边界条件对后端镀膜啁啾镜特性的影响分析

引　言

超快超短脉冲技术是当今激光技术的一个热点。在超快激光技术的发展过程中,啁啾反射镜的发明具有里程碑的作用。啁啾反射镜的基本组成是两种具有不同折射率的介质材料,一种折射率高,一种折射率低。根据不同的实际情况的要求,用这两种材料在基底上蒸镀形成一个膜系,因这个膜系对不同的频谱成分的穿透深度不同,从而针对不同成分提供不同的群延迟色散,以此来补偿腔内的色散[1]。回顾超短脉冲技术发展的过程可以发现,超短脉冲技术发展的每一次进步,都伴随着色散补偿方法的改进。早期,人们采用镀银高反镜和棱镜对作为色散补偿元件首次产生低于10fs的光脉冲。然而,由于棱镜对不能有效地补偿腔内的高阶色散,使得产生低于8. 5fs的光脉冲成为一个难点。啁啾镜的发明使高阶色散得到很好的补偿,因而,在超短脉冲激光技术中得到广泛应用。当前,低于10fs的光脉冲无一例外的采用啁啾镜作为色散补偿元件[1~3]。

啁啾镜必须满足两个基本要求:首先能够根据设计要求对腔内不同的频率成分提供不同的群延迟色散,本质上是使各个频率成分之间的穿透深度不同。其次在一个很宽的频带范围内对各个频率成分具有高的反射率,保证原来的频谱成分经过啁啾镜反射后不会发生频谱丢失。

在实际应用的过程中发现,啁啾镜结构中,由于膜系材料和周围环境之间存在阻抗不匹配,导致色散量在目标函数附近产生震荡。这就影响了啁啾镜在实际中的应用。为了解决这个问题,MATUSCHEK, GALL2MANN, SUTTER等人设计出了后端镀膜的啁啾镜,此设计有效地解决了膜系与周围环境之间的阻抗匹配问题,而且镜体结构也简化了许多。关于后端镀膜啁啾镜的阻抗匹配问题他们已经作了深入的探讨[4],作者欲在此基础上加入边界条件的影响,对其它的几个特性做一简要分析。

1　后端镀膜啁啾镜简介

传统啁啾镜的结构可分为3个基本组成部分:基底(substrate),啁啾膜系(chirped mirror structure,即CM structure),增透膜( anti2reflection coating,即ARcoating)。而后端镀膜的啁啾镜( back2side2coatedchirpedmirror即BASIC mirror)的基本结构是:啁啾膜系,基底,增透膜[1, 4]。其剖面图如图1所示。

在啁啾镜结构中,啁啾膜系与外界介质(主要是空气)之间有严重的阻抗不匹配。为了消除其影响,人们采用了双啁啾技术(double2chirping technique)和在膜系上镀增透膜,然而,由于增透膜与外界介质和啁啾膜系之间难以避免的阻抗失配,使得此问题只能得到部分解决。

后端镀膜的啁啾镜把啁啾膜系和增透膜蒸镀在基底的异侧,在几何位置上把这两部分分开,消除了这两部分之间的相互干扰。选择基底材料的折射率与啁啾膜系中折射率较低的材料的折射率接近,就很好地消除了两部分之间折射率的不连续,从而实现了阻抗的匹配,消除了色散振荡。在后端镀膜的啁啾镜中,增透膜层的作用已降低到仅仅是用来消除额外的镜面反射损失,而不是作为一种消除色散振荡的不可或缺的一部分[4, 5]。