نبض کو پہلے پھیلاؤ کو چوڑا کیا جاتا ہے، مثال کے طور پر، 1 ns، پھر بڑھا دیا جاتا ہے، اور آخر میں ڈسپریشن کمپریسڈ ہوتا ہے۔ ایک اور کم عام متبادل ذیلی پلس یمپلیفائر کا استعمال کرنا ہے۔ ایک اور اہم طریقہ روشنی کی شدت کو کم کرنے کے لیے ایمپلیفائر کے موڈ ایریا کو بڑھانا ہے۔
سنگل پاس ایمپلیفائرز کے لیے، موثر توانائی نکالنا صرف اسی صورت میں ممکن ہے جب نبض کی لمبائی اتنی لمبی ہو کہ نبض کے بہاؤ کو مضبوط نان لائنر اثرات پیدا کیے بغیر سنترپتی بہاؤ کی سطح تک پہنچ سکے۔
الٹرا فاسٹ ایمپلیفائرز کے لیے مختلف تقاضے نبض کی توانائی، نبض کی لمبائی، تکرار کی شرح، اوسط طول موج وغیرہ میں فرق سے ظاہر ہوتے ہیں۔ اسی مناسبت سے مختلف آلات کو اپنانے کی ضرورت ہے۔ ذیل میں مختلف قسم کے سسٹمز کے لیے حاصل کردہ کچھ عام کارکردگی کی پیمائشیں ہیں:
ytterbium-doped فائبر یمپلیفائر 10ps کی پلس ٹرین کو 100MHz پر 10W کی اوسط طاقت تک بڑھا سکتا ہے۔ (اس صلاحیت کے حامل سسٹم کو بعض اوقات الٹرا فاسٹ فائبر لیزر بھی کہا جاتا ہے، حالانکہ یہ اصل میں ایک ماسٹر اوسیلیٹر پاور ایمپلیفائر ڈیوائس ہے۔) بڑے موڈ ایریاز کے ساتھ فائبر ایمپلیفائر کا استعمال کرتے ہوئے 10 کلو واٹ کی چوٹی کی طاقتیں نسبتاً آسان ہیں۔ لیکن فیمٹوسیکنڈ دالوں کے ساتھ، اس طرح کے نظام کے بہت مضبوط غیر لکیری اثرات ہوں گے۔ فیمٹوسیکنڈ دالوں کے ساتھ شروع کرتے ہوئے، اس کے بعد چیرپڈ پلس ایمپلیفیکیشن، چند مائیکرو جولز کی توانائیاں آسانی سے حاصل کی جا سکتی ہیں، یا انتہائی صورتوں میں 1 ایم جے سے زیادہ۔ ایک متبادل نقطہ نظر یہ ہے کہ ایک پیرابولک نبض کو فائبر میں عام بازی کے ساتھ بڑھایا جائے، جس کے بعد نبض کی بازی کمپریشن ہوتی ہے۔
ایک ملٹی پاس بلک ایمپلیفائر، جیسا کہ Ti:Sapphire-based amplifier، ایک بڑا موڈ ایریا فراہم کر سکتا ہے، جس کے نتیجے میں 1 J کے آرڈر پر آؤٹ پٹ توانائیاں، نسبتاً کم نبض کی تکرار کی شرح، جیسے کہ 10 Hz۔ نان لائنر اثرات کو دبانے کے لیے نبض کو چند نینو سیکنڈز تک کھینچنا ضروری ہے۔ بعد میں 20fs کہنے کے لیے سکیڑ کر، چوٹی کی طاقت دسیوں ٹیرا واٹس (TW) تک پہنچ سکتی ہے۔ جدید ترین بڑے سسٹمز 1PW ​​سے زیادہ چوٹی کی طاقت حاصل کر سکتے ہیں، جو کہ picowats کے حکم پر ہے۔ چھوٹے نظام، مثال کے طور پر، 10 kHz پر 1 mJ دالیں پیدا کر سکتے ہیں۔ ملٹی پاس ایمپلیفائر کا حاصل عام طور پر 10dB کے آرڈر پر ہوتا ہے۔
دسیوں ڈی بی کا زیادہ فائدہ مثبت فیڈ بیک یمپلیفائر میں حاصل کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، Ti:Sapphire مثبت فیڈ بیک یمپلیفائر کا استعمال کرتے ہوئے 1 nJ پلس کو 1 mJ تک بڑھایا جا سکتا ہے۔ اس کے علاوہ، غیر لکیری اثرات کو دبانے کے لیے ایک چہچہاتی پلس ایمپلیفائر کی ضرورت ہوتی ہے۔
ytterbium-doped پتلی ڈسک لیزر ہیڈ پر مبنی ایک مثبت فیڈ بیک یمپلیفائر کا استعمال کرتے ہوئے، 1 ps سے کم لمبائی والی دالوں کو بغیر CPA کی ضرورت کے کئی سو مائیکرو جولز تک بڑھایا جا سکتا ہے۔
Q-switched lasers کے ذریعے پیدا ہونے والی نینو سیکنڈ پلس کے ساتھ پمپ کیے گئے فائبر پیرامیٹرک ایمپلیفائرز کھینچی ہوئی نبض کی توانائی کو کئی ملی جولز تک بڑھا سکتے ہیں۔ سنگل چینل آپریشن میں کئی ڈیسیبلز کا زیادہ فائدہ حاصل کیا جا سکتا ہے۔ خصوصی فیز میچنگ ڈھانچے کے لیے، گین بینڈوڈتھ بہت بڑی ہوتی ہے، اس لیے ڈسپریشن کمپریشن کے بعد ایک بہت ہی مختصر نبض حاصل کی جا سکتی ہے۔
تجارتی الٹرا فاسٹ ایمپلیفائر سسٹمز کی کارکردگی کی وضاحتیں اکثر سائنسی تجربات میں حاصل کی گئی بہترین کارکردگی سے کافی نیچے ہوتی ہیں۔ بہت سے معاملات میں، اس کی بنیادی وجہ یہ ہے کہ تجربات میں استعمال ہونے والے آلات اور تکنیکوں کو اکثر تجارتی آلات پر لاگو نہیں کیا جا سکتا کیونکہ ان میں استحکام اور مضبوطی کی کمی ہے۔ مثال کے طور پر، پیچیدہ آپٹیکل فائبر سسٹمز آپٹیکل فائبرز اور فری اسپیس آپٹکس کے درمیان متعدد منتقلی کے عمل پر مشتمل ہوتے ہیں۔ آل فائبر ایمپلیفائر سسٹمز بنائے جاسکتے ہیں، لیکن یہ سسٹم بلک آپٹکس کو استعمال کرنے والے سسٹمز کی کارکردگی کو حاصل نہیں کرتے۔ ایسی دوسری صورتیں ہیں جہاں آپٹکس اپنے نقصان کی دہلیز کے قریب کام کرتی ہیں۔ تاہم، تجارتی آلات کے لیے، اعلیٰ حفاظتی یقین دہانیوں کی ضرورت ہے۔ ایک اور مسئلہ یہ ہے کہ کچھ خاص مواد کی ضرورت ہوتی ہے، جنہیں حاصل کرنا بہت مشکل ہوتا ہے۔

درخواست:
الٹرا فاسٹ ایمپلیفائر میں بہت سی ایپلی کیشنز ہیں:
بہت سے آلات بنیادی تحقیق کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ وہ مضبوط نان لائنر عمل کے لیے مضبوط دالیں فراہم کر سکتے ہیں، جیسے کہ ہائی آرڈر ہارمونک جنریشن، یا ذرات کو بہت زیادہ توانائیوں تک تیز کرنے کے لیے۔
بڑے الٹرا فاسٹ ایمپلیفائر لیزر انڈسڈ فیوژن (Inertial confinement fusion، fast ignition) کے لیے تحقیق میں استعمال کیے جاتے ہیں۔
ملیجولز میں توانائی کے ساتھ Picosecond یا femtosecond کی دالیں درست مشینی میں فائدہ مند ہیں۔ مثال کے طور پر، بہت مختصر دالیں دھات کی پتلی چادروں کو بہت باریک اور درست کاٹنے کی اجازت دیتی ہیں۔
الٹرا فاسٹ ایمپلیفائر سسٹم اپنی پیچیدگی اور زیادہ قیمت کی وجہ سے اور بعض اوقات ان کی مضبوطی کی کمی کی وجہ سے صنعت میں لاگو کرنا مشکل ہوتا ہے۔ اس صورت میں، صورتحال کو بہتر بنانے کے لیے مزید تکنیکی ترقی کی ضرورت ہے۔