飞秒激光光学

飞秒激光光学

短脉冲激光器用于许多应用中，例如时间分辨光谱，精密材料处理和大带宽电信。在这些应用的驱动下，该领域的新发展涉及产生更高输出功率和更短脉冲的激光器。目前，短脉冲物理学的大部分工作是用Ti：蓝宝石激光器完成的，但是在其他过渡金属或稀土金属掺杂晶体如Yb：KGW的基础上，染料激光器和固态激光器也用于产生飞秒脉冲。低于100fs脉冲的可重复生成与由棱镜或光栅对或分散多层反射器组成的宽带低损耗色散延迟线的发展密切相关。

脉冲的频谱带宽通过傅里叶分析的*的定理与脉冲持续时间相关。例如，800nm处的100fs高斯脉冲的带宽（FWHM）为11nm。对于较短的脉冲，波长谱变得明显更宽。 10fs脉冲的带宽为107nm。如果这样宽的脉冲通过光学介质，则该脉冲的光谱分量以不同的速度传播。分散介质如玻璃对脉冲施加了所谓的“正啁啾”，意味着短波长（“蓝”）分量相对于长波长（“红”）分量被延迟（参见图1中的示意图）

图1：通过光学介质传播扩展脉冲（示意图）

如果脉冲被介质镜反射并且脉冲的带宽大于或等于反射镜的反射带的宽度，则可以观察到类似的变宽。由双层堆叠系统构成的宽带反射镜也会引起脉冲变宽，因为脉冲的光谱分量的路径长度在这些涂层中是非常不同的。

在100fs范围内，必须在fs激光器的极宽带宽上控制每个光学元件的相位特性。这不仅适用于担架和压缩机单元，而且还适用于腔镜，输出耦合器和光束传播系统。除了功率谱，即反射率或透射率之外，还必须保持脉冲的傅立叶分量之间的相位关系，以避免脉冲的变宽或变形。

应用于穿过介质的脉冲或由反射镜反射的脉冲的相移的数学分析（参见我们目录中的第53页的插入）表明描述该现象的主要物理性质是群延迟色散（GDD ）和三阶色散（TOD）。这些性质被定义为相对于频率的反射相位的第二和第三导数。特别设计的电介质镜提供了对脉冲施加“负啁啾”的可能性。因此，可以补偿由晶体，窗等引起的正啁啾声。图2中的示意图解释了在这种负色散镜中蓝色，绿色和红色光的不同光程长度的这种影响。

图2：负色散镜中蓝绿色和红色光的光程长度（示意图）

LAYERTEC提供具有不同带宽的飞秒激光光学器件。该目录显示例如Ti：蓝宝石激光器的波长范围分为三章，分别代表光学特性带宽：带宽约120nm的标准组件，宽带组件（带宽约300nm）和超宽带组件（一个八度音阶的带宽或更多）。这些章节中的每一章都展示了低色散激光和转向镜，负色散镜或镜对，输出耦合器和相应带宽的分束器。此外，我们想提供具有广泛的低GDD波长区域可用的组件的fs应用的银镜。

请注意，介质负色散镜的GDD光谱不是连续的平面图。所有类型的负色散镜在GDD光谱中表现出振荡。对于标准带宽，这些振荡很小。然而，宽带和超宽带负散射镜表现出很强的GDD振荡。可以通过使用由具有稍微偏移的GDD振荡的反射镜组成的镜对来实现这些振荡的相当平坦化，这些反射镜对彼此补偿。这些镜对特别为这种补偿行为而设计。图3示出了这种镜对和其对应的GDD光谱的示意图。

GDD和TOD

如果脉冲被电介质镜反射， e。交替的高和低折射率层的叠层，在由脉冲的不同傅里叶分量通过反射镜的层系统所花费的时间之后，原始和反射脉冲之间将存在相移。通常，中心频率ω0附近的相移Φ（ω）可以针对ω0附近的频率以泰勒级数扩展：

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

衍生物分别是组延迟（GD）Φ'（ω0），组延迟色散（GDD）Φ''（ω0）和第三阶色散（TOD）Φ“'（ω0）。更严格地说，这种扩展仅在*可溶性模型中有用，用于传播转换受限高斯脉冲和纯相色散。对于非常短的脉冲和振幅和相位色散的组合，可能需要数值计算。然而，这种扩展显示了单一术语的物理意义：

假设相移在频率上是线性的（即，GD≠0，GDD = 0，TOD = 0，脉冲带宽），反射脉冲在时间上延迟恒定群延迟，当然由反射率幅度脉冲谱将保持不失真。如果GDD≠0，则观察到两个重要的影响：

•反射脉冲暂时变宽。这种扩大效应仅取决于GDD的值。 LAYERTEC提供“低GDD镜”，即e。在给定波长范围内具有| GDD | <20 fs2的反射镜，当脉冲被这些反射镜反射时，保持脉冲形状是必需的。

•此外，脉搏变得“啁啾”，我e。它在脉冲时间内改变其瞬时频率。这种效应取决于GDD的符号，使得瞬时频率可能变得更高（up-chirp，GDD> 0）或更低（下调啁啾，GDD <0）。这允许通过使用负GDD镜来补偿非线性光学元件的正GDD效应。

TOD还确定了脉冲长度和脉冲形状（脉冲失真），并且在脉冲长度为20fs及以下时成为非常重要的因素。

图3：负色散镜对的示意图

也可以使用具有高GDD值的负色散反射镜进行脉冲压缩。这些所谓的Gires-Tournois-Interferometer（GTI） - 镜（见我们目录中的第72-73页）成功应用于Ti：蓝宝石激光器，Yb：YAG和Yb：KGW振荡器和Er：光纤激光器。 Yb：YAG和Yb：KGW振荡器中的脉冲压缩提供了大约百飞秒脉冲长度的脉冲。对于具有不同量的负GDD的每个波长分量。除了Ti：蓝宝石地波的光谱范围以及非常有希望的Yb：YAG和Yb：KGW激光器的光学范围外，我们还提供了将该辐射的倍频降VUV波长范围的光学元件，用于飞秒激光器的光学器件1500nm范围和特别设计的大功率超短脉冲激光器的光学器件。

LAYERTEC拥有自己的设计计算能力，也可以在250-1100nm的波长范围进行GDD测量。用于波长高达1700nm的GDD测量设置正在建设中。

参考文献：

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.罗素光学通讯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;韩国物理学杂志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及其中的参考文献