飛秒激光光學(xué)

飛秒激光光學(xué)

短脈沖激光器用于許多應(yīng)用中，例如時(shí)間分辨光譜，精密材料處理和大帶寬電信。在這些應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，該領(lǐng)域的新發(fā)展涉及產(chǎn)生更高輸出功率和更短脈沖的激光器。目前，短脈沖物理學(xué)的大部分工作是用Ti：藍(lán)寶石激光器完成的，但是在其他過(guò)渡金屬或稀土金屬摻雜晶體如Yb：KGW的基礎(chǔ)上，染料激光器和固態(tài)激光器也用于產(chǎn)生飛秒脈沖。低于100fs脈沖的可重復(fù)生成與由棱鏡或光柵對(duì)或分散多層反射器組成的寬帶低損耗色散延遲線的發(fā)展密切相關(guān)。

脈沖的頻譜帶寬通過(guò)傅里葉分析的*的定理與脈沖持續(xù)時(shí)間相關(guān)。例如，800nm處的100fs高斯脈沖的帶寬（FWHM）為11nm。對(duì)于較短的脈沖，波長(zhǎng)譜變得明顯更寬。 10fs脈沖的帶寬為107nm。如果這樣寬的脈沖通過(guò)光學(xué)介質(zhì)，則該脈沖的光譜分量以不同的速度傳播。分散介質(zhì)如玻璃對(duì)脈沖施加了所謂的“正啁啾”，意味著短波長(zhǎng)（“藍(lán)”）分量相對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)（“紅”）分量被延遲（參見(jiàn)圖1中的示意圖）

圖1：通過(guò)光學(xué)介質(zhì)傳播擴(kuò)展脈沖（示意圖）

如果脈沖被介質(zhì)鏡反射并且脈沖的帶寬大于或等于反射鏡的反射帶的寬度，則可以觀察到類似的變寬。由雙層堆疊系統(tǒng)構(gòu)成的寬帶反射鏡也會(huì)引起脈沖變寬，因?yàn)槊}沖的光譜分量的路徑長(zhǎng)度在這些涂層中是非常不同的。

在100fs范圍內(nèi)，必須在fs激光器的極寬帶寬上控制每個(gè)光學(xué)元件的相位特性。這不僅適用于擔(dān)架和壓縮機(jī)單元，而且還適用于腔鏡，輸出耦合器和光束傳播系統(tǒng)。除了功率譜，即反射率或透射率之外，還必須保持脈沖的傅立葉分量之間的相位關(guān)系，以避免脈沖的變寬或變形。

應(yīng)用于穿過(guò)介質(zhì)的脈沖或由反射鏡反射的脈沖的相移的數(shù)學(xué)分析（參見(jiàn)我們目錄中的第53頁(yè)的插入）表明描述該現(xiàn)象的主要物理性質(zhì)是群延遲色散（GDD ）和三階色散（TOD）。這些性質(zhì)被定義為相對(duì)于頻率的反射相位的第二和第三導(dǎo)數(shù)。特別設(shè)計(jì)的電介質(zhì)鏡提供了對(duì)脈沖施加“負(fù)啁啾”的可能性。因此，可以補(bǔ)償由晶體，窗等引起的正啁啾聲。圖2中的示意圖解釋了在這種負(fù)色散鏡中藍(lán)色，綠色和紅色光的不同光程長(zhǎng)度的這種影響。

圖2：負(fù)色散鏡中藍(lán)綠色和紅色光的光程長(zhǎng)度（示意圖）

LAYERTEC提供具有不同帶寬的飛秒激光光學(xué)器件。該目錄顯示例如Ti：藍(lán)寶石激光器的波長(zhǎng)范圍分為三章，分別代表光學(xué)特性帶寬：帶寬約120nm的標(biāo)準(zhǔn)組件，寬帶組件（帶寬約300nm）和超寬帶組件（一個(gè)八度音階的帶寬或更多）。這些章節(jié)中的每一章都展示了低色散激光和轉(zhuǎn)向鏡，負(fù)色散鏡或鏡對(duì)，輸出耦合器和相應(yīng)帶寬的分束器。此外，我們想提供具有廣泛的低GDD波長(zhǎng)區(qū)域可用的組件的fs應(yīng)用的銀鏡。

請(qǐng)注意，介質(zhì)負(fù)色散鏡的GDD光譜不是連續(xù)的平面圖。所有類型的負(fù)色散鏡在GDD光譜中表現(xiàn)出振蕩。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)帶寬，這些振蕩很小。然而，寬帶和超寬帶負(fù)散射鏡表現(xiàn)出很強(qiáng)的GDD振蕩?？梢酝ㄟ^(guò)使用由具有稍微偏移的GDD振蕩的反射鏡組成的鏡對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些振蕩的相當(dāng)平坦化，這些反射鏡對(duì)彼此補(bǔ)償。這些鏡對(duì)特別為這種補(bǔ)償行為而設(shè)計(jì)。圖3示出了這種鏡對(duì)和其對(duì)應(yīng)的GDD光譜的示意圖。

GDD和TOD

如果脈沖被電介質(zhì)鏡反射， e。交替的高和低折射率層的疊層，在由脈沖的不同傅里葉分量通過(guò)反射鏡的層系統(tǒng)所花費(fèi)的時(shí)間之后，原始和反射脈沖之間將存在相移。通常，中心頻率ω0附近的相移Φ（ω）可以針對(duì)ω0附近的頻率以泰勒級(jí)數(shù)擴(kuò)展：

（ω0）（ω0）（ω0）（ω0）（ω0）（ω0）（ω0）（ω0） ω0）3 + ...

衍生物分別是組延遲（GD）Φ'（ω0），組延遲色散（GDD）Φ''（ω0）和第三階色散（TOD）Φ“'（ω0）。更嚴(yán)格地說(shuō)，這種擴(kuò)展僅在*可溶性模型中有用，用于傳播轉(zhuǎn)換受限高斯脈沖和純相色散。對(duì)于非常短的脈沖和振幅和相位色散的組合，可能需要數(shù)值計(jì)算。然而，這種擴(kuò)展顯示了單一術(shù)語(yǔ)的物理意義：

假設(shè)相移在頻率上是線性的（即，GD≠0，GDD = 0，TOD = 0，脈沖帶寬），反射脈沖在時(shí)間上延遲恒定群延遲，當(dāng)然由反射率幅度脈沖譜將保持不失真。如果GDD≠0，則觀察到兩個(gè)重要的影響：

•反射脈沖暫時(shí)變寬。這種擴(kuò)大效應(yīng)僅取決于GDD的值。 LAYERTEC提供“低GDD鏡”，即e。在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有| GDD | <20 fs2的反射鏡，當(dāng)脈沖被這些反射鏡反射時(shí)，保持脈沖形狀是必需的。

•此外，脈搏變得“啁啾”，我e。它在脈沖時(shí)間內(nèi)改變其瞬時(shí)頻率。這種效應(yīng)取決于GDD的符號(hào)，使得瞬時(shí)頻率可能變得更高（up-chirp，GDD> 0）或更低（下調(diào)啁啾，GDD <0）。這允許通過(guò)使用負(fù)GDD鏡來(lái)補(bǔ)償非線性光學(xué)元件的正GDD效應(yīng)。

TOD還確定了脈沖長(zhǎng)度和脈沖形狀（脈沖失真），并且在脈沖長(zhǎng)度為20fs及以下時(shí)成為非常重要的因素。

圖3：負(fù)色散鏡對(duì)的示意圖

也可以使用具有高GDD值的負(fù)色散反射鏡進(jìn)行脈沖壓縮。這些所謂的Gires-Tournois-Interferometer（GTI） - 鏡（見(jiàn)我們目錄中的第72-73頁(yè)）成功應(yīng)用于Ti：藍(lán)寶石激光器，Yb：YAG和Yb：KGW振蕩器和Er：光纖激光器。 Yb：YAG和Yb：KGW振蕩器中的脈沖壓縮提供了大約百飛秒脈沖長(zhǎng)度的脈沖。對(duì)于具有不同量的負(fù)GDD的每個(gè)波長(zhǎng)分量。除了Ti：藍(lán)寶石地波的光譜范圍以及非常有希望的Yb：YAG和Yb：KGW激光器的光學(xué)范圍外，我們還提供了將該輻射的倍頻降VUV波長(zhǎng)范圍的光學(xué)元件，用于飛秒激光器的光學(xué)器件1500nm范圍和特別設(shè)計(jì)的大功率超短脈沖激光器的光學(xué)器件。

LAYERTEC擁有自己的設(shè)計(jì)計(jì)算能力，也可以在250-1100nm的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行GDD測(cè)量。用于波長(zhǎng)高達(dá)1700nm的GDD測(cè)量設(shè)置正在建設(shè)中。

參考文獻(xiàn)：

H.Holzwarth，M.Zimmermann，Th.Udem，T.W.Hänsch，P.Russbüldt，K.Gäbel，R.Poprawe，J.C.Knight，W.J.Wadsworth and P.St.J.羅素光學(xué)通訊26，7（2001），p.1376-1378 Y.-S.Lim，H.-S.Jeon，Y.-C.Noh，K.-J.Yee，D.S.Kim，J.-H。 Lee，J.-S.Chang，J.-D.Park;韓國(guó)物理學(xué)雜志Vol.40，No.5（2002），p。 837-843 G. Tempea，V.Yakovlev和F. Krausz; “Interference Coating for Ultrafast Optics”in N.Kaiser，H.K.Pulker（eds。）“Optical Interference Coatings”，Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003，p。 393-422及其中的參考文獻(xiàn)