尽量减小超快系统中的热透镜效应

协助超快系统保持凉爽

超快激光器的脉冲持续时间短，峰值功率高，因此非常适用于从材料加工到医疗激光再到非线性成像和显微镜等广泛应用。但是，超快激光器对热透镜效应（热导致增益介质或腔内光学元件变形或呈现出折射率梯度）特别敏感。这对超快系统不利，甚至会导致超快系统无法锁模，进而无法产生脉冲光束。值得庆幸的是，凭借爱特蒙特光学的合作伙伴 UltraFast Innovations (UFI) 在高色散腔内反射镜方面取得的进展，已经开发出可以使产生的热效应忽略不计的光学元件。

 热透镜效应为何成为热门话题？

如果有源增益介质在光束轴上比其余介质更热，导致产生横向折射率梯度，就会出现热透镜效应。这可能会引起激光腔错位，导致出现不同的激光模式轮廓，并导致光束指向出现漂移。腔内反射镜也是超快振荡器的关键组成部分，也会因热效应而出现失真。光束在激光晶体中聚焦时，反射镜曲率半径的变化会改变焦点位置，甚至会导致超快激光器无法锁模，从而失去作用。虽然我们没有很多办法来改变增益介质固有的热性质，但是有机会仔细选择适当的腔内反射镜来防止热透镜效应。

 解决方案：专用高色散反射镜

凭借镀膜设计领域的最新发展，已经开发出低损耗、高色散且热效应可忽略不计的反射镜。这是通过仔细操控光学镀膜的不同参数而实现的。除了热稳定性之外，反射镜还需要提供高反射率和负群延迟色散 (GDD)，以补偿大多数光学介质中存在的正 GDD。图 1 显示了产品 #17-070（即 UFI 零件编号 HD64）的反射率和 GDD，该产品是热透镜效应可以忽略不计的高色散反射镜，专为搭配使用 1030nm 超快激光器而设计。这些反射镜非常有益于高功率固态激光器，例如 Yb:YAG、Nd:YAG、钬和铥激光器。

图 1：产品#17-070（即 UltraFast Innovations 零件编号 HD64）的光谱和 GDD 性能，该产品是热透镜效应可以忽略不计的 1030nm 高色散反射镜。

测试热性能

我们对这些新的高色散反射镜进行了测试，以描述其热透镜效应的程度。在连续波运行过程中，使用红外摄像机 (FLIR SC305) 对 Yb:YAG 薄片激光器中腔内反射镜的温度进行了监测。典型的高反射率反射镜（GDD 为 -3000 fs²，未采用新的热透镜效应消减技术）出现了 >50K 的温升（图 2）。这导致激光模式与振荡器稳定性恶化。但是，高色散反射镜（GDD 分别是 -1,000 fs² 和 -3,000 fs²）在相同设置下接受了测试，温度变化分别是 10K 和 20K（图 3 和 图 4）。这些反射镜对模式或振荡器的稳定性没有明显的热诱导效应，激光器能够正常工作。

图 2： 高反射率反射镜（未采用新的低热透镜效应镀膜）出现了 57K 的温度变化，导致系统性能恶化。

图 3：低热透镜效应反射镜（GDD 为 -1,000 fs²）出现了 10K 的温度变化，没有对性能产生可检测到的热诱导恶化。

图 4： 低热透镜效应反射镜（GDD 为 -3,000 fs²）出现了 20K 的温度变化，没有对性能产生可检测到的热诱导恶化。