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飛秒激光光學簡介

短脈沖激光器用于許多應用中，例如時間分辨光譜，精密材料處理和大帶寬電信。在這些應用的推動下，該領域的新發(fā)展針對產(chǎn)生更高輸出功率和更短脈沖的激光器。如今，短脈沖物理學中的大部分工作是使用Ti：藍寶石激光器完成的，但染料激光器和固態(tài)激光器也基于其他過渡金屬或稀土金屬摻雜晶體（例如Yb：KGW）被用于產(chǎn)生飛秒脈沖。 可重復產(chǎn)生的亞100fs脈沖與寬帶低損耗色散延遲線的發(fā)展密切相關，后者由棱鏡或光柵對或色散多層反射器組成。

通過周知的傅里葉定理，脈沖的頻譜帶寬與脈沖持續(xù)時間相關。例如，一個100fs高斯脈沖在800nm處的帶寬（FWHM）為11nm。對于較短的脈沖，波長譜會變得非常寬。10fs脈沖的帶寬為107nm。如果這樣的寬脈沖穿過光學介質(zhì)，則該脈沖的光譜分量以不同的速度傳播。諸如玻璃之類的分散介質(zhì)會在脈沖上施加所謂的“正啁啾”，這意味著短波長（“藍色”）分量相對于長波長（“紅色”）分量會延遲（請參見圖1中的示意圖）。

圖1：通過在光學介質(zhì)中傳播而使脈沖展寬（示意圖）

如果脈沖被介電鏡反射并且脈沖的帶寬大于或等于鏡的反射帶的寬度，則可以觀察到類似的加寬。由雙堆疊系統(tǒng)組成的寬帶反射鏡也會引起脈沖展寬，因為在這些涂層中，脈沖光譜分量的路徑長度差異很大。

在sub-100fs體制中，至關重要的是在fs激光的極寬帶寬上控制每個光學元件的相位特性。這不僅適用于擔架和壓縮器單元，還適用于腔鏡，輸出耦合器和光束傳播系統(tǒng)。除了功率譜，即反射率或透射率，還必須保持脈沖的傅立葉分量之間的相位關系，以避免脈沖變寬或失真。

對通過介質(zhì)或被反射鏡反射的脈沖施加的相移的數(shù)學分析表明，描述此現(xiàn)象的主要物理性質(zhì)是群延遲色散（GDD）和三階色散（TOD）。這些特性定義為反射相位相對于頻率的二階和三階導數(shù)。特別設計的介電鏡提供了在脈沖上施加“負啁啾”的可能性。因此，可以補償由晶體，窗口等引起的正啁啾。圖2中的示意圖根據(jù)這種負色散鏡中藍色，綠色和紅色光的不同光程長度來解釋這種效果。

圖2：負色散鏡中藍綠色和紅色光的光程長度（示意圖）

LAYERTEC提供具有不同帶寬的飛秒激光光學器件。該目錄顯示例如 用于Ti：藍光激光器波長范圍的光學器件分為三章，每章代表光學器件的特征帶寬：帶寬約120nm的標準組件，寬帶組件（約300nm的帶寬）和超寬帶組件（一個八度或 更多）。這些章節(jié)中的每章都顯示了低色散激光和轉(zhuǎn)向鏡，負色散鏡或反射鏡對，相應帶寬的輸出耦合器和分束器。此外，我們要介紹用于fs應用的銀鏡，它們是具有最寬的低GDD波長范圍的組件。

請注意，電介質(zhì)負色散鏡的GDD光譜不是連續(xù)的平面圖。所有類型的負色散鏡都在GDD光譜中表現(xiàn)出振蕩。對于標準帶寬，這些振蕩很小。但是，寬帶和超寬帶負色散鏡表現(xiàn)出強烈的GDD振蕩。這些振蕩的相當大的平坦化可以通過使用由具有彼此偏移的GDD振蕩稍微偏移的反射鏡組成的反射鏡對來實現(xiàn)。這些反射鏡對是專門為此補償行為而設計的。圖3示出了這樣的鏡對和相應的GDD光譜的示意圖。

GDD和TOD

如果脈沖被介電鏡反射，堆疊一疊交替的高低折射率層，則原始脈沖和反射脈沖之間將存在相移，這是由于脈沖的不同傅立葉分量穿過反射鏡的層系統(tǒng)所花費的時間所致。通常，中心頻率ω0附近的相移Φ（ω）可以以泰勒級數(shù)擴展到ω0附近的頻率：

Φ（ω）=Φ（ω0）+Φ′（ω0）（ω–ω0）+ 1/2Φ′′（ω0）（ω–ω0）2 + 1/6Φ′′′（ω0）（ω– ω0）3 +…

導數(shù)分別是Group Delay（GD）Φ´（ω0），Group Delay Dispersion（GDD）Φ´（ω0）和3階Dispersion（TOD）Φ′′′（ω0）。更嚴格地說，這種擴展僅在*可溶的模型中有用，用于傳播有限的高斯脈沖的傳播以及用于純相位分散。對于極短的脈沖以及幅度和相位色散的組合，可能需要進行數(shù)值計算。但是，這種擴展清楚地顯示了單個術語的物理含義：

假設相移在頻率上是線性的（即在脈沖帶寬上GD≠0，GDD = 0且TOD = 0），則反射脈沖在時間上延遲了恒定的群延遲，并且當然由反射率的幅度縮放 R.脈沖頻譜將保持不變。如果GDD≠0，則觀察到兩個重要影響：

•反射脈沖暫時變寬。這種擴大效應僅取決于GDD的對值。LAYERTEC提供“低GDD鏡”，即在給定的波長范圍內(nèi)| GDD | <20 fs2的反射鏡，當脈沖被這些反射鏡反射時，需要使用這些反射鏡來保持脈沖形狀。

•此外，脈沖變得“啁啾”了，即它在脈沖時間內(nèi)改變其瞬時頻率。此效果取決于GDD的符號，因此瞬時頻率可能會變得更高（向上-線性調(diào)頻，GDD> 0）或更低（向下-線性調(diào)頻，GDD <0）。這允許通過使用負GDD反射鏡補償非線性光學元件的正GDD效應。

TOD還可確定脈沖長度和脈沖形狀（脈沖失真），并在20fs及以下的脈沖長度時成為非常重要的因素。

圖3：負色散鏡對的示意圖

也可以使用負GDD值較高的負色散鏡進行脈沖壓縮。這些所謂的Gires-Tournois干涉儀（GTI）鏡（請參閱目錄的72-73頁）已成功用于Ti：藍寶石激光器，Yb：YAG和Yb：KGW振蕩器以及Er：光纖激光器。Yb：YAG和Yb：KGW振蕩器中的脈沖壓縮可提供數(shù)百飛秒脈沖長度的脈沖。對于每個波長，呈現(xiàn)出具有不同量的負GDD的分量。除了這些用于Ti：藍寶石地波光譜范圍的光學器件以及非常有前途的Yb：YAG和Yb：KGW激光器件之外，我們還提供低至VUV波長范圍的這種輻射諧波的光學器件， 1500nm范圍的光學器件，特別設計用于大功率超短脈沖激光器。

LAYERTEC擁有自己的功能，可以進行設計計算以及在250–1100nm波長范圍內(nèi)進行GDD測量。正在建設用于波長高達1700nm的GDD測量裝置。

飛秒激光光學簡介