Зеркала с высокой дисперсией. Обзор Edmund Optics

Дисперсия – это зависимость фазовой скорости или фазовой задержки света при его прохождении через оптическую среду от оптической частоты или длины волны. Внутри подложки оптики может происходить несколько различных типов дисперсии: хроматическая, интермодальная и поляризационная модовая дисперсия.

Показатель преломления плавленого кварца УФ-класса в зависимости от длины волны

Хотя эффект дисперсии минимален для многих типов лазерных систем, он особенно проблематичен в сверхбыстрых лазерных приложениях. Сверхбыстрые лазеры характеризуются короткой длительностью импульса порядка пикосекунд, фемтосекунд или аттосекунд. Из-за принципа неопределенности Гейзенберга сверхкороткие импульсы с ограничением по преобразованию, достигающие нижнего предела своей длительности, имеют широкую полосу частот. Поскольку эти широкополосные импульсы передаются через оптические среды, хроматическая дисперсия увеличивает длительность импульса, что отрицательно сказывается на сверхбыстрых приложениях.

Зависимость ширины полосы пропускания от длительности импульсов

Большинство оптических сред демонстрируют положительную дисперсию, поэтому длинные волны, проходящие через них, будут иметь более высокую фазовую скорость, чем более короткие, что увеличивает длительность импульса. Это называется положительным чирплетом. Сверхбыстрые лазеры подвержены дисперсии значительно больше, чем другие типы лазеров, из-за их широкой полосы пропускания.

Дисперсия приводит к расширению сверхкоротких лазерных импульсов

Помимо расширения импульса, хроматическая дисперсия может также сделать углы преломления на оптических поверхностях частотно-зависимыми, вызывая угловую дисперсию и длину пути, зависящую от частоты. Методы компенсации дисперсии для улучшения характеристик сверхбыстрых лазерных систем можно найти в нашей заметке по применению высокодисперсных зеркал.

Положительный чирплет или дисперсию, вносимую большинством оптических сред в сверхбыстрых системах, можно компенсировать с помощью оптических компонентов, таких как зеркала с высокой дисперсией, которые имеют отрицательную дисперсию. Это дает коротким волнам более высокую фазовую скорость, чем длинноволновые, что уравновешивает положительный чирплет и сокращает длительность импульса.

Зеркала с высокой дисперсией и другая оптика в системе

Ранние методы компенсации дисперсии

Несколько различных типов оптики со сжатием импульсов традиционно использовались в сверхбыстрых системах до появления высокодисперсных зеркал, включая призмы, решетки, зеркала интерферометра Жире-Турнуа (GTI) и чирпированные зеркала.

Дисперсионные призмы и решетки

В сверхбыстрых лазерных системах можно использовать несколько призм и решеток с отрицательной дисперсией, чтобы сбалансировать положительный чирплет и сжать длительность импульса. Дисперсионные призмы обычно представляют собой громоздкие конструкции, занимающие много места. Как дисперсионные призмы, так и решетки также обычно имеют низкую пропускную способность, высокую чувствительность к юстировке и пространственному разносу, а также большую величину дисперсии третьего порядка, которая увеличивает временное расширение.

Призмы и решетки в системе

Зеркала интерферометра Жире-Турнуа

Чтобы понять, как работают зеркала с высокой дисперсией, необходимо разобраться в зеркалах интерферометра Жире-Турнуа (GTI). Эти интерферометры представляют собой резонаторы стоячей волны, в которых используется зеркало с высокой отражающей способностью для создания хроматической дисперсии. Фаза света, отраженного зеркалами, зависит от длины волны из-за резонанса в покрытии зеркала, что позволяет зеркалам обеспечивать зависимый от угла отрицательную дисперсию групповой задержки для сверхбыстрого управления внутрирезонаторной дисперсией. Однако зеркала интерферометра вносят некоторую дисперсию высокого порядка и обеспечивают только отрицательную дисперсию групповой задержки в ограниченном диапазоне длин волн.

Чирпированные зеркала

Также важно изучить чирпированные зеркала, чтобы полностью понимать зеркала с высокой дисперсией. В отличие от зеркал интерферометра Жире-Турнуа, которые обеспечивают отрицательную дисперсию групповой задержки с помощью резонансного эффекта, чирпированные зеркала вводят управляемую отрицательную дисперсию за счет зависящей от длины волны глубины проникновения в покрытие зеркала. Типичные диэлектрические зеркала предназначены для отражения одной конкретной длины волны, в то время как каждый слой покрытия в чирпированном зеркале предназначен для отражения определенной длины волны. Толщина слоев покрытия увеличивается от поверхности внешнего зеркала к нижнему слою, в результате чего длинные волны проникают глубже в покрытие и проходят более длинные оптические пути, чем более короткие волны, что противодействует положительной дисперсии.

Переменная толщина слоя чирпированных зеркал

К сожалению, резкие переходы между слоями различной толщины в такой простой диэлектрической структуре вызывают колебания дисперсии групповой задержки (GDD) в зависимости от длины волны.

Колебания в дисперсии групповой задержки чирпированного зеркала из-за дискретной смены слоев разной толщины

Высокодисперсные зеркала

Высокодисперсные зеркала для сверхкоротких импульсов сочетают в себе зависящее от длины волны проникновение, подобное проникновению чирпированных зеркал, с мультирезонансным эффектом покрытия, известным как мульти-GTI. Зеркала с высокой дисперсией также обеспечивают высокую пропускную способность, нулевую дисперсию третьего порядка и отрицательную дисперсию групповой задержки с большой величиной, что делает их идеальной оптикой для сжатия импульсов для сверхбыстрых систем.

Помимо отрицательной дисперсии для сжатия импульсов, высокодисперсные зеркала обеспечивают высокую отражательную способность для максимальной производительности

Высокодисперсные зеркала предлагают отрицательную дисперсию групповой задержки с большой величиной и гораздо меньшими колебаниями, зависящими от длины волны, чем чирпированные зерркала

Несколько преимуществ высокодисперсных зеркал для сверхкоротких импульсов по сравнению с традиционными чирпированными зеркалами и зеркалами интерферометра Жире-Турнуа сделали их незаменимыми элементами сверхбыстрых лазерных установок. Они очень полезны для приложений в области генерации сверхкоротких импульсов высокой энергии, где требуется отрицательная дисперсия групповой задержки большой величины. Эти зеркала допускают сжатие импульсов без увеличения количества отражений от диспергирующих зеркал, что ограничивает чувствительность юстировки и потери при передаче в оба конца.

Чирпированные зеркальные пары

Как было показано ранее, высокодисперсные зеркала позволяют избежать дисперсии третьего и более высокого порядков, характерной для традиционных методов сжатия, таких как решетки и призмы. Однако они испытывают колебания дисперсии групповой задержки в полосе пропускания более 100 нм. Зеркала в паре чирпированных зеркал выбираются так, чтобы они имели противофазные колебания дисперсии групповой задержки (GDD), что приводит к общей GDD без колебаний в широкой полосе пропускания. Это позволяет уменьшить длительность импульса до <3 фс.

Два чирпированных зеркала с противофазными колебаниями GDD объединены в пару

Оптика для сверхкоротких импульсов: проблемы и решения