500nm带宽啁啾镜对的设计与应用

王家杰，杨 刚，刘文军，李 健

引言

在很大的带宽范围内进行色散补偿是产生飞秒脉冲的关键。光栅或棱镜对通常用于脉冲压缩，但是它们对光路的灵敏度和精确度提出了较高的要求，稍微偏离最佳位置或方向就会导致空间和时间啁啾［1－2］。啁啾镜不但可以在很宽的带宽范围内提供最优的色散补偿，而且啁啾镜对光路的精确度并不敏感，易于操作，因此被广泛应用于飞秒激光系统［3－8］。随着超短脉冲技术向着更短的方向发展，啁啾镜的设计和制作也处于不断地发展中［9－14］。本文通过 Memetic算法优化设计出中心波长为825nm、带宽为600nm～1100 nm、群延迟色散为－100fs2的宽带啁啾镜，随着补偿带宽和膜层数的增加，群延迟色散曲线振荡越来越激烈，采用啁啾镜互补配对的方法来进行色散补偿，即第2个啁啾镜群延迟色散曲线相对第1个的曲线移动半个周期，这样2个镜子的色散振荡相互抵消，便可以非常有效地抑制色散曲线的振荡。

1 500nm带宽啁啾镜对的设计与制作

1.1 500nm带宽啁啾镜对的设计

设计目标中心波长为825nm、带宽为600nm～1100nm、群延迟色散目标值为－100fs2的宽带啁啾镜。选择Nb2O5为高折射率材料，SiO2为低折射率材料，它们在中心波长处的折射率分别为2.230和1.4800。采用Memetic算法优化，得到的第1个啁啾镜A的膜层结构如图1（a）所示，从图中可以看出，膜的总层数为68层，总厚度为8 668.60nm，最薄层厚度为42.78nm。啁啾镜A的群延迟曲线如图1（b）所示，反射率接近100%，群延迟曲线有微小振荡。啁啾镜A的反射群延迟色散曲线如图1（c）所示，由图可以看出由于寄生反射，反射群延迟色散曲线在色散目标值附近振荡，并且振荡幅度较为均匀，振荡幅度最大值约为±100fs2。

图1 啁啾镜A的计算结果Fig.1 Calculated results for chirped mirror A

为了消除啁啾镜A群延迟色散曲线中的振荡，需要另外设计一个啁啾镜B，啁啾镜B的群延迟色散曲线与啁啾镜A的群延迟色散曲线移动半个周期。由于啁啾镜A和B的群延迟色散曲线在相同的波长部分波峰对波谷，啁啾镜A和B的配对使用可以有效地抑制群延迟色散振荡。高低折射率材料不变，优化设计的啁啾镜B的膜层结构如图2（a）所示，膜系总厚度为8 406.48nm，最薄层为41.47nm，膜的总厚度与镜A有262.12nm的差异。与图1对比可以看出，镜A与B的结构大体趋势相同，区别在于每层膜大概有几纳米到十几纳米的差异。图2（b）表示的是镜B的折射率和群延迟关系曲线，有效带宽为600nm～1100 nm，在有效带宽范围内，反射率接近100%。与镜A的群延迟曲线相比，镜B的反射率与群延迟曲线仅仅有微小的平移，这正是啁啾镜A和B结构的微小差异所导致。图2（c）为镜B的反射群延迟色散曲线，其群延迟色散与镜A类似，在色散目标值附近振荡，并且与镜A群延迟色散曲线在相同波长附近处波峰对波谷，联合使用啁啾镜对A和B，可以有效消除振荡，得到比较平坦的色散补偿曲线。

图2 啁啾镜B的计算结果Fig.2 Calculated results for chirped mirror B

1.2 啁啾镜对的制作与测量

采用粒子束溅射方法制作啁啾镜对，并对啁啾镜的反射率、群延迟和群延迟色散进行了测量。图3（a）为啁啾镜对的反射率和反射群延迟，反射率和群延迟符合设计要求。图3（b）为啁啾镜对的群延迟色散，从图中可以看出，尽管设计值以及测量值都在目标值附近振荡，群延迟曲线吻合得比较理想。存在振荡的主要原因是因为振荡与某些特定波长在多层高反膜内的共振效应有关。啁啾镜的色散补偿波长范围为600nm～1100nm，补偿的带宽极大，有效带宽和膜层的增加会导致振荡无法完全抵消。另外，从图3（b）可以看出，在啁啾镜的色散补偿波长600nm～1100nm范围内，群延迟色散测量值的振荡频率低于设计值的振荡频率，而群延迟色散的振荡幅度大于设计值的振荡幅度。

图3 啁啾镜反射率、群延迟和群延迟色散的测量值Fig.3 Measured reflectivity，group delay and group delay dispersion of chirped mirror pair

2 脉冲压缩实验

把上述啁啾镜用于脉冲的色散补偿压缩实验，采用频率分辨光学开关方法对脉冲进行测量。将中心波长为825nm、脉冲宽度为10.3fs的脉冲通过500μm的LBO晶体，由于晶体的色散效应使脉冲被展宽，展宽后的脉冲通过啁啾镜对进行色散补偿。图4（a）为输入LBO晶体的脉冲形状，半峰值处得全宽度为10.3fs；图4（b）为经过LBO晶体后的脉冲形状，半峰值处得全宽度为39.6fs；图4（c）为经过啁啾镜对一次色散补偿后的脉冲形状，半峰值处得全宽度为11.6fs；图4（d）是脉冲经过啁啾镜对两次补偿后的脉冲特性图，脉冲经过2次补偿后，脉冲被压缩到10.7fs。实验结果表明，所设计的啁啾镜起到色散补偿的作用，实现了脉冲压缩。

图4 脉冲压缩实验结果Fig.4 Experimental results for pulse compression

3 结论

设计了有效带宽为500nm的啁啾镜对，色散补偿量为－100fs2，反射率大于99%。由于啁啾镜的色散曲线随有效带宽和层数的增加而产生振荡，通过配对设计有效地抑制了色散振荡，并把加工的啁啾镜对应用于脉冲色散补偿压缩实验，10.3fs的入射脉冲通过色散晶体后展宽为39.6 fs，采用设计制作的啁啾镜对展宽脉冲进行色散补偿，脉冲被压缩到10.7fs。

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