Зеркала с высокой дисперсией

При работе с лазерными системами, излучающими сверхкороткие импульсы, дисперсия может быть скомпенсирована с помощью специальных зеркал, имеющих отрицательную дисперсию. При прохождении импульса света сквозь такое зеркало фазовая скорость коротковолнового излучения увеличивается, что уравновешивает временную задержку и позволяет избежать «расплывания» (рис.1).
 

Рисунок 1. Зеркало с высокой дисперсией сжимает импульс за счет отрицательной дисперсии, компенсируя «расплывание» (положительный «чирп») оптической среды.

Первые методы компенсации дисперсии

До распространения зеркал с высокой отрицательной дисперсией для компрессии импульсов использовались призмы, дифракционные решетки, интерферометр Жира-Турнуа и чирпирующие зеркала.

Дисперсионные призмы и решетки

Часто в фемтосекундные лазерные системы вводятся несколько призм и решеток с отрицательной дисперсией для уравновешивания положительного чирпа и компрессии длительности импульса (рис.2). Недостаток использования призм и решеток состоит в том, что оптика занимает много места и негативно влияет на пропускную способность всей системы.

Рисунок 2. Хотя призмы и решетки могут быть использованы для сжатия длительности импульсов, они имеют ряд существенных недостатков.

Зеркала интерферометра Жира-Турнуа

Чтобы понять принцип действия зеркала с высокой дисперсией, рассмотрим интерферометр Жира-Турнуа, который используется при компрессии фемтосекундных испульсов. Интерферометры Жира-Турнуа - это резонаторы стоячих волн, где высокоотражающее зеркало применяется для создания хроматической дисперсии. Фаза отраженного света зависит от длины волны из-за резонанса в покрытии зеркала. Зеркала интерферометра Жира-Турнуа создают угловую отрицательную дисперсию внутри резонатора. Однако этот метод привносит в лазерный импульс дисперсию высокого порядка и применяется в строго ограниченном диапазоне.

Чирпирующие зеркала

В отличие от зеркал интерферометра Жира-Турнуа, о которых было сказано выше, для чирпирующего зеркала имеет значение длина падающей волны. Как и диэлектрическое зеркало, каждый слой чирпирующего зеркала отражает определенную длину волны.  Толщина слоев покрытия увеличивается от внешней зеркальной поверхности к нижнему слою, поэтому длинные волны проникают глубже и проходят большую длину оптического пути, чем короткие волны. Так компенсируется дисперсия в чирпирующем зеркале.

Рисунок 3. Компенсация дисперсии в слоях чирпирующего зеркала.

К сожалению, резкие переходы между различными толщинами слоев в этой простой диэлектрической структуре вызывают колебания дисперсии групповой задержки (рис. 4).

Рисунок 4. Колебания дисперсии групповой задержки при переходе импульса через чирпирующее зеркало вследствие разной толщины слоев.

Зеркала с высокой дисперсией

Отражение зеркала с высокой дисперсией зависит от длины падающего излучения, как у чирпирующих зеркал. В покрытии зеркал с высокой дисперсией происходит множественный резонанс, как в зеркалах интерферометра Жира-Турнуа.  Отсутствуют ограничение полосы пропускания и колебания дисперсии групповой задежки – очевидное преимущество перед вышеописанными способами компрессии импульсов. Зеркала с высокой дисперсией имеют высокую пропускную способность, нулевую дисперсию третьего порядка и отрицательную задержку групповой скорости (Рис. 5 и рис. 6).

Рисунок 5. В дополнение к отрицательной дисперсии для компрессии импульсов зеркала с высокой дисперсией имеют высокую отражательную способность.

Рисунок 6. Зеркала с высокой дисперсией имеют отрицательную дисперсию групповой задержки, амплитуда колебаний которой минимально (по сравнению с чирпирующим зеркалом) зависит от длины волны.

Преимущества зеркал с высокой дисперсией по сравнению с традиционными чирпирующими зеркалами и зеркалами интерферометра Жира-Турнуа сделали их незаменимыми элементами короткоимпульсных лазерных систем.

©Edmund Optics

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ