超快高色散镜、GT干涉镜和啁啾镜的简析

大多数光学介质在超快系统中引入的正啁啾或色散，都可以使用具有负色散特性的光学元件进行色散补偿（如高色散反射镜High Dispersive Mirrors）。这使得短波长的相位速度高于长波长，从而平衡了正啁啾并压缩了脉冲持续时间（如图1）。

图1：高色散反射镜和其他脉冲压缩光学器件引入负色散，抵消了超快激光脉冲在光学介质中传输时的正色散。

早期的色散补偿方法：

在引入高色散反射镜（包括棱镜、光栅、Gires-Tournois 干涉镜(GTI反射镜)和啁啾反射镜）之前，超快系统一直使用几种不同类型的脉冲压缩光学器件。

色散棱镜和光栅：

可在超快激光系统中引入若干具有负色散的棱镜和光栅，以平衡正啁啾并压缩脉冲持续时间（如图2）。色散棱体积教为庞大，占用大量空间，色散棱镜和光栅的吞吐量通常也较低，对对准和分离距离的敏感度较高，并且存在大量三阶色散，从而增加了时间展宽。

图 2：虽然棱镜和光栅可用于脉冲压缩，但与高色散反射镜相比，仍存在许多缺点

GTI反射镜：

要了解高色散反射镜的功能，就需要先了解Gires-Tournois干涉镜（GTI反射镜）。GT干涉镜是一种驻波谐振器，可在几nm带宽上具有（高）负GDD，可利用高反射GTI镜产生色散。由于镜面涂层的共振，GTI镜反射光的相位与波长有关，因此GTI镜可以提供与角度有关的负GDD，用于超快腔内色散控制。不过，GTI镜面会引入一些高阶色散，而且只能在有限的波长范围内提供负GDD。

啁啾镜：

想要全面了解高色散反射镜，啁啾反射镜的了解也是必不可少的。GTI 反射镜利用共振效应提供负GDD，而啁啾反射镜则不同，啁啾镜是通过对反射镜镀膜的波长穿透深度来引入受控的负GDD。典型的介质反射镜设计用于反射一种特定的波长，而啁啾反射镜中的每个镀膜层都设计用于反射不同的波长，啁啾反射镜可用于补偿超短激光脉冲与色散相关的传播时间差。从表面到底层，镀膜层的厚度不断增加，导致长波长比短波长更深地穿透镀膜，路径长度更长，从而抵消了正色散（如图3）。

图 3：啁啾反射镜的可变层厚度会导致负色散

但是，在这种简单的介电结构中，不同层厚度之间的急剧过渡会导致群延迟色散（GDD）随波长的变化而振荡（如图4）。

图 4：不同层厚度之间的离散切换导致超快啁啾镜的GDD震荡

如果GDD曲线中的振荡很强，则需要一对啁啾镜（由两个啁啾镜组成），对于具有高带宽的镜像更需要一对GTI啁啾激光反射镜对。

高色散反射镜：

超快高色散反射镜将波长相关的穿透力（类似于啁啾反射镜的穿透力）与涂层中的多共振效应（即multi-GTI，多GTI）结合在一起，既解决了传统GTI反射镜的带宽限制问题，又解决了啁啾反射镜的GDD振荡问题。高色散镜还能提供高通量、零三阶色散和大振幅负GDD，使其成为超快系统理想的脉冲压缩光学器件（如图5和图6）。

图 5：除了用于超快脉冲压缩的负色散外，高色散反射镜还能提供高反射率，从而最大限度地提高吞吐量

图 6：与啁啾反射镜相比，超快高色散反射镜可提供幅度较大的负GDD，而且随波长变化的振荡幅度要小得多

与传统的啁啾镜和GTI镜相比，超快高色散镜具有多种优势，因此成为超快激光装置的重要组成部分，对于需要大振幅负GDD的高能量超快脉冲发生应用来说，极具优势。这些反射镜可以在不增加色散镜反弹次数的情况下压缩脉冲，从而限制了对准灵敏度和往返损耗。

啁啾镜对：

如上所述，高色散镜可以避免光栅和棱镜等传统压缩方法所产生的三阶和高阶色散。但是，如图4所示，这些反射镜在带宽超过100nm时会出现GDD震荡，当震荡过大时，啁啾镜对可用于产生震荡的应用，是一个理想的选择。其中，啁啾镜对中的镜像被选择为具有不同相位的GDD振荡，从而在大带宽上实现整体无振荡GDD（如图7），这样可以将脉冲持续时间压缩到<3fs。

图 7：两个GDD振荡不在同一相位的啁啾反射镜配对使用，可在很宽的波长范围内产生几乎无振荡的总GDD。L "和 "S "用于区分反射镜

图 8：高色散反射镜

Layertec高色散反射镜（High Dispersive Mirrors/ High Dispersion Mirrors）(目录第40页)：

设计计算和工艺控制方面的最新进展使LAYERTEC能够为先进的钛蓝宝石激光器脉冲压缩提供高色散反射镜。这些反射镜和反射镜对的光谱带宽为100nm-300nm，负GDD值约为数百fs²，这些反射镜可用于脉冲压缩。与棱镜压缩器相比，高色散反射镜可减少腔内损耗，从而提高激光器的输出功率。

图9：带宽为120nm、800nm范围内GDD为-450±100fs²的高色散反射镜的反射率和GDD光谱；

a)反射率与波长的关系；b)计算的GDD与波长的关系；c)测量的GDD与波长的关系

图10：高色散镜对的反射率和GDD光谱图，带宽为200nm，800nm范围内每次反弹的平均GDD为-120±40fs²；

a)反射率与波长的关系；b)计算的GDD与波长的关系；c)测量的GDD与波长的关系

Layertec高色散反射镜的特征：

 我们的其它技术文档和产品介绍没有用“高色散反射镜”这个词，因为Layertec把它归类到超快反射镜（Ultrafast Laser Optics）中的啁啾镜和GTI镜中。

- Layertec高色散反射镜的GDD在-50fs²和-500fs²之间

 - 极高的反射率

 - 中心波长、带宽和GDD可根据客户要求定制

 - 请注意，带宽和GDD密切相关。负GDD的高值会导致带宽非常窄

 - 光谱公差±1

 - 内部设计计算和测量能力（GDD 250-1700nm，通过CRD测量反射率220-1800nm）

参考文献References: Pervak, V., et al. "High-Dispersive Mirrors for Femtosecond Lasers." Optics Express, vol. 16, no. 14, 2008, pp. 10220–10233., doi:10.1364/oe.16.010220.