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飛秒激光光學(xué)

來源:江陰韻翔光電技術(shù)有限公司   2017年04月13日 13:48  

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(參見圖1中的示意圖)

圖1:通過光學(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(參見我們目錄中的第53頁的插入)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。可以通過使用由具有稍微偏移的GDD振蕩的反射鏡組成的鏡對(duì)來實(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,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)。這允許通過使用負(fù)GDD鏡來補(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(見我們目錄中的第72-73頁)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)

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