超快激光器广泛应用于时间分辨光谱学、精密材料加工和非线性光学等领域。在这些应用的推动下，该领域的最新发展正致力于研制输出功率更高、脉冲宽度更短的激光器。目前，大多数短脉冲物理实验均采用钛蓝宝石激光器。此外，基于其他过渡金属或稀土离子掺杂晶体（如 Nd:YAG、Nd:YVO₄、Yb:KGW）的固态激光器也被用于产生超短脉冲。可稳定产生脉宽低于100fs的脉冲，与由棱镜对、光栅对或色散多层反射镜构成的宽带低损耗色散延迟线的开发密切相关。

    通过傅里叶分析可知，脉冲的光谱带宽与其持续时间相关。例如，一个脉宽为100fs、中心波长为800nm的高斯脉冲，其半高全宽带宽为11nm。对于更短的脉冲，其波长谱会显著展宽。一个10fs的脉冲，带宽可达107nm。

图1：脉冲在光学介质中传播时的展宽效应（示意图）

   当这样一个宽谱脉冲通过光学介质时，脉冲中的不同光谱成分会以不同的速度传播。玻璃等色散介质会给脉冲施加一种所谓的“正啁啾”，这意味着短波长（“蓝色”）分量相对于长波长（“红色”）分量会发生延迟（见图1中的示意图）。

    如果脉冲被介质反射镜反射，且脉冲的带宽大于或等于反射镜反射带的宽度，也可以观察到类似的展宽效应。因此，由双堆栈系统构成的宽带反射镜会导致脉冲展宽，因为在这些镀膜中，脉冲各光谱成分的路径长度差异极大。

     在亚百飞秒（<100 fs）区域，必须在飞秒激光器极宽的带宽范围内精确控制每个光学元件的相位特性。这不仅适用于展宽器和压缩器单元，也适用于谐振腔反射镜、输出耦合器以及光束传输系统。除了功率谱（即反射率或透射率）之外，脉冲中各傅里叶分量之间的相位关系也必须得到保持，以避免脉冲的展宽或畸变。

    对脉冲通过介质或经反射镜反射时所产生的相移（参见群延迟色散（GDD）和三次色散（TOD）部分）进行的数学分析表明，描述这一现象的主要物理量是群延迟色散（GDD）和三次色散（TOD）。这两个物理量分别定义为相位对频率的二阶和三阶导数。

图2：蓝光、绿光和红光在负色散反射镜中的光程长度（示意图）

   专门设计的介质反射镜能够为脉冲施加“负啁啾”。因此，可以补偿由晶体、窗口等元件产生的正啁啾。图2中的示意图从蓝光、绿光和红光在负色散反射镜中具有不同光程长度的角度解释了这一效应。

     请注意，介质负色散反射镜的 GDD 谱并非平坦曲线。所有类型的负色散反射镜的 GDD 谱都存在振荡。对于标准带宽，这些振荡较小。然而，宽带和超宽带负色散反射镜会表现出强烈的 GDD 振荡。通过使用由精心设计 GDD 振荡错位的反射镜组成的反射镜对，可以显著减小这些振荡。图3示意性地展示了这种反射镜对及其对应的 GDD 谱。

    也可以使用具有高负 GDD 值的负色散反射镜进行脉冲压缩。这类所谓的 Gires-Tournois 干涉仪（GTI）反射镜（参见 Gires-Tournois-Interferometer (GTI) Mirrors (600 – 1600nm) 部分）已成功应用于钛蓝宝石激光器、Yb:YAG 和 Yb:KGW 振荡器以及掺铒光纤激光器中。在 Yb:YAG 和 Yb:KGW 振荡器中进行脉冲压缩，可获得数百飞秒脉宽的脉冲。针对每种波长，后续页面将提供具有不同负 GDD 数值的元件。

    除了针对钛蓝宝石基频以及极具发展前景的 Yb:YAG 和 Yb:KGW 激光器光谱范围的光学元件外，LAYERTEC 还提供适用于该辐射谐波直至真空紫外（VUV）波长范围的光学元件、用于1500 nm波段超快激光器的光学元件，以及专为高功率超短脉冲激光器设计的光学元件。LAYERTEC拥有自主的设计计算能力，并具备在250 nm 至1700 nm波长范围内进行 GDD 测量的能力。

图3：负色散反射镜对原理示意图

群延迟色散（GDD）与三次色散（TOD）

    当脉冲被介质反射镜（即由高、低折射率层交替堆叠而成的膜层结构）反射时，由于脉冲中不同的傅里叶分量穿过反射镜层系统所需的时间不同，原始脉冲与反射脉冲之间会产生一个相移。通常，相移 Φ(ω) 在中心频率 ω₀附近可按泰勒级数展开为：

Φ(ω) = Φ(ω₀) + Φ'(ω₀)(ω–ω₀) + Φ''(ω₀)(ω–ω₀)²/2 + Φ'''(ω₀)(ω–ω₀)³/6 + …

    其中各项导数分别对应：群延迟（GD）Φ'(ω₀)、群延迟色散（GDD）Φ''(ω₀) 和三次色散（TOD）Φ'''(ω₀)。严格来说，该展开仅在精确可解的模型（例如变换极限高斯脉冲的传播以及纯相位色散情况）中才有实用价值。对于超短脉冲以及振幅色散与相位色散并存的情况，可能需要进行数值计算。尽管如此，这一展开式清晰地表明了各项的物理意义。

     假设相移是频率的线性函数（即脉冲带宽内群延迟 GD ≠ 0，而 GDD = 0 且TOD = 0），那么反射脉冲在时间上会被恒定群延迟所推迟，同时其幅度按反射率 R 的比例缩放。此时脉冲频谱将保持无畸变。

当 GDD ≠ 0 时，会观察到两个重要效应：
首先，反射脉冲在时间上被展宽。这种展宽效应仅取决于 GDD 的绝对值。LAYERTEC 提供“低 GDD 反射镜”，即在给定波长范围内 |GDD| < 20 fs² 的反射镜，可确保脉冲在这些反射镜上反射后其形状得以保持。

其次，脉冲变得“啁啾”，即其瞬时频率在脉冲持续时间内发生变化。这一效应取决于 GDD 的符号：瞬时频率可能变高（上啁啾，GDD > 0）或变低（下啁啾，GDD < 0）。这使得可以利用负 GDD 反射镜来补偿非线性光学元件产生的正 GDD 效应。

三次色散（TOD）同样决定了脉冲的长度和形状（脉冲畸变），并且在脉冲宽度为 20 fs 及以下时成为一个非常重要的因素。

啁啾镜（Chirped Mirrors）

   当超短激光脉冲通过光学系统时，其形状会发生变化。由于与波长相关的色散效应，每个单独波长的延迟程度不同，从而产生传播时间差异。结果，激光脉冲展宽，脉冲能量降低。为了抵消这种影响，需要使用啁啾镜。

    LAYERTEC公司应客户要求，生产专门的电介质系统（反射镜、泵浦反射镜、短通或长通滤光片、分束镜等），可在200–5000 nm波长范围内对相位响应进行定制化调整（即提供负色散或正色散）。

   具有宽带反射带宽的相位校正反射系统（其带宽可等于简单的布拉格反射镜（经典的λ/4反射镜）或更宽）被称为啁啾镜。而对于皮秒激光器而言，仅在几纳米带宽内具有（高）负色散值的相位校正反射镜，则被称为GTI反射镜。

图4 带有普克尔斯盒的腔倒空皮秒激光器的原理示意图

   带宽与布拉格反射镜相当的啁啾镜，通常可以在计算和制造过程中不产生明显的群延迟色散（GDD）振荡。所需的带宽越大，GDD 振荡就越强。在这种情况下，我们原则上建议利用其他光学元件（例如，通过一对啁啾镜）来相互补偿这种 GDD 振荡。

啁啾镜对（Chirped Mirror Pairs）

    啁啾镜用于补偿超短激光脉冲中与色散相关的传播时间差异。当群延迟色散（GDD）曲线振荡强烈时，就需要使用啁啾镜对（由两个啁啾镜组成）。对于高带宽的反射镜来说尤其如此。

    啁啾镜的GDD曲线并非一条直线，而是呈现振荡形态。振荡的强烈程度尤其取决于光谱带宽。当GDD带宽小于可比布拉格反射镜的带宽时，振荡会相当小。另一方面，高带宽的反射镜则会表现出强烈的GDD振荡。

图5 负色散镜对的群延迟色散（GDD）光谱和啁啾镜对

   通过使用相应的反射镜对可以实现校正。这些反射镜对由两个镀膜不同的介质反射镜组成，它们的群延迟色散（GDD）曲线相反，激光束可以根据需要在两者之间来回反射任意多次（见图）。这些反射镜针对小入射角进行了优化，以便实现大量次的反射。

GTI反射镜（GTI Mirrors）

    GTI反射镜用于对极窄的波长范围进行强烈的时间对准。这使其特别适用于紧凑型皮秒激光系统（例如Yb:YAG或Yb:KGW激光器）。

表1：常用GTI反射镜的示例参数值

图6 a) 用于1030 nm、具有不同GDD值的多种GTI反射镜的GDD光谱（用于Yb:YAG和Yb:KGW激光器的GTI反射镜）和b) GTI反射镜

AYERTEC 为全球领先的皮秒激光器制造商制造 GTI 反射镜已有超过二十年的历史。

    为了应对日益增高的脉冲功率和/或高重复频率，您也可以使用多个 GTI 反射镜来实现所需的色散校正。对于极端要求，通常必须在最大反射率、GDD 值和损伤阈值之间做出权衡。在此类系统的高负荷下，热透镜效应问题往往在器件损坏之前就已经出现。

用于超快应用的金属反射镜

    铝、银或金的金属层一方面具有在很宽带宽内反射光的优点，另一方面不会改变各个波之间相对的相位位置。因此，金属反射镜是短脉冲激光束传输导引的理想选择。

图7 镀银离轴抛物镜

     额外的电介质镀层可以保护金属层，使其与空气中的成分（氧气、硫）发生化学反应，从而实现长期稳定性。同时，它可以在有限的光谱范围内提高反射率，而相位响应几乎不受影响。

    这种增反型金属反射镜也经常用作扫描光学元件。

   德国LAYERTEC公司成立于1990年，三十多年专注于激光镜片的研制，已经成为多家世界顶级激光公司和科研单位的激光镜片长期供应商。不仅为客户提供数千种规格的激光镜片货架产品，还为客户提供各种激光镜片定制。

北京海科思锐光电仪器有限公司是LAYERTEC在中国的正式授权代理商，全面负责其产品在中国市场的销售。

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