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      飛秒激光器中的色散管理技術

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      啁啾脈沖放大技術分解開來,可以看成寬帶脈沖的色散管理技術和被展寬脈沖的放大技術的組合,激光放大技術在激光發明之時已經被研究十分透徹,其原理和激光振蕩器并無本質差異, 而利用色散對脈沖進行展寬和匹配壓縮則是CPA技術的靈魂?!咀ⅲ捍颂幍纳⒐芾硎侵笗r間色散,而不是空間色散?!?/span>

      以G. Mourou和D. Strickland在Optics Communications [1] 的開山之作為例:  鎖模激光器輸出的脈沖經過1.4公里長的光纖被展寬到300ps, 經再生放大后,進入光柵對光學系統得到壓縮。光纖材料本身提供正色散(長波速度快于短波速度)將寬帶脈沖拉寬,光柵對結構提供匹配負色散(長波速度快于短波速度)將脈沖壓縮。

      圖5.png

      圖1:CPA技術最原始參考文獻中的光路設計[1]


      在CPA激光系統中,所謂的色散管理技術就是保證提供正色散的子單元和提供負色散的子單元可以完全匹配,從而在激光系統終端得到最窄脈沖寬度和最優化脈沖時間質量。Mourou老爺子在當時可以提出偉大的CPA設想并在實驗上得到驗證確實令人膜拜,但是時至如今還堅持采取這種具體色散管理辦法的話就要被人詬病了, 因為其存在一個很大缺陷:光纖材料的三階色散和光柵壓縮器的三階色散符號一致,無法相消,如果仔細斟酌最終壓縮脈沖的話,其時間質量肯定是不理想的。

      本文以技術介紹為原則,避免進入繁瑣的數學公式,首先給出幾個基本原理:

      1.在色散為零的條件下,光譜越寬,脈沖越窄;

      2.在色散一定的條件下,光譜越寬,脈沖被拉長得越寬;

      3.在光譜寬度一定的條件下,色散量越大,脈沖被拉長得越寬;

      4.在帶寬(光譜范圍)一定的情況下,各個波長成分的相位一致時,對應的脈沖成為傅里葉轉換極限脈沖,這是超快激光系統色散管理追求的終極目標。

      光譜相位可以作泰勒級數展開:

       

      該級數展開式中,φ’’(w0)稱為群速度色散GVD, 或者直接稱為二階色散,φ’’’(w0)稱為三階色散,其他階次的色散同理類推。CPA系統色散管理需要至少保證最終二階和三階凈色散為零。

      下文將介紹幾種典型的色散管理技術,并給出對應的商用激光器。

      1.色散塊材料和棱鏡對的組合

      圖6.jpg
      圖2:使用色散材料和棱鏡對進行色散補償


      不同的波長經過光學材料,由于其折射率的不同,速度也不同,因此形成了色散效應,寬帶飛秒脈沖在時間上發生展寬效應,在近紅外波段,大多數光學材料具有正色散特性,也就是長波的速度更快。一般情況下光學材料產生的色散量比較小,以融石英為例,10mm長度提供的二階色散為360fs, 三階色散為275fs3。

      與光學材料配對的色散補償器件一般為棱鏡對 [2],寬帶光經過第一塊棱鏡對以后,產生空間角色散,不同的波長成分在第二塊棱鏡中的傳播距離不同,長波速度慢,短波速度快,因此符合了和材料各階色散相消的特征,通過設計棱鏡的材料、間距、插入量等參數達到補償材料正色散的目的。

      在啁啾鏡發明之前,商用的鈦寶石飛秒激光器均采用這種色散補償組合,后來Femtolasers公司的鈦寶石放大器也采用這種辦法。該組合只適用于色散量較小的系統,對于10ps以上的展寬量而言,整個系統體積會很龐大,影響穩定性。


      2.材料+啁啾鏡

      圖8.jpg

      圖3:使用色散材料和啁啾鏡進行色散補償


      如果系統產生的剩余色散相對較小,除了棱鏡對以外,可以使用啁啾鏡進行色散補償,在之前的公號文章中也對啁啾鏡的原理進行了介紹,如需回顧請參考文章【啁啾鏡的原理和應用】。

      啁啾鏡[3]對常常應用在超快振蕩器內,用來精確補償很小的腔內材料色散(可同時配合棱鏡對或尖劈對)。啁啾鏡也常用在基于超快激光的超連續產生過程中,超短激光脈沖透過超連續材料后光譜展寬,需要用啁啾鏡對脈沖壓縮至更短的脈寬。

      使用這種色散補償方案的商業激光器為Femtolasers公司(現在為光譜物理公司的一部分)鈦寶石激光振蕩器。

      3.馬丁內茲展寬器+光柵對

      圖7.jpg

      圖4:使用馬丁內茲型展寬器和光柵對進行色散補償


      飛秒激光系統的能量若要進一步提高,從抑制非線性效應和防止損傷的角度,就對脈沖的展寬量提出了更高的要求,比如mJ量級系統脈沖展寬一般需要至少幾十皮秒量級,百皮秒脈沖寬度則更優,因為更寬的脈沖寬度對應更高的損傷閾值。

      目前最常用的是馬丁內茲型展寬器[4],其結構如圖3所示,使用光柵作為色散元件,配合成像系統及光束爬高器,最終形成提供正色散的系統,通過合適的設計,可將脈沖展寬到百皮秒的量級。

      光柵對和爬高器的組合[5]可以提供等量負色散,最終將脈沖壓縮回飛秒尺度。

      利用光柵強大的分光能力,馬丁內茲展寬器和光柵對壓縮器都可以提供~106fs2量級的色散量。

      使用該色散管理組合的典型商業激光系統為相干公司和光譜物理公司的鈦寶石激光放大器。


      4.Offner展寬器+光柵對

      圖9.jpg

      圖5:使用Offner展寬器和光柵對進行色散補償


      在馬丁內茲展寬器中,使用凹面鏡成像,由于光束被光柵在空間上擴成長條狀,因此不可避免要產生像差,法國人G. Cheriaux引入了凹面鏡和凸面鏡的組合而成的Offner望遠鏡系統 [6] ,減少了像差,與此同時,在同樣的尺寸條件下,Offner展寬器可以提供更大的色散量,從而將脈沖展寬到ns量級,適用于百太瓦以及拍瓦系統的色散管理。

      同樣使用光柵對的色散管理辦法配合完成脈沖壓縮的功能。

      使用該色散管理組合的典型商業激光系統為Amplitude公司和Thales公司的鈦寶石激光放大系統。


      5.CFBG+CVBG [7,8]

      圖10.jpg
      圖6:使用CFBG和VBG進行色散補償


      Yb激光器由于其直接半導體泵浦的特性,具有極其優良的熱學特性,已經成為科研和工業應用的新寵。相比鈦寶石激光器,其帶寬較窄,因此可以使用結構更為簡單且工藝復雜的啁啾光纖布拉格光柵(CFBG)進行展寬,目前產品最成熟的是加拿大Teraxion公司,可以根據具體應用場景進行各階色散的定制和微調。與其對應的最簡易的色散匹配單元為啁啾體布拉格光柵(CVBG),其結構極其緊湊,厘米量級的尺寸可以大大縮小系統的尺寸。

      但需要注意的是,該組合的色散調節自由度幾乎為零,因此需要設計者精確把控系統各階色散,否則將造成脈沖不可壓縮的后果。

      該組合對應的商用激光器為IPG公司最近推出的飛秒光纖激光系統YLPF系列。


      6.CFBG+光柵對

      圖11.jpg
      圖7:使用CFBG和透射光柵對進行色散補償


      上述CFBG+CVBG的組合固然具有緊湊的特點,但是喪失了調節的靈活性,CVBG的生廠商Optigrate被IPG收購,這基本就限制了工業飛秒激光器的采購途徑。

      解決靈活性和采購受限性問題的辦法之一是使用CFBG和透射光柵對的組合,利用光柵的間距和角度兩個自由度進行脈沖寬度的微調。

      在光纖激光器中,為了避免非線性效應,需要把脈沖寬度展寬到ns量級,這就需要極大增長光柵對之間的距離,造成體積的龐大,這就可以解釋一般的高功率飛秒光纖激光器并沒有我們想象的那樣緊湊。

      據初步了解,通快,Amphos, Amplitude等公司的超快激光器采用此色散補償組合,但是準確性有待考證。


      7.材料+棱柵對[9]

      圖12.jpg
      圖8:使用色散材料和棱柵對進行色散補償


      本文開篇提到光纖和光柵對之間的三階色散是不匹配的,如果還是希望利用緊湊型的色散材料進行展寬,可以采用棱柵對的技術進行色散補償。所謂棱柵對,顧名思義,就是光柵和棱鏡的組合,通過控制光柵和棱鏡的光學和物理參數,可以實現負二階色散和負三階色散的組合,完美匹配材料色散。

      使用該色散組合的商業激光系統為美國KMLabs的幾款放大器。法國Faslite公司擁有透射式棱柵對的專利,提供定制化色散補償解決方案。


      【結語】在CPA激光系統中,總是會存在色散管理不完美的狀況,系統會剩余一些高階色散,這時候就需要色散補償神器登場了,這就是法國Faslite公司的聲光可編程色散濾波器DAZZLER。該神器配合脈沖測量Wizzler形成反饋控制系統,可得到完美的傅里葉轉換極限脈沖。Dazzler的原理在本公眾號前期的文章中已經詳細介紹,在此不再贅述。

      圖13.png圖14.jpg
      圖9:Fastlite Dazzler+Wizzler 組合獲得完美脈沖質量


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      參考文獻:

      [1] Optics Communications, Volume 56, Issue 3, 1 December 1985, Pages 219-221

      [2] R. L. Fork, O. E. Martinez, and J. P. Gordon, "Negative dispersion using pairs of prisms," Opt. Lett. 9, 150-152 (1984)

      [3] "Chirped multilayer coatings for broadband dispersion control in femtosecond lasers" by R. Szipocs, Ch. Spielmann, F. Krausz, and K. Ferencz, Opt. Lett. 19, 201-203 (1994) 

      [4] O. Martinez, IEEE J. Quantum Electron. 23, 59–64 (1987)

      [5] E. Treacy, IEEE J. Quantum Electron. 5, 454–458 (1969)

      [6] G. Cheriaux, P. Rousseau, F. Salin, J. P. Chambaret, Barry Walker, and L. F. Dimauro, "Aberration-free stretcher design for ultrashort-pulse amplification," Opt. Lett. 21, 414-416 (1996)

      [7]https://www.teraxion.com/en/products/ultrafast-laser/tunable-pulse-stretcher-ultrafast-lasers-vbg/

      [8]https://www.teraxion.com/en/news-events/teraxion-offers-tunable-pulse-stretcher-vbg-compressor-pair-ultrafast-laser-systems/

      [9] Forget, N., Crozatier, V. & Tournois, P. Appl. Phys. B (2012) 109: 121. https://doi.org/10.1007/s00340-012-5126-2



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