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正反馈放大器(regenerative amplifiers)

定义：
光放大器中存在谐振腔，于是光脉冲在耦合出去之前在腔内可以循环很多圈。

正反馈放大器是用来将光脉冲放大的装置，通常超短脉冲长度在皮秒或者飞秒量级（参阅超快放大器）。将增益介质放在谐振腔中，可以多次通过增益介质（通常是固态介质），再加上一个光开关，是采用电光调制器和偏振器实现的。可以通过光开关来控制在谐振腔中循环的圈数，可以非常大，这样总体的放大因子可以非常高。 
尽管脉冲在正反馈放大器中多次通过增益介质，但是多通放大器还是指具有确定通道数目的装置，根据光束路径的几何性质来得到的，而不是采用光开关。将正反馈放大器看做是一个多通放大器也是非常自然的。 
 
图1：皮秒正反馈放大器装置图。泡克尔斯盒，与四分之一玻片和薄膜偏振片起着光开关的作用。法拉第旋镜用来分来入射和出射脉冲。 

正反馈放大器的工作原理 
正反馈的工作原理可以从如下方面来理解： 
  • 首先，增益介质先被泵浦一段时间，可以收集一些能量。 
  • 然后，第一束脉冲通过由电光效应开关（或者声光效应）控制的短暂开放（小于脉冲在腔内循环一圈的时间）的端口进入谐振腔。 
  • 这束脉冲在谐振腔中循环多次（可能上百次），被放大到一个很高的能量量级。 
  • 最后，脉冲从谐振腔中释放出来。这可以通过采用第二个电光开关，或者可以采用将它耦合进去的开关。 
这一工作原理使采用中等大小的放大器就可以得到很高的增益，并且脉冲能量达到毫焦耳量级，采用更大的装置则能得到更高的能量。典型的脉冲重复速率在1kHz量级（也可能达到几百个kHz），在较低的重复速率时可以得到最高的脉冲能量。 
注意种子激光器通常是锁模激光器，它的脉冲重复率非常高，例如几百个兆赫兹，只有非常少数的种子脉冲被用于放大器中。 
对于高重复率情形（几十kHz甚至更高），通常会持续对放大器增益介质进行泵浦。而对于低重复率情形（尤其是脉冲周期远大于上能级寿命），脉冲泵浦（例如，采用调Q激光器）更有利。一个常用的结构是采用倍频YAG激光器来泵浦正反馈钛蓝宝石放大器。 

其它问题 
由于放大器介质有限的增益带宽因此会减小脉冲宽度，于是被放大的脉冲长度可以变大。这被称为增益变窄效应，可以在放大器中加入合适的光谱滤波器减小这个效应，于是净增益谱变得更宽，更加平坦。 
在飞秒装置中，泡克尔斯盒引起的色散需要被补偿掉。也会存在非线性效应，需要采用啁啾脉冲放大或者分脉冲放大来有效抑制这些效应。如果不采取措施的话，得到的脉冲能量会被非线性效应限制，甚至产生光学损伤现象。 
正反馈放大器的功率效率因为腔内的损耗效应（尤其是电光开关中的）而大大降低。当单圈增益较低时，对这些损耗更加敏感，因为这样为了得到某一放大因子需要提高脉冲在环路中循环的圈数。 
正反馈放大器也会因为低能态寿命有限而降低其增益和泵浦效率，于是在放大脉冲时低能级的布居数很大，于是发生重吸收发生激光跃迁。这一问题主要出现在放大器放大超短脉冲时，但是啁啾放大过程中不会出现，因为这时放大器的脉冲长度相对较长。 
在一些应用中，需要将伴脉冲能量维持在一个比较低的水平，也就是得到高的脉冲对比。伴脉冲可以有几个途径产生，例如，泡克尔斯盒的不完美开关或者放大器中的寄生反射。需要采用额外的脉冲拾取器来抑制前面的或者后面的脉冲。 
当脉冲重复率高时，脉冲放大过程可能会有很强的涨落。倍周期分岔也会发生，也就是脉冲能量在两个值之间变化，之后则是四个值之间甚至八个值。脉冲重复率更高时，则会引起混沌效应。图2是一个数值模拟情况。 
 
图2：正反馈放大器的脉冲能量与谐振腔中循环圈数的关系，利用RP光纤功率软件得到模拟结果。 
正反馈放大器常用的增益介质是钛蓝宝石，它具有很宽的增益带宽和热传导性。其它的增益介质，例如掺镱或者掺钕的介质，适宜于采用二极管泵浦的情况，由于它们上能级寿命较长，因此储能能力强，但是由于较小的增益带宽，因此产生的脉冲更长（通常几百个fs或者更长）。 
正反馈放大器的应用包括材料加工（例如用mJ脉冲能量切割金属）和科学实验，例如高能物理中用于产生高次谐波。 

替代品 
正反馈放大器的一个替代品就是多通放大器，多个通道是采用很多镜子排列来得到的（每一个通道的传播方向稍微不同）。这种方案无需采用快的调制器，但是穿过增益介质中的通道数目很多时会比较复杂（也很难排列）。根据经验法则，多通放大器更适宜于在增益被限制的情况下得到非常高的脉冲能量（因为入射脉冲能量已经相当高），而正反馈放大器则更适宜于非常高增益的情形。当然，这两个放大器可以结合在一起：正反馈放大器提供高的增益，终端的多通放大器提高脉冲能量（参阅放大器链，超快放大器）。 
另外一种技术也可以得到高的脉冲能量，尽管没有正反馈放大器中得到的那么高，这种技术就是锁模激光器采用倾斜腔。这种技术尤其适合得到高达几个兆赫兹的高脉冲重复率的情况。

 
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