飞秒激光光学简介

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。在这些应用的推动下，该领域的最新发展针对产生更高输出功率和更短脉冲的激光器。如今，短脉冲物理学中的大部分工作是使用Ti：蓝宝石激光器完成的，但染料激光器和固态激光器也基于其他过渡金属或稀土金属掺杂晶体（例如Yb：KGW）被用于产生飞秒脉冲。 可重复产生的亚100fs脉冲与宽带低损耗色散延迟线的发展密切相关，后者由棱镜或光栅对或色散多层反射器组成。

通过众所周知的傅里叶定理，脉冲的频谱带宽与脉冲持续时间相关。例如，一个100fs高斯脉冲在800nm处的带宽（FWHM）为11nm。对于较短的脉冲，波长谱会变得非常宽。10fs脉冲的带宽为107nm。如果这样的宽脉冲穿过光学介质，则该脉冲的光谱分量以不同的速度传播。诸如玻璃之类的分散介质会在脉冲上施加所谓的“正啁啾”，这意味着短波长（“蓝色”）分量相对于长波长（“红色”）分量会延迟（请参见图1中的示意图）。

图1：通过在光学介质中传播而使脉冲展宽（示意图）

如果脉冲被介电镜反射并且脉冲的带宽大于或等于镜的反射带的宽度，则可以观察到类似的加宽。由双堆叠系统组成的宽带反射镜也会引起脉冲展宽，因为在这些涂层中，脉冲光谱分量的路径长度差异很大。

在sub-100fs体制中，至关重要的是在fs激光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器单元，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，还必须保持脉冲的傅立叶分量之间的相位关系，以避免脉冲变宽或失真。

对通过介质或被反射镜反射的脉冲施加的相移的数学分析表明，描述此现象的主要物理性质是群延迟色散（GDD）和三阶色散（TOD）。这些特性定义为反射相位相对于频率的二阶和三阶导数。特别设计的介电镜提供了在脉冲上施加“负啁啾”的可能性。因此，可以补偿由晶体，窗口等引起的正啁啾。图2中的示意图根据这种负色散镜中蓝色，绿色和红色光的不同光程长度来解释这种效果。

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 用于Ti：蓝光激光器波长范围的光学器件分为三章，每章代表光学器件的特征带宽：带宽约120nm的标准组件，宽带组件（约300nm的带宽）和超宽带组件（一个八度或 更多）。这些章节中的每章都显示了低色散激光和转向镜，负色散镜或反射镜对，相应带宽的输出耦合器和分束器。此外，我们要介绍用于fs应用的银镜，它们是具有最宽的低GDD波长范围的组件。

请注意，电介质负色散镜的GDD光谱不是连续的平面图。所有类型的负色散镜都在GDD光谱中表现出振荡。对于标准带宽，这些振荡很小。但是，宽带和超宽带负色散镜表现出强烈的GDD振荡。这些振荡的相当大的平坦化可以通过使用由具有彼此偏移的GDD振荡稍微偏移的反射镜组成的反射镜对来实现。这些反射镜对是专门为此补偿行为而设计的。图3示出了这样的镜对和相应的GDD光谱的示意图。

GDD和TOD

如果脉冲被介电镜反射，堆叠一叠交替的高低折射率层，则原始脉冲和反射脉冲之间将存在相移，这是由于脉冲的不同傅立叶分量穿过反射镜的层系统所花费的时间所致。通常，中心频率ω0附近的相移Φ（ω）可以以泰勒级数扩展到ω0附近的频率：

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

导数分别是Group Delay（GD）Φ´（ω0），Group Delay Dispersion（GDD）Φ´（ω0）和3阶Dispersion（TOD）Φ′′′（ω0）。更严格地说，这种扩展仅在完全可溶的模型中有用，用于传播有限的高斯脉冲的传播以及用于纯相位分散。对于极短的脉冲以及幅度和相位色散的组合，可能需要进行数值计算。但是，这种扩展清楚地显示了单个术语的物理含义：

假设相移在频率上是线性的（即在脉冲带宽上GD≠0，GDD = 0且TOD = 0），则反射脉冲在时间上延迟了恒定的群延迟，并且当然由反射率的幅度缩放 R.脉冲频谱将保持不变。如果GDD≠0，则观察到两个重要影响：

•反射脉冲暂时变宽。这种扩大效应仅取决于GDD的绝对值。LAYERTEC提供“低GDD镜”，即在给定的波长范围内| GDD | <20 fs2的反射镜，当脉冲被这些反射镜反射时，需要使用这些反射镜来保持脉冲形状。

•此外，脉冲变得“啁啾”了，即它在脉冲时间内改变其瞬时频率。此效果取决于GDD的符号，因此瞬时频率可能会变得更高（向上-线性调频，GDD> 0）或更低（向下-线性调频，GDD <0）。这允许通过使用负GDD反射镜补偿非线性光学元件的正GDD效应。

TOD还可确定脉冲长度和脉冲形状（脉冲失真），并在20fs及以下的脉冲长度时成为非常重要的因素。

图3：负色散镜对的示意图

也可以使用负GDD值较高的负色散镜进行脉冲压缩。这些所谓的Gires-Tournois干涉仪（GTI）镜（请参阅目录的72-73页）已成功用于Ti：蓝宝石激光器，Yb：YAG和Yb：KGW振荡器以及Er：光纤激光器。Yb：YAG和Yb：KGW振荡器中的脉冲压缩可提供数百飞秒脉冲长度的脉冲。对于每个波长，呈现出具有不同量的负GDD的分量。除了这些用于Ti：蓝宝石地波光谱范围的光学器件以及非常有前途的Yb：YAG和Yb：KGW激光器件之外，我们还提供低至VUV波长范围的这种辐射谐波的光学器件， 1500nm范围的光学器件，特别设计用于大功率超短脉冲激光器。

LAYERTEC拥有自己的功能，可以进行设计计算以及在250–1100nm波长范围内进行GDD测量。正在建设用于波长高达1700nm的GDD测量装置。