超快激光的光束压缩和散射补偿

超快高色散反射镜对于超快激光应用中的脉冲压缩和散射补偿非常重要。超快激光会发出持续时间为几个皮秒、飞秒或阿托秒的极短脉冲，根据海森堡不确定性原理，到达脉冲持续时间下限的变换极限光脉冲具有很宽的带宽，会涵盖很大的波长范围（图 1）。这种很宽的带宽在通过光学介质（例如物镜、窗镜或透镜）传播时会发生散射，从而延长超快脉冲的脉冲持续时间，因此散射补偿成为超快激光应用的重要组成部分。

图 1:超快激光的脉冲越短，其波长带宽越宽

超快激光: 速度很重要

超快激光的脉冲持续时间短，峰值功率高，对包括材料加工、微加工、生物医学应用、非线性成像和显微镜学、国防及通信在内的许多应用都非常有益。在材料加工和微加工中，超快激光能实现更优的尺寸公差、减少对周围区域的损伤，并消除后处理步骤。¹ 此外，超快激光的脉冲持续时间短，在医学激光应用（例如 LASIK 眼部手术）中还可以减少创伤，同时降低对消毒和麻醉的需求(图 2).²

图 2: 超快激光用于无刀片 LASIK 眼部手术，以提高患者安全性、降低感染风险并提升精密度

散射: 它是什么，为什么很重要？

色散描述了光在光学介质中的相速度（或速度）对其光学频率或波长的依赖关系。光学组件使用的多数材料都表现出正色散，这意味着长的波长比较短的波长具有更高的相速度（图 3）。在称为正啁啾的流程中，这会延长超快脉冲的脉冲持续时间，此情况对超快应用不利。

图 3: 散射导致超快激光脉冲变宽。AOM 表示声光调制器，该组件能使激光发出脉冲式输出

但是，可以使用具有负色散（短的波长比长的波长具有更高的相速度）的光学组件（例如多层介质反射镜）对此进行补偿。这会抵消系统之前出现的正色散，从而产生脉冲压缩以实现最佳性能（图 4）。

图 4: 具有负色散的脉冲压缩可以抵消之前通过光学介质传输而产生的超快脉冲正色散

考虑散射对超快激光系统的影响时，需要理解群延迟和群延迟色散 (GDD)。光学组件的群延迟是辐射电场的相位变化相对于其角频率的导数。GDD 的定义是群延迟的导数，即光谱相位相对于频率的二阶导数。每单位长度的 GDD 称为群速度色散 (GVD)。GDD 的单位通常是 fs² ，而 GVD 的单位通常是fs²/mm. 脉冲压缩光学元件通常具有幅度很大的负 GDD，以便对正啁啾脉冲进行压缩。如需有关散射与 GVD 的详细信息，请阅读我们的散射应用说明。

解决方案: 超快高色散反射镜

对于超快散射补偿，可以使用提供的几种不同类型的脉冲压缩光学元件，包括光栅和棱镜。但是，高色散反射镜体积小、损失低，在很大的带宽范围内具有很高的负色散，因此对脉冲压缩非常有益，这可用于不受对准影响的脉冲压缩器，对 GDD 和第三阶及高阶色散进行补偿。³

若要了解超快高色散反射镜如何发挥作用，请务必了解其他两种类型的反射镜：吉莱-图努瓦干涉仪 (GTI) 反射镜和啁啾反射镜。GTI 反射镜可使用共振提供依赖于角度的负 GDD，以便对超快激光进行腔内散射控制。但是，GTI 反射镜提供负 GDD 的带宽非常有限，而且会引入一些高阶色散。

另一方面，啁啾反射镜通过依赖于波长的激光脉冲穿透深度来提供受控制的负 GDD。在光穿透镀膜时，介质镀膜的层厚度将增大。这会导致较短的波长比较长的波长具有更短的镀膜穿透深度，实质上会使长的波长“赶上”短的波长，并经历更大的群延迟（图 5）。但是，在这些简单的多层介质结构中，不同层厚度之间的离散切换会导致 GDD 作为波长的函数而发生振荡，这类似于法布里-佩罗共振器中产生的振荡。

图 5: 啁啾反射镜采用可变的层厚度，使较长的波长比较短的波长具有更大的镀膜穿透深度，从而产生负色散。

超快高色散反射镜解决此问题的方式是组合使用依赖于波长的穿透效应（类似于传统啁啾反射镜的该效应）以及称为多 GTI 的多共振效应。³ 通过穿透和共振效应的这一优化组合，可以在广泛的带宽范围内实现更高的 GDD 值和低损失，而不必提高多层镀膜结构的厚度。

传统的脉冲压缩光学元件（例如光栅或色散棱镜）也可以用于超快脉冲压缩和散射补偿。但是，高色散反射镜因体积小、损失低，在很大的带宽范围内具有很高的负 GDD 而更具优势（图 6 和 7）。它们用于不受对准影响的全反射镜脉冲压缩器，以便对 GDD 和第三阶及高阶色散进行补偿。

图 6: 1030nm 高色散超快反射镜的反射率曲线

图 7: 1030nm 高色散超快反射镜的群延迟色散 (GDD) 曲线

典型的啁啾脉冲放大 (CPA) 激光（会将超快脉冲放大到光学强度高峰值，同时防止出现额外的非线性脉冲畸变或防止损伤增益介质）在放大前后会依赖于对脉冲进行拉伸和压缩。因此，压缩性光学元件（例如超快高色散反射镜）对 CPA 激光而言绝对重要。