飛秒激光光學

飛秒激光光學

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。在這些應用的驅動下，該領域的新發展涉及產生更高輸出功率和更短脈沖的激光器。目前，短脈沖物理學的大部分工作是用Ti：藍寶石激光器完成的，但是在其他過渡金屬或稀土金屬摻雜晶體如Yb：KGW的基礎上，染料激光器和固態激光器也用于產生飛秒脈沖。低于100fs脈沖的可重復生成與由棱鏡或光柵對或分散多層反射器組成的寬帶低損耗色散延遲線的發展密切相關。

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

圖1：通過光學介質傳播擴展脈沖（示意圖）

如果脈沖被介質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。由雙層堆疊系統構成的寬帶反射鏡也會引起脈沖變寬，因為脈沖的光譜分量的路徑長度在這些涂層中是非常不同的。

在100fs范圍內，必須在fs激光器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機單元，而且還適用于腔鏡，輸出耦合器和光束傳播系統。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系，以避免脈沖的變寬或變形。

應用于穿過介質的脈沖或由反射鏡反射的脈沖的相移的數學分析（參見我們目錄中的第53頁的插入）表明描述該現象的主要物理性質是群延遲色散（GDD ）和三階色散（TOD）。這些性質被定義為相對于頻率的反射相位的第二和第三導數。特別設計的電介質鏡提供了對脈沖施加“負啁啾”的可能性。因此，可以補償由晶體，窗等引起的正啁啾聲。圖2中的示意圖解釋了在這種負色散鏡中藍色，綠色和紅色光的不同光程長度的這種影響。

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Ti：藍寶石激光器的波長范圍分為三章，分別代表光學特性帶寬：帶寬約120nm的標準組件，寬帶組件（帶寬約300nm）和超寬帶組件（一個八度音階的帶寬或更多）。這些章節中的每一章都展示了低色散激光和轉向鏡，負色散鏡或鏡對，輸出耦合器和相應帶寬的分束器。此外，我們想提供具有廣泛的低GDD波長區域可用的組件的fs應用的銀鏡。

請注意，介質負色散鏡的GDD光譜不是連續的平面圖。所有類型的負色散鏡在GDD光譜中表現出振蕩。對于標準帶寬，這些振蕩很小。然而，寬帶和超寬帶負散射鏡表現出很強的GDD振蕩?？梢酝ㄟ^使用由具有稍微偏移的GDD振蕩的反射鏡組成的鏡對來實現這些振蕩的相當平坦化，這些反射鏡對彼此補償。這些鏡對特別為這種補償行為而設計。圖3示出了這種鏡對和其對應的GDD光譜的示意圖。

GDD和TOD

如果脈沖被電介質鏡反射， 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反射鏡的層系統所花費的時間之后，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ω0附近的頻率以泰勒級數擴展：

（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）。更嚴格地說，這種擴展僅在*可溶性模型中有用，用于傳播轉換受限高斯脈沖和純相色散。對于非常短的脈沖和振幅和相位色散的組合，可能需要數值計算。然而，這種擴展顯示了單一術語的物理意義：

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

•反射脈沖暫時變寬。這種擴大效應僅取決于GDD的值。 LAYERTEC提供“低GDD鏡”，即e。在給定波長范圍內具有| GDD | <20 fs2的反射鏡，當脈沖被這些反射鏡反射時，保持脈沖形狀是必需的。

•此外，脈搏變得“啁啾”，我e。它在脈沖時間內改變其瞬時頻率。這種效應取決于GDD的符號，使得瞬時頻率可能變得更高（up-chirp，GDD> 0）或更低（下調啁啾，GDD <0）。這允許通過使用負GDD鏡來補償非線性光學元件的正GDD效應。

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

圖3：負色散鏡對的示意圖

也可以使用具有高GDD值的負色散反射鏡進行脈沖壓縮。這些所謂的Gires-Tournois-Interferometer（GTI） - 鏡（見我們目錄中的第72-73頁）成功應用于Ti：藍寶石激光器，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度的脈沖。對于具有不同量的負GDD的每個波長分量。除了Ti：藍寶石地波的光譜范圍以及非常有希望的Yb：YAG和Yb：KGW激光器的光學范圍外，我們還提供了將該輻射的倍頻降VUV波長范圍的光學元件，用于飛秒激光器的光學器件1500nm范圍和特別設計的大功率超短脈沖激光器的光學器件。

LAYERTEC擁有自己的設計計算能力，也可以在250-1100nm的波長范圍進行GDD測量。用于波長高達1700nm的GDD測量設置正在建設中。

參考文獻：

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;韓國物理學雜志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