500nm帶寬啁啾鏡對的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王家杰，楊 剛，劉文軍，李 健

引言

在很大的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行色散補(bǔ)償是產(chǎn)生飛秒脈沖的關(guān)鍵。光柵或棱鏡對通常用于脈沖壓縮，但是它們對光路的靈敏度和精確度提出了較高的要求，稍微偏離最佳位置或方向就會導(dǎo)致空間和時(shí)間啁啾［1－2］。啁啾鏡不但可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)提供最優(yōu)的色散補(bǔ)償，而且啁啾鏡對光路的精確度并不敏感，易于操作，因此被廣泛應(yīng)用于飛秒激光系統(tǒng)［3－8］。隨著超短脈沖技術(shù)向著更短的方向發(fā)展，啁啾鏡的設(shè)計(jì)和制作也處于不斷地發(fā)展中［9－14］。本文通過 Memetic算法優(yōu)化設(shè)計(jì)出中心波長為825nm、帶寬為600nm～1100 nm、群延遲色散為－100fs2的寬帶啁啾鏡，隨著補(bǔ)償帶寬和膜層數(shù)的增加，群延遲色散曲線振蕩越來越激烈，采用啁啾鏡互補(bǔ)配對的方法來進(jìn)行色散補(bǔ)償，即第2個(gè)啁啾鏡群延遲色散曲線相對第1個(gè)的曲線移動(dòng)半個(gè)周期，這樣2個(gè)鏡子的色散振蕩相互抵消，便可以非常有效地抑制色散曲線的振蕩。

1 500nm帶寬啁啾鏡對的設(shè)計(jì)與制作

1.1 500nm帶寬啁啾鏡對的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)中心波長為825nm、帶寬為600nm～1100nm、群延遲色散目標(biāo)值為－100fs2的寬帶啁啾鏡。選擇Nb2O5為高折射率材料，SiO2為低折射率材料，它們在中心波長處的折射率分別為2.230和1.4800。采用Memetic算法優(yōu)化，得到的第1個(gè)啁啾鏡A的膜層結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，從圖中可以看出，膜的總層數(shù)為68層，總厚度為8 668.60nm，最薄層厚度為42.78nm。啁啾鏡A的群延遲曲線如圖1（b）所示，反射率接近100%，群延遲曲線有微小振蕩。啁啾鏡A的反射群延遲色散曲線如圖1（c）所示，由圖可以看出由于寄生反射，反射群延遲色散曲線在色散目標(biāo)值附近振蕩，并且振蕩幅度較為均勻，振蕩幅度最大值約為±100fs2。

圖1 啁啾鏡A的計(jì)算結(jié)果Fig.1 Calculated results for chirped mirror A

為了消除啁啾鏡A群延遲色散曲線中的振蕩，需要另外設(shè)計(jì)一個(gè)啁啾鏡B，啁啾鏡B的群延遲色散曲線與啁啾鏡A的群延遲色散曲線移動(dòng)半個(gè)周期。由于啁啾鏡A和B的群延遲色散曲線在相同的波長部分波峰對波谷，啁啾鏡A和B的配對使用可以有效地抑制群延遲色散振蕩。高低折射率材料不變，優(yōu)化設(shè)計(jì)的啁啾鏡B的膜層結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，膜系總厚度為8 406.48nm，最薄層為41.47nm，膜的總厚度與鏡A有262.12nm的差異。與圖1對比可以看出，鏡A與B的結(jié)構(gòu)大體趨勢相同，區(qū)別在于每層膜大概有幾納米到十幾納米的差異。圖2（b）表示的是鏡B的折射率和群延遲關(guān)系曲線，有效帶寬為600nm～1100 nm，在有效帶寬范圍內(nèi)，反射率接近100%。與鏡A的群延遲曲線相比，鏡B的反射率與群延遲曲線僅僅有微小的平移，這正是啁啾鏡A和B結(jié)構(gòu)的微小差異所導(dǎo)致。圖2（c）為鏡B的反射群延遲色散曲線，其群延遲色散與鏡A類似，在色散目標(biāo)值附近振蕩，并且與鏡A群延遲色散曲線在相同波長附近處波峰對波谷，聯(lián)合使用啁啾鏡對A和B，可以有效消除振蕩，得到比較平坦的色散補(bǔ)償曲線。

圖2 啁啾鏡B的計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculated results for chirped mirror B

1.2 啁啾鏡對的制作與測量

采用粒子束濺射方法制作啁啾鏡對，并對啁啾鏡的反射率、群延遲和群延遲色散進(jìn)行了測量。圖3（a）為啁啾鏡對的反射率和反射群延遲，反射率和群延遲符合設(shè)計(jì)要求。圖3（b）為啁啾鏡對的群延遲色散，從圖中可以看出，盡管設(shè)計(jì)值以及測量值都在目標(biāo)值附近振蕩，群延遲曲線吻合得比較理想。存在振蕩的主要原因是因?yàn)檎袷幣c某些特定波長在多層高反膜內(nèi)的共振效應(yīng)有關(guān)。啁啾鏡的色散補(bǔ)償波長范圍為600nm～1100nm，補(bǔ)償?shù)膸挊O大，有效帶寬和膜層的增加會導(dǎo)致振蕩無法完全抵消。另外，從圖3（b）可以看出，在啁啾鏡的色散補(bǔ)償波長600nm～1100nm范圍內(nèi)，群延遲色散測量值的振蕩頻率低于設(shè)計(jì)值的振蕩頻率，而群延遲色散的振蕩幅度大于設(shè)計(jì)值的振蕩幅度。

圖3 啁啾鏡反射率、群延遲和群延遲色散的測量值Fig.3 Measured reflectivity，group delay and group delay dispersion of chirped mirror pair

2 脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)

把上述啁啾鏡用于脈沖的色散補(bǔ)償壓縮實(shí)驗(yàn)，采用頻率分辨光學(xué)開關(guān)方法對脈沖進(jìn)行測量。將中心波長為825nm、脈沖寬度為10.3fs的脈沖通過500μm的LBO晶體，由于晶體的色散效應(yīng)使脈沖被展寬，展寬后的脈沖通過啁啾鏡對進(jìn)行色散補(bǔ)償。圖4（a）為輸入LBO晶體的脈沖形狀，半峰值處得全寬度為10.3fs；圖4（b）為經(jīng)過LBO晶體后的脈沖形狀，半峰值處得全寬度為39.6fs；圖4（c）為經(jīng)過啁啾鏡對一次色散補(bǔ)償后的脈沖形狀，半峰值處得全寬度為11.6fs；圖4（d）是脈沖經(jīng)過啁啾鏡對兩次補(bǔ)償后的脈沖特性圖，脈沖經(jīng)過2次補(bǔ)償后，脈沖被壓縮到10.7fs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的啁啾鏡起到色散補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑢?shí)現(xiàn)了脈沖壓縮。

圖4 脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results for pulse compression

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了有效帶寬為500nm的啁啾鏡對，色散補(bǔ)償量為－100fs2，反射率大于99%。由于啁啾鏡的色散曲線隨有效帶寬和層數(shù)的增加而產(chǎn)生振蕩，通過配對設(shè)計(jì)有效地抑制了色散振蕩，并把加工的啁啾鏡對應(yīng)用于脈沖色散補(bǔ)償壓縮實(shí)驗(yàn)，10.3fs的入射脈沖通過色散晶體后展寬為39.6 fs，采用設(shè)計(jì)制作的啁啾鏡對展寬脈沖進(jìn)行色散補(bǔ)償，脈沖被壓縮到10.7fs。

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