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(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

2)(中國科學(xué)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(bǔ)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(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

2)(中國科學(xué)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(bǔ)償要求設(shè)計了單次反射平均補(bǔ)償量為－60 fs2的GT(Gires-Tournois)鏡，采用離子束輔助沉積技術(shù)結(jié)合光學(xué)監(jiān)控技術(shù)制作了器件.用分光光度計對650—950 nm波段薄膜反射率進(jìn)行測試，結(jié)果表明反射率測試曲線與設(shè)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(jìn)行了測試，測試結(jié)果與設(shè)計符合得很好，實際的色散曲線振蕩基本控制在±20 fs2以內(nèi).應(yīng)用該GT鏡進(jìn)行鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)的色散補(bǔ)償，取得了很好的鎖模效果，得到了29 fs的超短脈沖.

色散補(bǔ)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(shù)、精細(xì)材料加工以及超寬帶通信等方面有著廣泛的應(yīng)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(nèi)外在鈦寶石飛秒激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件改進(jìn)和實際應(yīng)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(nèi)的色散補(bǔ)償是影響激光脈沖寬度的關(guān)鍵因素［5］.傳統(tǒng)的色散補(bǔ)償方式，例如棱鏡對和光柵對，能夠?qū)Σ牧仙⑦M(jìn)行大量的補(bǔ)償，但是它們本身的補(bǔ)償特點決定了它們的補(bǔ)償帶寬僅有 100 nm 左右［6，7］.而色散補(bǔ)償鏡補(bǔ)償帶寬大，對高階色散可以精確補(bǔ)償且容易放置，因此從1994年提出色散補(bǔ)償鏡以來已經(jīng)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(jīng)設(shè)計出色散補(bǔ)償帶寬達(dá)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(nèi).

色散補(bǔ)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(nèi)提供色散補(bǔ)償，國內(nèi)已經(jīng)開展了應(yīng)用啁啾鏡進(jìn)行飛秒激光色散補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(yīng)用.

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

2.GT鏡的優(yōu)化設(shè)計與制備

GT腔由分立在間隔層兩側(cè)的兩個反射鏡組成，然而不同于 Fabry-Perot腔，構(gòu)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(chǎn)生腔內(nèi)的諧振效應(yīng)，在短波方向引入負(fù)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(bǔ)償帶寬較窄，一般只有100 nm左右，因此如果想補(bǔ)償更大的帶寬，必須將多個GT腔結(jié)構(gòu)進(jìn)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(lán)寶石晶體中傳輸所產(chǎn)生的二階群速度色散約為58 fs2.為了補(bǔ)償晶體的正色散，設(shè)計的膜系在700—900 nm波長范圍內(nèi)單次反射需要提供－60 fs2的群延遲色散補(bǔ)償量，同時還要保證700—900 nm波長范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)，同時對高反對進(jìn)行了串聯(lián)以擴(kuò)展高反帶寬.采用的薄膜材料為Ta2O5和SiO2，整個膜系共40層.設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)為

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

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

圖1 初始結(jié)構(gòu)的反射率及群延遲設(shè)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(nèi)疊加，同時引入了負(fù)色散.并且，群延遲曲線較平緩，這預(yù)示著群延遲色散曲線經(jīng)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(jié)構(gòu)，由此擴(kuò)展了反射帶寬，因此初始結(jié)構(gòu)在700—900 nm也具有較高的反射率.

我們使用TFCalc軟件對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖2所示.

從圖2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化的膜系，靠近基板的膜層基本上仍然是標(biāo)準(zhǔn)的λ/4膜系結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(nèi)，較為平緩，可以避免因不同波段補(bǔ)償量差距過大導(dǎo)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(bǔ)償?shù)囊?

因為色散補(bǔ)償鏡的GDD曲線對制造誤差十分敏感，我們對設(shè)計的膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(bǔ)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(bǔ)償鏡最常用的技術(shù)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(xué)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(shù)成膜速率快、均勻性好，已經(jīng)成為常規(guī)的蒸發(fā)技術(shù).因此在實際制備過程中，我們選用了離子束輔助沉積技術(shù).

膜系的制備在日本Optorun公司的OTFC鍍膜機(jī)上進(jìn)行，采用光學(xué)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(xué)監(jiān)控對于膜厚誤差有自動補(bǔ)償機(jī)制，能反映反射率、透射率等光學(xué)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(bǔ)償鏡較厚，總厚度超過了5000 nm，因此采用光學(xué)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(yīng)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(guān)的工藝參數(shù)經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐優(yōu)化而來，因此保證了膜系的加工質(zhì)量.

3.測試結(jié)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(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖5所示.

從圖5可以看出，反射率測試曲線與設(shè)計曲線基本符合，說明了離子束輔助沉積技術(shù)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(dǎo)獲得薄膜的群延遲色散，測試結(jié)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(shè)計曲線的振蕩要大，這主要是由于色散補(bǔ)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(dǎo)致實際的測試曲線與設(shè)計曲線并不能夠完全符合.

實際制備的GT鏡在中國科學(xué)院物理研究所80 MHz鈦寶石激光振蕩器上進(jìn)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(gòu)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(bǔ)償量為－40 fs2.M6采用我們加工的GT鏡，單次反射補(bǔ)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(chǎn)生的二階群速度色散約為21.3 fs2，在1 mm的摻鈦藍(lán)寶石晶體中傳輸所產(chǎn)生的二階群速度色散約為 58 fs2.激光在腔內(nèi)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(bǔ)償量約為－300 fs2，這樣可以維持腔內(nèi)一定的負(fù)色散，有利于穩(wěn)定鎖模.

換上M6鏡之后，經(jīng)過簡單的調(diào)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(guān)曲線如圖9所示.這說明設(shè)計的GT鏡滿足了設(shè)計要求，與其他色散補(bǔ)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(jié) 論

根據(jù)鈦寶石飛秒激光系統(tǒng)的色散補(bǔ)償要求設(shè)計了在700—900 nm波段單次反射補(bǔ)償量為 －60 fs2的GT鏡，使用離子束輔助沉積方式和光學(xué)監(jiān)控進(jìn)行了實際制備.對反射率和群延遲色散曲線進(jìn)行測量，測試結(jié)果與設(shè)計十分符合.該GT鏡應(yīng)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(jié)果表明，利用GT鏡進(jìn)行較寬帶的色散補(bǔ)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(shù)結(jié)合光學(xué)監(jiān)控能夠制備出應(yīng)用于飛秒激光系統(tǒng)的高質(zhì)量膜系.

感謝杭州科汀光學(xué)技術(shù)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(xué)基金(批準(zhǔn)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