鈦寶石飛秒激光器用色散補償Gires-Tournois鏡的研究*

馬 群 章岳光? 沈偉東 羅震岳 張 青張淑娜 葉 蓬 袁文佳 劉 旭 魏志義

1)(浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

2)(中國科學院物理研究所光物理重點實驗室，北京 100190)

(2010年4月14日收到;2010年5月4日收到修改稿)

鈦寶石飛秒激光器用色散補償
Gires-Tournois鏡的研究*

馬 群1)章岳光1)?沈偉東1)羅震岳1)張 青2)張淑娜1)葉 蓬2)袁文佳1)劉 旭1)魏志義2)

1)(浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

2)(中國科學院物理研究所光物理重點實驗室，北京 100190)

(2010年4月14日收到;2010年5月4日收到修改稿)

根據(jù)鈦寶石飛秒激光器的色散補償要求設計了單次反射平均補償量為－60 fs2的GT(Gires-Tournois)鏡，采用離子束輔助沉積技術結合光學監(jiān)控技術制作了器件.用分光光度計對650—950 nm波段薄膜反射率進行測試，結果表明反射率測試曲線與設計曲線十分符合，同時利用白光干涉系統(tǒng)對群延遲色散進行了測試，測試結果與設計符合得很好，實際的色散曲線振蕩基本控制在±20 fs2以內.應用該GT鏡進行鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)的色散補償，取得了很好的鎖模效果，得到了29 fs的超短脈沖.

色散補償，鈦寶石飛秒激光器，GT鏡，離子束輔助沉積

PACS:78.66.－ w，42.65.Re，07.30.Kf

1.引 言

超短脈沖激光在時間光譜分辨術、精細材料加工以及超寬帶通信等方面有著廣泛的應用［1］.自1991年Spence實現(xiàn)鈦寶石激光器飛秒脈沖輸出以來，國內外在鈦寶石飛秒激光器的結構設計、器件改進和實際應用等方面取得了飛速發(fā)展［2—4］.在飛秒激光運行的過程中，腔內的色散補償是影響激光脈沖寬度的關鍵因素［5］.傳統(tǒng)的色散補償方式，例如棱鏡對和光柵對，能夠對材料色散進行大量的補償，但是它們本身的補償特點決定了它們的補償帶寬僅有 100 nm 左右［6，7］.而色散補償鏡補償帶寬大，對高階色散可以精確補償且容易放置，因此從1994年提出色散補償鏡以來已經取得了很大的發(fā)展［6，8—10］，成為亞 10 fs 激光器中的必備元件.目前德國的Pervak等［11］已經設計出色散補償帶寬達到1.5個倍頻程的啁啾鏡對，將飛秒激光的脈沖寬度壓縮到3 fs內.

色散補償鏡通常分為兩大類:啁啾鏡與Gires-Tournois(GT)鏡［12］.啁啾鏡的優(yōu)點是能夠在較長的光譜范圍內提供色散補償，國內已經開展了應用啁啾鏡進行飛秒激光色散補償?shù)难芯浚?3］，但是由于啁啾鏡有大量非規(guī)整膜層，因此制備較難.而GT鏡的優(yōu)點是色散補償量大，非線性振蕩小，并且大部分的膜層都是規(guī)整的λ/4高反對，相對啁啾鏡而言，制備難度較小，容易加工出符合實際要求的膜系.但是，GT鏡的缺點是補償帶寬較窄，通常情況下只有100 nm左右，因此限制了其在寬帶激光系統(tǒng)上的應用.

本文對經典的 GT腔結構進行了改進，優(yōu)化設計出700—900 nm范圍內補償量達－60 fs2的色散補償鏡，并且利用離子束輔助沉積方法 制備了該色散補償膜系，應用白光干涉系統(tǒng)進行了群延遲色散曲線的測試，實測結果與設計值相符合.最后樣品應用于實際的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)，進行了測試，取得了很好的鎖模效果.

2.GT鏡的優(yōu)化設計與制備

GT腔由分立在間隔層兩側的兩個反射鏡組成，然而不同于 Fabry-Perot腔，構成 GT腔的兩個反射鏡并不對稱，其中一個為高反鏡(R=100%)，另一個為部分反射鏡(R<100%).光在傳播過程中會產生腔內的諧振效應，在短波方向引入負色散，而在長波方向上引入正色散［10］.但是通常情況下，單 GT腔的補償帶寬較窄，一般只有100 nm左右，因此如果想補償更大的帶寬，必須將多個GT腔結構進行串聯(lián)，成為一個多腔GT鏡.

800 nm中心波長的激光在1 mm的摻鈦藍寶石晶體中傳輸所產生的二階群速度色散約為58 fs2.為了補償晶體的正色散，設計的膜系在700—900 nm波長范圍內單次反射需要提供－60 fs2的群延遲色散補償量，同時還要保證700—900 nm波長范圍內具有較高的反射率.為此，采用中心波長為800 nm的三個GT腔串聯(lián)的結構，同時對高反對進行了串聯(lián)以擴展高反帶寬.采用的薄膜材料為Ta2O5和SiO2，整個膜系共40層.設計的初始結構為

Sub/1.1(HL)5(HL)40.95(HL)5H2.2LHLH2 LHLH2LHL/空氣.

整個結構共40層，前面部分為三個高反射對的串聯(lián)結構，以擴展反射帶寬，而30，34和38層作為腔結構，以引入負色散，得到初始結構的反射率及群延遲曲線如圖1所示.

圖1 初始結構的反射率及群延遲設計曲線

從圖1可以看出，由于引入了三個GT腔的串聯(lián)，因此各個腔的群延遲在700—900 nm波長范圍內疊加，同時引入了負色散.并且，群延遲曲線較平緩，這預示著群延遲色散曲線經過優(yōu)化后也會比較平緩，非線性振蕩較小.同時，由于對高反對也采用了串聯(lián)結構，由此擴展了反射帶寬，因此初始結構在700—900 nm也具有較高的反射率.

我們使用TFCalc軟件對初始結構進行了優(yōu)化，采用 needle 和 gradual算法［14，15］.最后得到優(yōu)化的膜系結構如圖2所示.

從圖2可以看出，經過優(yōu)化的膜系，靠近基板的膜層基本上仍然是標準的λ/4膜系結構，而整個膜系總厚度為5129.97 nm，最薄層為66.2 nm，沒有極薄層，因此制備較容易.

優(yōu)化后的反射率及群延遲色散曲線如圖3所示.

從圖3可以看出，優(yōu)化后的 GT鏡在700—900 nm范圍內的反射率大于99.5%，這樣有效地保證了激光通過GT鏡的反射后能量損失非常小，且群延遲色散(GDD)曲線的振蕩在 ±10 fs2以內，較為平緩，可以避免因不同波段補償量差距過大導致無法實現(xiàn)鎖模，因此該膜系能夠滿足飛秒激光系統(tǒng)色散補償?shù)囊?

因為色散補償鏡的GDD曲線對制造誤差十分敏感，我們對設計的膜系結構進行了容差分析.采用Optilayer軟件，取膜系每層厚度1%偏差的均方根作正態(tài)分布，作為每層厚度的改變量，隨機循環(huán)100次，取置信區(qū)間為68%，所得的誤差曲線如圖4所示.

從容差曲線上看，在考慮誤差的情況下，GDD的補償曲線會呈現(xiàn)一定的波動，而且長波段方向的偏差較大，因此在制備過程中，我們有必要選擇精度高的監(jiān)控方式.

制備色散補償鏡最常用的技術是離子束濺射和離子束輔助沉積［16］.雙離子束濺射制備光學薄膜有著成本高、均勻性差、沉積速度低的缺點，而離子束輔助沉積技術成膜速率快、均勻性好，已經成為常規(guī)的蒸發(fā)技術.因此在實際制備過程中，我們選用了離子束輔助沉積技術.

膜系的制備在日本Optorun公司的OTFC鍍膜機上進行，采用光學監(jiān)控的方法控制膜層的厚度，同時用石英晶振法控制薄膜的沉積速率.光學監(jiān)控對于膜厚誤差有自動補償機制，能反映反射率、透射率等光學信息，易于監(jiān)控多層膜，尤其適用于監(jiān)控較厚的膜層［17］.因為色散補償鏡較厚，總厚度超過了5000 nm，因此采用光學監(jiān)控的方法會有比較好的效果.基板選擇直徑為30 mm，厚度為3 mm的石英基板.選擇較厚的基板是為了減少薄膜應力對于基板面形的影響.

在實際制備中，基片的溫度控制在150℃，本底真空為5×10－4Pa.對于 Ta2O5材料，鍍制速率為5 A/s，鍍膜時真空度為 2×10－2Pa;對于 SiO2材料，鍍制速率為10 A/s，鍍膜真空為1.2×10－2Pa.離子束的電壓為800 V，束流為1000 mA.相關的工藝參數(shù)經過多年生產實踐優(yōu)化而來，因此保證了膜系的加工質量.

3.測試結果

用日立U4100分光光度計(采用V-W法測試)對所鍍薄膜的反射率進行了測試，測試結果如圖5所示.

從圖5可以看出，反射率測試曲線與設計曲線基本符合，說明了離子束輔助沉積技術的加工精確度是很高的.

樣品的群延遲色散曲線是在實驗室自行搭建的白光干涉測試系統(tǒng)上測試的［18］.該系統(tǒng)為一個頻域的邁克耳遜干涉儀，它記錄能量的干涉條紋，采用傅里葉變換求解相位信息后，二次求導獲得薄膜的群延遲色散，測試結果如圖6所示.

從圖6看出，實際測試的群延遲色散曲線比設計曲線的振蕩要大，這主要是由于色散補償鏡的容差較小，鍍膜過程中不可避免的會引入厚度誤差，導致實際的測試曲線與設計曲線并不能夠完全符合.

實際制備的GT鏡在中國科學院物理研究所80 MHz鈦寶石激光振蕩器上進行了鎖模試驗，實際的鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)如圖7所示.

圖7 鈦寶石激光振蕩器示意圖

系統(tǒng)由532 nm連續(xù)激光抽運、M1—M6及 OC作為整體構成了 Z形腔，M1，M2為凹面寬帶高反鏡，M3—M5為平面啁啾鏡，各鏡單次反射平均色散補償量為－40 fs2.M6采用我們加工的GT鏡，單次反射補償－60 fs2色散量.800 nm中心波長的激光在空氣中傳輸1 m所產生的二階群速度色散約為21.3 fs2，在1 mm的摻鈦藍寶石晶體中傳輸所產生的二階群速度色散約為 58 fs2.激光在腔內一次運行要兩次通過2 mm鈦寶石，引起的正色散為232 fs2，加上在空氣中傳輸引起的色散，大約在295 fs2左右.激光傳輸中被 M3，M4，M5反射兩次，被 M6反射一次，總的色散補償量約為－300 fs2，這樣可以維持腔內一定的負色散，有利于穩(wěn)定鎖模.

換上M6鏡之后，經過簡單的調節(jié)，就可以得到穩(wěn)定的鎖模效果.得到的光譜圖如圖8所示.

從輸出光譜曲線可以看出明顯的鎖模效果，鎖模光譜寬度約為85 nm.激光輸出脈沖寬度約為29 fs，自相關曲線如圖9所示.這說明設計的GT鏡滿足了設計要求，與其他色散補償鏡配合，能夠取得良好的鎖模效果和穩(wěn)定的激光輸出脈沖.

4.結 論

根據(jù)鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)的色散補償要求設計了在700—900 nm波段單次反射補償量為 －60 fs2的GT鏡，使用離子束輔助沉積方式和光學監(jiān)控進行了實際制備.對反射率和群延遲色散曲線進行測量，測試結果與設計十分符合.該GT鏡應用于實際鈦寶石飛秒激光器系統(tǒng)，取得了很好的鎖模效果.結果表明，利用GT鏡進行較寬帶的色散補償是可行的，并且在加工方面相對簡單.另一方面，離子束輔助沉積技術結合光學監(jiān)控能夠制備出應用于飛秒激光系統(tǒng)的高質量膜系.

感謝杭州科汀光學技術有限公司在薄膜加工與反射率測試方面的幫助.

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PACS:78.66.－ w，42.65.Re，07.30.Kf

A Gires-Tournois mirror for dispersion compensation in the Ti-sapphire laser system*

Ma Qun1)Zhang Yue-Guang1)?Shen Wei-Dong1)Luo Zhen-Yue1)Zhang Qing2)Zhang Shu-Na1)Ye Peng2)Yuan Wen-Jia1)Liu Xu1)Wei Zhi-Yi2)
1)(State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)
2)(Laboratory of Optical Physics，Institute of Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)(Received 14 April 2010;revised manuscript received 4 May 2010)

A Gires-Tournois(GT)mirror with a group delay dispersion(GDD)of－60 fs2in one reflection was designed according to the requirement of dispersion compensation in the Ti-sapphire femtosecond laser system.It was manufactured by ion assisted deposition combined with the optical monitoring in transmission.The reflectance of the mirror was measured by a spectrophometer working in the range from 650 nm to 950 nm with a resolution of 1 nm.The results were consistent with the design.Furthermore，a home-made white light interferometry system was employed to test the reflection GDD and the result also agreed well with the design.The experimental GDD oscillation was less than±20 fs2.The GT mirror was applied in the Ti-sapphire femtosecond laser system and a good clamping result was obtained.Finally a 29 fs ultra-short pulse was acquired.

dispersion compensation， Ti-sapphirefemtosecond lasersystem， Gires-Tournoismirror， ion assisted deposition

*國家自然科學基金(批準號:60708013，60608014)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:zhangyueguang@zju.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.60708013，60608014).

?Corresponding author.E-mail:zhangyueguang@zju.edu.cn