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