超快激光的脉宽压缩方法

2023.12.11

超快激光器的脉冲由于其短持续时间，天然地具备较宽光谱带宽。但实验光路中用到的许多光学介质的正色散会展宽超快脉冲，从而降低系统性能。通过使用多种技术，可以减轻这些影响，并将脉冲压缩至所需的持续时间，本文将重点探讨这些技术。

脉冲压缩场景

多光子显微镜等超快成像应用中的模糊图像表明，长脉冲探测使得运动物体在时间上被拉伸。在超快激光加工中，脉冲的拉伸会导致切割精度降低和效率降低。超快脉冲的短持续时间和高峰值功率使其在这两种应用中具备优势。拉长脉冲会降低多光子相互作用的可能性，从而降低超快过程的效率。

何时和如何压缩脉冲

确定何时以及如何压缩激光脉冲时，请考虑以下关键问题：
1. 您的系统有多大的可变性？您能轻松地替换不同的组件吗？您是否需要执行需要不同光学配置的不同过程或实验？这将影响哪些组件最适合您的解决方案。
2. 您的实验对脉冲持续时间变化有多敏感？您是否需要 <10 fs 精度的脉冲？还是 100 fs 精度就足够了？脉冲持续时间允许的变化越小，您的脉冲压缩解决方案就越需要更大的灵活性和可调性。
3. 您理想的脉冲持续时间是多少？您的起始脉冲持续时间是多少？如果您的脉冲持续时间是数百飞秒，通常可以使用多个透射光学组件，然后再考虑脉冲持续时间的影响。然而，对于使用超短脉冲的人（可能约为 5 到 10 fs），情况并非如此。此外，如果您从 100 fs 脉冲开始，但希望将其压缩到 5 fs，则涉及超出本文讨论的脉冲压缩策略的额外步骤。
4. 您的光束路径中还有哪些其他光学器件？群延迟色散是多少？色散引起的脉冲时间失真可以通过群延迟色散（GDD）来量化。GDD 是一个频率相关的值，与给定材料的厚度成线性关系。透射式光学元件（如窗口、透镜和物镜）通常产生正 GDD，因此曾经压缩的脉冲会在经过透射光学元件后出现脉宽展宽的情况。粗略了解系统中存在的 GDD 的大小可以使脉冲再压缩策略的选择非常简单。

色散补偿脉冲压缩方法

1，棱镜对压缩器

棱镜压缩（见图 1）利用棱镜的色散效应，通过棱镜材料折射率的差异对脉冲的频率分量施加频率相关延迟来实现激光脉冲的压缩。当一个宽频光束通过棱镜时，不同频率的光波将会发生不同的折射，这种光程差在时间上对齐脉冲的不同波长。这种频率依赖的折射会导致脉冲中的不同频率成分在时间上发生分离，从而实现对脉冲的压缩。通过适当调整棱镜的角度和相对位置，可以使分离的频率成分再次重叠，从而实现对脉冲的进一步压缩。
优势：-相对于其他压缩技术，如光栅压缩或色散补偿光纤，棱镜压缩的系统相对简单，更容易实现和调整。
-棱镜具有较高的损耗容限，可以处理高功率激光脉冲而不会引起光学元件损坏。
-棱镜压缩可以实现较高的压缩比，产生的脉冲可以达到亚飞秒或飞秒级别。
疑问：棱镜对可以压缩到亚非秒吗
劣势：-棱镜压缩对输入脉冲的光谱和色散特性比较敏感，需要精确的调节和控制，以确保良好的压缩效果。
-相对于一些其他技术，棱镜压缩的压缩效率可能较低。

图1.棱镜对脉冲压缩器

1，光栅压缩器

光栅压缩器以类似的方式工作，但依赖衍射而非折射来重新压缩脉冲。相比于棱镜，光栅可以提供更大的色散量，从而可用于脉冲展宽量或者色散补偿量要求更高的应用场景。
例如，目前大部分的商用钛宝石激光器通常使用基于反射式光栅的脉冲压缩器。此外，在多种科学研究中，需要使用具有色散特性的脉冲研究不同波长在不同时间下的动态过程，也需要将已经压缩过的脉冲进行重新的展宽。
对于毫焦乃至焦耳量级的激光脉冲，反射式光栅色散补偿器是很好的选择。我们可根据客户的定制化要求提供结构紧凑，色散补偿灵活，较高传输效率的反射式光栅色散补偿器。
但是除了使用最常用的反射式镀金属膜光栅，透射光栅由于其结构稳定、更高的损伤阈值、更灵活的色散补偿结构、更高的衍射效率，逐渐成为了飞秒激光器的新宠。透射光栅压缩器大多数应用于Yb超快激光系统中，在某些商品化钛宝石激光器中也开始应用。

图2. 反射式光栅对脉宽压缩器透射式光栅对脉宽压缩器

尽管棱镜和光栅可用于脉冲压缩，但与高色散的反射镜相比，它们也有利有弊。

利：-可以通过元件之间的距离、材料厚度和刻线密度等变量实现色散连续可调。
-可兼容非常大输入的带宽。
-适合调整非常非常短的脉冲。
弊：-对初学者光路调节能量要求较高。
-引入高阶的色散，这会再一定程度上扭曲脉冲的时间分布。
-会在空间中轻松产生脉冲的单独频率分量（称为“空间线性调频”）。

1，脉冲压缩镜：啁啾镜。

啁啾反射镜的工作原理是对对应不同波长的光设计不同的膜层深度，从而实现不同波长间在时间上发生改变（见图 3）。与棱镜或光栅压缩器的操作类似，这种效应会相对于其他波长延迟某些波长。啁啾镜之所以产生这种效应，是因为不同波长到达膜层的深度不一致，当所有波长最终同时从薄膜中反射回来，此时脉冲就被重新压缩。部分啁啾反射镜的典型特征是高 GDD 振荡，因此会有必须要成对使用才能获得半平坦的 GDD 响应的情况。

图3 可变的层厚度，加上涂层材料的战略性选择，导致啁啾镜对入射脉冲施加负色散

优势：-带宽超宽，部分波段可以到达大几百nm的带宽。
-通常具有小入射角，这使得在啁啾镜对中的两个镜子之间很容易多次反射。
-相对于棱镜和光栅的光路而言，调节更简单。
弊：-仅提供固定的GDD 的单程步长，这些步进不能连续可调谐。
-部分设计中，由于 GDD 振荡，需要在互补对中使用。
-应用受限于其指定的带宽。
通常具有比其他方法更小的 GDD 值（棱镜对往往提供大几千至上万的啁啾量；光栅对能提供几十万的啁啾量，啁啾镜单程提供几十至上千啁啾量）。例如，如果您需要补偿系统中少量的GDD，或者您在不同设置之间进行切换（例如，从Ti：sapphire和Yb掺杂激光器切换），则啁啾镜对将成为上乘之选。图4提供了互补啁啾镜对的典型示例。

图4.在这些超宽带啁啾镜中，通过使用“L”和“S”分量的协同作用实现的组合响应“∑”来抵消高幅度GDD振荡。

1，脉冲压缩镜：高色散的反射镜。

高度色散反射镜结合了啁啾反射镜的频率相关穿透深度与多共振效应，以在产生更大幅度的GDD时实现更少的振荡。尽管高色散反射镜的带宽可能比其他方法略窄，但许多高色散反射镜设计能够在其指定带宽上实现极高的反射率（参见图5）。
优势：-能够实现高幅度的GDD。
-通常具有较小的入射角，适用于多个反射镜之间的许多反射。
-与棱镜和光栅相比，易于对齐。
-不需要成对使用。
-通常具有高反射率，在整个光路中产生较少的功率损耗。
弊端：-仅提供无法连续可调谐的GDD积分步长。
-受其指定较窄带宽的限制。
如果您需要在固定系统中补偿相当数量的GDD，高色散反射镜将是理想之选。高色散反射镜的样品反射率和GDD曲线如图6所示。

图5.高色散反射镜是一种强大的工具，可引入负色散以抵消超快激光脉冲在通过光学介质传输时所经历的正色散。

除了用于超快脉冲压缩的负色散外，高色散反射镜还提供高反射率，以最大化效率，超快高色散反射镜提供负GDD，具有高幅度，并且与啁啾反射镜相比，色散振荡要小得多。
何时以及如何重新压缩超快激光脉冲的决定在很大程度上取决于应用，但对不同方法及其优缺点的基本了解可以让您走在前列。与您的光学元件供应商讨论您的特定应用，以获取指导，以确定最适合您系统的最佳脉冲压缩方法是最好的选择。

非线性脉冲压缩：MPC&HCF

我们上面已经详细介绍了常见飞傅里叶极限脉宽下的面宽压缩方法，对于另外一些已经接近于与傅里叶极限的激光系统来说，为了在超快激光器中实现良好的脉冲压缩，必须考虑非线性光学（NLO）技术。接下来让我们深入了解空芯光纤脉冲压缩器和多次传输腔脉冲压缩器的工作原理、优缺点以及应用选择基础：

1. 空芯光纤脉冲压缩器：

图6 SAVANNA是一种空芯光纤压缩器，可在光谱展宽后缩短输入脉冲持续时间

工作原理：
空芯光纤脉冲压缩器基于自相位调制和光谱展宽的原理工作。激光脉冲耦合到特殊设计的空芯光纤中，在其中由于材料的强度相关折射率而发生自相位调制。这种调制导致光谱的展宽，经过色散补偿后，展宽的光谱重新组合形成压缩脉冲。除了脉冲宽度压缩，此设备也可用于光纤输出超连续谱的研究。

图7.飞秒激光脉冲传输进中空的光纤，中空结构内充满可调压的惰性气体，利用飞秒脉冲和惰性气体产生的非线性效应将激光的谱展宽成为白光。激光从光纤输出后，使用超带宽的色散补偿反射镜将激光脉冲宽度压缩到比入射至光纤前更短的时间宽度。此设备结合色散补偿反射镜可高效地产生周期级的飞秒脉冲激光。

图7.超宽带光纤输出光谱,可用于400nm-1200 nm的近红外光谱实验

优点：- 高峰值功率：空芯光纤压缩器能够处理高能量脉冲而无需显著的非线性效应，从而实现高峰值功率的脉冲压缩。
- 脉冲质量的保持：该压缩器中采用的低非线性效应和色散补偿技术有助于保持脉冲质量，维持高信噪比。
- 宽光谱带宽：通过自相位调制实现的光谱展宽使得能够生成具有宽带宽的脉冲，满足需要广泛频率范围的应用。
- 紧凑型设置：使用空芯光纤可实现紧凑且稳健的设置，适合集成到激光系统中。

缺点：- 压缩比有限：与其他技术相比，空芯光纤压缩器通常不适用于实现非常高的压缩比。
- 脉冲能量有限：由于空芯光纤的损耗，该压缩器的能量通量可能受限。

应用选择基础：
空芯光纤脉冲压缩器非常适用于需要高峰值功率和宽光谱带宽的应用。它在高强度激光物理、阿秒科学和强场物理实验等领域中有广泛应用。

2. Multipass cell 脉宽压缩器（MPC）:

工作原理：
多次传输腔脉冲压缩器通过多次循环将激光脉冲传输到色散介质中来实现压缩。脉冲在腔内多次往返传输，在腔内遇到色散元件导致光谱展宽。经过所需的往返次数后，脉冲被引导到压缩器阶段进行重新组合和脉冲压缩。

HYPERION 是Multipass cell脉宽压缩器，可以通过非线性光谱展宽的方式将输入激光脉冲的脉宽进一步缩短。该压缩器是Herriott腔构型，光谱展宽是由于高能量的飞秒脉冲与MPC腔内的惰性气体的相互作用。经过展宽的光谱随后在宽带啁啾镜上被压缩。
由于增加的光谱宽度可以支持比原始输入脉冲更短的持续时间，所以该装置可以提供高倍的脉冲压缩效果。

图(a)：碟片激光器（1ps）光谱展宽结果,MPC出射后的展宽光谱；实验上光谱范围为990-1070nm；图(b)：自相关仪测量的压缩后的脉冲形状；即压缩后脉宽40fs；压缩前为1350fs；MPC压缩效率(含啁啾镜)为94%；

优点：- 高压缩比：多次传输腔压缩器通过利用多次往返和光谱展宽，可以实现高压缩比。
- 脉冲持续时间的灵活性：可以通过调整往返次数来控制光谱展宽的程度，从而实现脉冲持续时间的灵活性。
- 可扩展性：该压缩器可处理广泛范围的脉冲能量和持续时间，适用于各种激光系统。
- 适用于宽带脉冲：多次传输腔压缩器通过光谱展宽适用于宽带脉冲，适用于需要广泛频率范围的应用。

缺点：- 复杂性：多次传输腔压缩器设置可能较为复杂，需要精确的对准和多个光学元件的同步。
- 对齐敏感性：光学对准的偏差可能会降低压缩器的压缩效率和性能。
- 占地面积较大：与其他压缩技术相比，多次传输腔压缩器可能需要较大的物理空间。

应用选择基础：
多次传输腔脉冲压缩器通常用于需要高压缩比和脉冲持续时间灵活性的激光系统。它在超快速光谱学、非线性光学和基于激光的材料加工等领域中有应用，这些领域对脉冲持续时间的精确控制至关重要。
在选择这两种技术时，关键因素包括所需的压缩比、峰值功率要求、光谱带宽需求、脉冲能量水平以及具体应用的限制。每种技术都有其优势和局限性，选择取决于具体要求和应用的权衡。

非线性脉冲压缩：MPC（ Multipass Cell）&HCF（Hollow Core Fiber）