Высокодисперсионные зеркала

Сжатие импульсов и компенсация дисперсии для лазеров ультракоротких импульсов

• Лазеры ультракоротких импульсов излучают чрезвычайно короткие импульсы, что приводит к более широкому спектру длин волн по сравнению с большинством лазеров.
• Дисперсия в оптических компонентах, таких как объективы микроскопов, увеличивает длительность импульса, что вредно для приложений ультракоротких ипульсов.
• Диэлектрические зеркала для ультракоротких импульсов с высокой дисперсией являются идеальным решением для компактной, нечувствительной к выравниванию и широкополосной компенсации дисперсии.
• Эти зеркала с высокой дисперсией и низкими потерями используются для сжатия импульсов, например, для усиления чирпированных импульсов.

Высокодисперсные зеркала для ультракоротких импульсов критически важны для сжатия импульсов и компенсации дисперсии в приложениях ультракоротких импульсов. Лазеры ультракоротких импульсов излучают чрезвычайно короткие импульсы с длительностью в пикосекунды, фемтосекунды или аттосекунды, и из-за принципа неопределенности Гейзенберга импульсы, ограниченные преобразованием и достигающие нижнего предела длительности импульса, имеют широкую полосу пропускания, охватывающую значительный разброс длин волн (рис. 1). Дисперсия этой широкой полосы при прохождении через оптические среды, такие как объективы, окна или линзы, растягивает длительность импульса ультракоротких импульсов, что делает компенсацию дисперсии важной частью приложений лазеров с ультракороткими импульсами.

Рисунок 1. Чем короче импульс лазера ультракоротких импульсов, тем шире полоса пропускания его длины волны

Лазеры ультракоротких импульсов: скорость имеет значение

Короткая длительность импульса и высокая пиковая мощность лазеров ультракоротких импульсов очень выгодны для ряда приложений, включая обработку материалов, микрообработку, биомедицинские приложения, нелинейную визуализацию и микроскопию, оборону и связь. При обработке материалов и микрообработке лазеры ультракоротких импульсов позволяют получить лучшие допуски на размеры, уменьшить повреждение окружающих областей и устранить этапы последующей обработки. Короткая длительность импульса лазеров ультракоротких импульсов также приводит к меньшей травматичности при применении лазеров в медицине, например, в глазной хирургии LASIK, снижая необходимость в стерилизации и анестезии (рис. 2).

Рисунок 2. Лазеры ультракоротких импульсов используются для безлезвийной хирургии глаза LASIK для повышения безопасности пациента, снижения риска инфекции и повышения точности

Дисперсия: что это такое и почему это важно?

Хроматическая дисперсия описывает зависимость фазовой скорости (или скорости) света в оптической среде от его оптической частоты или длины волны. Большинство материалов, используемых для изготовления оптических компонентов, обладают положительной дисперсией, что означает, что более длинные волны имеют большую фазовую скорость, чем короткие (рис. 3). Это удлиняет длительность импульса ультракоротких импульсов в процессе, известном как положительный чирп, который вреден во многих приложениях.

Рисунок 3. Дисперсия приводит к уширению ультракоротких лазерных импульсов. AOM означает акустооптический модулятор, который является компонентом, позволяющим лазерам излучать импульсный выходной сигнал.

Однако это можно компенсировать с помощью оптических компонентов, таких как многослойные диэлектрические зеркала, которые обладают отрицательной дисперсией, при которой короткие длины волн имеют большую фазовую скорость, чем длинные. Это уравновешивает положительную дисперсию, возникшую ранее в системе, что приводит к сжатию импульса для достижения оптимальной производительности (рис. 4).

Рисунок 4. Сжатие импульсов с отрицательной дисперсией может нивелировать положительную дисперсию, которую испытывают ультракороткие импульсы при передаче через оптические среды

При рассмотрении того, как дисперсия влияет на системы лазеров ультракоротких имульсов, необходимо понимать групповую задержку и дисперсию групповой задержки (GDD). Групповая задержка оптического компонента - это производная изменения фазы электрического поля излучения по отношению к его угловой частоте. GDD определяется как производная групповой задержки, или вторая производная спектральной фазы, по отношению к частоте. GDD на единицу длины известен как дисперсия групповой скорости (GVD). GDD обычно указывается в единицах фс², а GVD - в единицах фс²/мм. Оптика для сжатия импульсов обычно имеет отрицательную GDD с большой величиной, чтобы сжимать положительно чирпированные импульсы.

Решение: высокодисперсные зеркала для ультракоротких импульсов

Существует несколько различных типов оптики для сжатия импульсов для сверхбыстрой компенсации дисперсии, включая решетки и призмы. Однако высокодисперсные зеркала выгодны для сжатия импульсов благодаря своим компактным размерам, низким потерям и высокоотрицательной дисперсии в большой полосе пропускания, что может быть использовано для нечувствительных к выравниванию импульсов компрессоров, которые компенсируют GDD, а также дисперсию третьего и высокого порядков.

Чтобы понять, как функционируют высокодисперсные зеркала для ультракоротких импульсов, важно понять два других типа зеркал: зеркала интерферометра Жира-Турнуа (GTI) и чирпированные зеркала. Зеркала GTI используют резонанс для обеспечения зависящего от угла отрицательного GDD для внутриполостного контроля дисперсии в лазерах ультракороткой длительности импульсов. Однако GTI-зеркала обеспечивают отрицательное GDD в очень ограниченной полосе пропускания и вносят некоторую дисперсию высокого порядка.

С другой стороны, чирпированные зеркала обеспечивают контролируемый отрицательный GDD за счет глубины проникновения лазерного импульса, зависящей от длины волны. Толщина слоя в их диэлектрическом покрытии увеличивается по мере проникновения света в покрытие. Это приводит к тому, что короткие длины волн имеют меньшую глубину проникновения в покрытие, чем длинные, что позволяет длинным длинам волн "догнать" короткие длины волн и испытать большую групповую задержку (рис. 5). Однако в этих простых многослойных диэлектрических структурах дискретное переключение между различными толщинами слоев приводит к колебаниям GDD в зависимости от длины волны, подобно колебаниям, наблюдаемым в резонаторе Фебри-Перо.

Рисунок 5. Чирпированные зеркала имеют переменную толщину слоя, которая вызывает отрицательную дисперсию, позволяя более длинным волнам проникать дальше в покрытие, чем коротким

Высокодисперсные зеркала для ультракоротких импульсов решают эту проблему путем сочетания эффекта проникновения, зависящего от длины волны, аналогичного эффекту традиционных чирпированных зеркал, и многорезонансного эффекта, известного как multi-GTI. Это оптимизированное сочетание эффектов проникновения и резонанса позволяет получить более высокие значения GDD и низкие потери в широкой полосе пропускания без увеличения толщины многослойной структуры покрытия.

Традиционная оптика для сжатия импульсов, такая как решетки или дисперсионные призмы, также может быть использована для сжатия ультракоротких импульсов и компенсации дисперсии. Однако высокодисперсные зеркала более выгодны благодаря своим компактным размерам, низким потерям и отрицательным GDD с большими величинами в большой полосе пропускания (рис. 6 и 7).

Рисунок 6. Кривая отражения высокодисперсных зеркал с длиной волны 1030 нм

Рисунок 7. Кривая дисперсии групповой задержки (GDD) высокодисперсных зеркал с длиной волны 1030 нм

Типичные лазеры с усилением чирпированных импульсов (CPA), которые усиливают ультракороткие импульсы до высокой оптической пиковой интенсивности, предотвращая при этом чрезмерные нелинейные искажения импульсов или повреждение среды усиления, полагаются на растяжение и сжатие импульсов до и после усиления. Поэтому сжимающая оптика, такая как высокодисперсные зеркала для ультракоротких импульсов, очень важна.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ