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如何以及何时需要重新压缩超快激光脉冲?
材料来源:LFWC           录入时间:2023/8/23 23:26:09

光学介质的正色散会导致超快激光脉冲展宽,降低系统性能。本文介绍几种脉冲压缩方法,将脉冲压缩到所需宽度。

超快激光由于其超短的脉冲持续时间,因此比传统激光脉冲具有更宽的带宽。大多数光学介质的正色散会导致超快激光脉冲展宽,从而降低系统性能。可以采用各种技术来减轻脉冲展宽的影响,并将脉冲压缩到所需的脉冲持续时间,本文将重点介绍其中的几项技术。

脉冲需要被压缩的迹象

在多光子显微等超快成像应用中,图像模糊表明脉冲可能在时间上被展宽(见图1)。在超快激光加工中,脉冲展宽会导致切割不准和精度降低。正是由于超快激光的脉冲持续时间短,峰值功率高,使其在超快成像和超快加工中优势明显。脉冲展宽降低了多光子相互作用的概率,从而降低了超快过程的效率。

图1:与传统的共聚焦显微相比,多光子或非线性显微使用超快激光源捕获高分辨率三维(3D)图像,减少了光漂白和光毒性。然而,脉冲展宽会使这样的多光子显微图像变得模糊不清。

何时以及如何压缩脉冲? 

何时以及如何压缩激光脉冲,需要考虑以下几个关键问题: 

第一,系统的可变性如何?你是否可以轻松地更换系统中的光学组件?是否需要不同的光路配置进行不同的工艺或实验?这影响到哪些组件最适合你的解决方案。

第二,工艺对脉冲持续时间的变化有多敏感?脉冲持续时间是否需要在5fs的精度内?还是100fs的精度就足够了?脉宽允许的变化越少,脉冲压缩解决方案就越需要灵活性和可调性。

第三,理想脉冲持续时间是多少?起始脉冲持续时间又是多少?如果使用的激光脉宽是几百飞秒,使用几个透射型光学元件一般不会影响脉冲持续时间;但如果使用更短的激光脉冲,例如脉宽为5~10fs,情况就不同了。此外,如果需要将100fs的脉冲压缩到5fs,还会涉及到其他步骤,这超出了本文讨论的脉冲压缩范畴。

第四,在光路中还有哪些光学器件?有多少群延迟色散?由色散引起的脉冲时间畸变,是由群延迟色散(GDD)来量化的。GDD是一个与频率有关的值,对于给定的材料,它与厚度呈线性关系。像窗片、透镜和物镜这类的透射型光学元件通常产生正的GDD值,因此被压缩的激光脉冲经过这些透射型光学元件,脉冲持续时间会变长。对光学系统中存在的GDD大小有一个粗略认识,会让脉冲再压缩策略的选择变得非常简单。

脉冲压缩方法 

(1)棱镜或光栅压缩

棱镜通过棱镜材料的折射率差异,对脉冲的频率成分施加一个与频率相关的延迟来压缩脉冲(见图2)。这种光程差使脉冲的不同波长在时间上保持一致。光栅压缩的工作方式类似,但依靠衍射而不是折射来重新压缩脉冲。

棱镜或光栅压缩的优点:

•可通过元件之间的距离、材料插入量以及光栅的刻线密度等变量,进行连续调节。

•可以适应非常大的带宽。

•适合调节极短的激光脉冲。

棱镜或光栅压缩的缺点:

•初学者很难对齐光栅对或棱镜对。

•应用高阶色散,会进一步导致脉冲畸变。

•很容易在空间中产生独立的脉冲频率成分(称为“空间啁啾”)。

(2)啁啾镜压缩

啁啾镜是在镜面的涂层中产生一个与波长有关的穿透深度(见图3)。与棱镜或光栅压缩的操作类似,这种效应使一些波长相对于其他波长产生延迟。而采用啁啾镜时,这种效应的产生是因为一些波长进入涂层的深度较深。所有波长的光最终会同时从涂层中出射,此时脉冲会被再次压缩。啁啾镜的典型特征是高GDD振荡,因此它们必须成对使用,以获得半平坦的GDD响应。

图3:可变的层厚度,结合涂层材料的选择,使啁啾镜对入射脉冲施加负色散。

啁啾镜优点: 

•可以适应非常大的带宽; 

•激光入射角较小,在啁啾镜对中的两个镜子之间容易反射多次; 

•相对于棱镜和光栅,更容易对齐。 

啁啾镜缺点: 

•仅提供总的GDD补偿值,不能连续调谐。 

•由于GDD振荡,需要在互补对中使用。 

•由于特定的带宽,应用受到限制。 

•与其他方法相比,能够补偿的GDD值较小。

例如,如果需要补偿系统中少量GDD,或者需要在不同的设置之间切换(例如在Ti:蓝宝石激光和钇掺杂激光之间切换),啁啾镜对将是一个不错的选择。图4展示了互补啁啾镜对的一些典型特性。

(3)高色散镜压缩

高色散镜结合了啁啾镜与频率相关穿透深度与多共振效应,以更少的振荡产生更大的GDD幅值。虽然高色散镜处理的带宽可能比其他方法窄一些,但许多高色散镜的设计,能够在其指定的带宽内实现非常高的反射率(见图5)。

高色散镜的优点:

•可实现高幅度的GDD;

•典型的特点是入射角小,可在多个镜面之间进行多次反射;

•与棱镜和光栅相比,易于对齐;

•不需要成对使用;

•通常具有高反射率,在整个光路中产生更少的功率损耗。

高色散镜的缺点:

•仅提供总的GDD补偿值,不能连续调谐;

•受其特定带宽的限制。

何时以及如何重新压缩超快激光脉冲,在很大程度上取决于应用,但对脉冲压缩的不同方法及其优劣势有基本的了解,对操作者大有裨益。在实际应用中,可以与光学元件供应商讨论具体应用,以选择与应用相适应的最佳脉冲压缩方法。

文/Olivia Wheeler


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