گسیل خودبخودی تقویت شده (ASE)


تعریف: فرآیندی که طی آن تابش خودبخودی خروجی(لومینسانس)[۱] تقویت می­شود.
در محیط های لیزری با بهره بالا، لومینسانس ناشی از گسیل خودبخودی تا مرتبه توان­های بالا می­تواند تقویت شود. این لومینسانس تقویت شده در کاربردهایی که نور با همدوسی زمانی کم اما همدوسی فضایی خوب لازم است، استفاده می­شود. گسیل خودبخودی حتی زیر آستانه لیزری هم رخ می­دهد.
در حالیکه لومینسانس در همه جهات انتشار می­یابد، ASE برای محیط بهره با مقطع بزرگ، در یک جهت می­تواند بسیار قوی باشد. به عنوان یک حالت حدی لیزر فیبر یا تقویت کننده فیبر را در نظر بگیرید،  ASE که در راستای فیبر انتشار می­یابدبسیار قوی­تر از گسیل لومینسانس همسو است.
در لیزرها و بطور خاص در تقویت کننده­های با بهره بالا‌‌، گسیل خودبخودی تقویت شده یک اثر ناخواسته است. این فرآیند در یک تقویت کننده فیبر یک مرحله­ای موجب محدودشدن بهره به حول و حوش ۴۰ تا۵۰ دسی بل می­شود. برای مثال برای تقویت پالس اگر از چندین مرحله تقویت­کننده استفاده شودکه با استفاده از فیلترها یا ایزولاتورهای فارادی[۲] و یا مدولاتورهای اپتیکی از هم جدا شده­اندبهره­های بالاتر هم قابل حصول است. بخصوص در برخی لیزرهای فیبری،اگر بهره تولید ASE قوی در دیگر طول موجها به اندازه کافی بزرگ باشد ASE می­تواند مانع از ایجاد لیز در طول موج­های حدی ‌­شود. چنین مسایلی با بهینه کردن طراحی کلی لیزر با توجه خاص به طول فیبر، درصد آلایش و از این قبیل قابل حل هستند. گسیل خودبخودی تقویت شده در طول موج­های ناخواسته با طراحی فیبرهای خاص(فیبرهای فوتونیک کریستال)که اتلاف انتشار بالایی را در ناحیه طیفی مورد نظر نشان می­دهند قابل محدود شدن است. مساله مشابهی در برخی لیزرهای بالک[۳] مثل لیزر Nd:YAG که در طول موج ۹۴۶nm عمل می­کند دیده می­شود، که ASE قوی در ۱۰۶۴nm می­تواند لیز در ۹۶۴nm را محدود کند.
حتی اگر توان گسیل خودبخودی در یک تقویت کننده به اندازه کافی قوی نیست تا توان معینی را استخراج کند، می­تواند عاملی برای توزیع نویز در سیگنال تقویت شده باشد. شکل نویز در یک تقویت کننده لیزر با ASE محدود می­شود. توجه داریم که برای محیط بهره شبه سه ترازی، اثر ASE قوی­تر از محیط بهره چهار ترازی است.

 

شکل ۱: طیف ASE از جلو و عقب در پمپاژ از جلو تقویت کننده فیبری با آلایشYb، که توسط نرم­افزار RP Fiber Power از شرکت RP فوتونیک محاسبه شده است. در لیزرهای شبه سه ترازی طیف ASE به شدت متفاوت از گسل خودبخودی است و اساساً به راستای انتشار بستگی دارد.

همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، ASE خروجی از یک تقویت کننده فیبری با آلایش عناصر کمیاب[۴] کاملا متفاوت از لومینسانس فیبر در راستای عرضی است. این به دلیل وابستگی تقویت و بازجذب به طول موج است. (باز جذب فقط در محیط بهره شبه سه ترازی رخ می­دهد). به عبارت دیگر در یک تقویت کننده فیبری توان ASE در راستای جلو و عقب می­تواندکاملاً متفاوت باشد.عموماً ASE در راستای مخالف پمپاژ قوی­تر است. شکل طیففضایی ASE بستگی به شدت پمپاژ دارد (شکل ۲).

 

شکل ۲: طیف ASE برگشتی از یک تقویت کننده فیبر مشابه شکل ۱، که برای مقادیر متفاوت توان پمپاژ محاسبه شده است. با افزایش توان، طیف به سمت طول موج­های کوتاهتر شیفت پیدا کرده (که بهره به سرعت افزایش می­یابد) و باریک­تر می­شود.

جنبه­های جالب­تر در وقوع ASE در ساختار یک موجبر[۵] مثل فیبر ایجاد می­شود. برای مثال، مقدار ASE در یک هسته تک مد به جزئیات پارامترهای موجبر ( قطر هسته و ابعاد روزنه[۶]) بستگی ندارد.برخلاف عقاید رایج، توان ASEتنها وابسته به تعداد مدها است و نه ویژگی یک مد خاص( به غیر از اتلافات انتشار). ملاحظاتی که شامل برخی کنترل­ها برای گسیل خودبخودی است و با شرط بازتاب داخلی کلی محدود می­شود، تنها برای موجبرهای با تعداد مدهای بسیار زیاد مناسب خواهند بود و نه برای حالت تک مد یا چند مد محدود.
پدیده ASE گاهی سوپرلومینسانس نامیده می­شود، بنابراین منبع سوپرلومینست[۷] (منابع ASE یا منابع نور سفید) برای منابع نوری که تابش سوپرلومینست گسیل می­کنند وجود خواهد داشت. چنین منابع با پهنای باند وسیع (با همدوسی فضایی) برای برخی کاربردها مفید هستند. در لیزرهای الکترون آزاد، اثر گسیل خودبخودی- خود تقویت شده[۸]پدیده رایجی است. اثر خود تقویت شده بر این نکته تاکید دارد که تقویت در همان ابزاری رخ می­دهد که گسیل خودبخودی را تولید می­کند. پدیده­ی مرتبط باASEاما با ویژگی­های فیزیکی مهم متفاوت، سوپر فلوئورسانس[۹] نام دارد.

ویژگی­های همدوسی گسیل خودبخودی تقویت شده
همدوسی زمانی ASE بسیار کم است. در محدوده زمان، میدان الکتریکی نسبت داده شده نوسانات تصادفی بسیار سریعی از خود بروز می­دهد، به عبارت دیگر زمان همدوسی و طول همدوسی نسبتا کوتاهی دارد و این معادل با، پهنای باند اپتیکی بزرگی در محدوده فرکانس است. این پهنای باند در حدود پهنای باند بهره است، اما بخصوص در حالات با بهره بالا در واقع کمتر از آن است.
همدوسی فضایی ASE بشدت وابسته به شرایط است،ASEناشی از یک کریستال لیزری کوتاه، که در ناحیه مدی بزرگی پمپ شده باشد، می­تواند همدوسی زمانی کاملاً کم داشته باشد. از طرف دیگر ASE ناشی از فیبر تک مده با آلایش عناصر کمیاب[۱۰] می­تواند همدوسی فضایی کاملی را نشان دهد. این بیان می­کند که چنین ASE را می­توان به یک نقطه بسیار کوچک فوکوس کرد بشرط آنکه از اپتیک فوکوس کننده مناسب (با کمترین میزان ابیراهی رنگی) استفاده بکنیم.

آیا گسیل خودبخودی اجتناب ناپذیر است؟
همانطور که ASE یک اثر کوانتومی است(گسیل خودبخودی)، همزمان یک اثر اجتناب ناپذیر نویز تقویت کننده است. هر تقویت کننده غیرحساس فازی در نهایت نویزی را به سیگنال اضافه می­کند همانطور که ASE به یک تقویت کننده چهارترازی ایده­آل اعمال می­کند. اگرچه ASE ممکن است بیشتر از حد کوانتوم مکانیک باشد، به عبارت دیگر اگر از سیستم تقویت کننده شبه سه ترازی استفاده کنیم و یا اتلافات انتشار اضافه ( جذب یا پراکندگی) در تقویت کننده باشد.
 
 
 
 
                                 

---