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      如何以及何時需要重新壓縮超快激光脈沖?
      材料來源:LFWC           錄入時間:2023/8/23 23:26:09

      光學介質的正色散會導致超快激光脈沖展寬,降低系統性能。本文介紹幾種脈沖壓縮方法,將脈沖壓縮到所需寬度。

      超快激光由于其超短的脈沖持續時間,因此比傳統激光脈沖具有更寬的帶寬。大多數光學介質的正色散會導致超快激光脈沖展寬,從而降低系統性能?梢圆捎酶鞣N技術來減輕脈沖展寬的影響,并將脈沖壓縮到所需的脈沖持續時間,本文將重點介紹其中的幾項技術。

      脈沖需要被壓縮的跡象

      在多光子顯微等超快成像應用中,圖像模糊表明脈沖可能在時間上被展寬(見圖1)。在超快激光加工中,脈沖展寬會導致切割不準和精度降低。正是由于超快激光的脈沖持續時間短,峰值功率高,使其在超快成像和超快加工中優勢明顯。脈沖展寬降低了多光子相互作用的概率,從而降低了超快過程的效率。

      圖1:與傳統的共聚焦顯微相比,多光子或非線性顯微使用超快激光源捕獲高分辨率三維(3D)圖像,減少了光漂白和光毒性。然而,脈沖展寬會使這樣的多光子顯微圖像變得模糊不清。

      何時以及如何壓縮脈沖? 

      何時以及如何壓縮激光脈沖,需要考慮以下幾個關鍵問題: 

      第一,系統的可變性如何?你是否可以輕松地更換系統中的光學組件?是否需要不同的光路配置進行不同的工藝或實驗?這影響到哪些組件最適合你的解決方案。

      第二,工藝對脈沖持續時間的變化有多敏感?脈沖持續時間是否需要在5fs的精度內?還是100fs的精度就足夠了?脈寬允許的變化越少,脈沖壓縮解決方案就越需要靈活性和可調性。

      第三,理想脈沖持續時間是多少?起始脈沖持續時間又是多少?如果使用的激光脈寬是幾百飛秒,使用幾個透射型光學元件一般不會影響脈沖持續時間;但如果使用更短的激光脈沖,例如脈寬為5~10fs,情況就不同了。此外,如果需要將100fs的脈沖壓縮到5fs,還會涉及到其他步驟,這超出了本文討論的脈沖壓縮范疇。

      第四,在光路中還有哪些光學器件?有多少群延遲色散?由色散引起的脈沖時間畸變,是由群延遲色散(GDD)來量化的。GDD是一個與頻率有關的值,對于給定的材料,它與厚度呈線性關系。像窗片、透鏡和物鏡這類的透射型光學元件通常產生正的GDD值,因此被壓縮的激光脈沖經過這些透射型光學元件,脈沖持續時間會變長。對光學系統中存在的GDD大小有一個粗略認識,會讓脈沖再壓縮策略的選擇變得非常簡單。

      脈沖壓縮方法 

      (1)棱鏡或光柵壓縮

      棱鏡通過棱鏡材料的折射率差異,對脈沖的頻率成分施加一個與頻率相關的延遲來壓縮脈沖(見圖2)。這種光程差使脈沖的不同波長在時間上保持一致。光柵壓縮的工作方式類似,但依靠衍射而不是折射來重新壓縮脈沖。

      棱鏡或光柵壓縮的優點:

      •可通過元件之間的距離、材料插入量以及光柵的刻線密度等變量,進行連續調節。

      •可以適應非常大的帶寬。

      •適合調節極短的激光脈沖。

      棱鏡或光柵壓縮的缺點:

      •初學者很難對齊光柵對或棱鏡對。

      •應用高階色散,會進一步導致脈沖畸變。

      •很容易在空間中產生獨立的脈沖頻率成分(稱為“空間啁啾”)。

      (2)啁啾鏡壓縮

      啁啾鏡是在鏡面的涂層中產生一個與波長有關的穿透深度(見圖3)。與棱鏡或光柵壓縮的操作類似,這種效應使一些波長相對于其他波長產生延遲。而采用啁啾鏡時,這種效應的產生是因為一些波長進入涂層的深度較深。所有波長的光最終會同時從涂層中出射,此時脈沖會被再次壓縮。啁啾鏡的典型特征是高GDD振蕩,因此它們必須成對使用,以獲得半平坦的GDD響應。

      圖3:可變的層厚度,結合涂層材料的選擇,使啁啾鏡對入射脈沖施加負色散。

      啁啾鏡優點: 

      •可以適應非常大的帶寬; 

      •激光入射角較小,在啁啾鏡對中的兩個鏡子之間容易反射多次; 

      •相對于棱鏡和光柵,更容易對齊。 

      啁啾鏡缺點: 

      •僅提供總的GDD補償值,不能連續調諧。 

      •由于GDD振蕩,需要在互補對中使用。 

      •由于特定的帶寬,應用受到限制。 

      •與其他方法相比,能夠補償的GDD值較小。

      例如,如果需要補償系統中少量GDD,或者需要在不同的設置之間切換(例如在Ti:藍寶石激光和釔摻雜激光之間切換),啁啾鏡對將是一個不錯的選擇。圖4展示了互補啁啾鏡對的一些典型特性。

      (3)高色散鏡壓縮

      高色散鏡結合了啁啾鏡與頻率相關穿透深度與多共振效應,以更少的振蕩產生更大的GDD幅值。雖然高色散鏡處理的帶寬可能比其他方法窄一些,但許多高色散鏡的設計,能夠在其指定的帶寬內實現非常高的反射率(見圖5)。

      高色散鏡的優點:

      •可實現高幅度的GDD;

      •典型的特點是入射角小,可在多個鏡面之間進行多次反射;

      •與棱鏡和光柵相比,易于對齊;

      •不需要成對使用;

      •通常具有高反射率,在整個光路中產生更少的功率損耗。

      高色散鏡的缺點:

      •僅提供總的GDD補償值,不能連續調諧;

      •受其特定帶寬的限制。

      何時以及如何重新壓縮超快激光脈沖,在很大程度上取決于應用,但對脈沖壓縮的不同方法及其優劣勢有基本的了解,對操作者大有裨益。在實際應用中,可以與光學元件供應商討論具體應用,以選擇與應用相適應的最佳脈沖壓縮方法。

      文/Olivia Wheeler


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