超快激光器：克服高功率超快激光系统中的热透镜效应

凭借其短脉冲持续时间和高峰值功率，让超快激光系统在从材料加工到显微镜学领域的各种应用受益匪浅。

文/Tony Karam，Vladimir Pervak

超快激光系统可用于材料加工应用以及医疗激光、半导体检测、非线性成像和显微镜学。这些应用将超快激光器推向越来越高的功率，尽管该技术对热透镜等热效应特别敏感。

热量会积聚，并导致增益介质和腔内光学元件经历折射率梯度甚至变形。这些效应不但阻碍了超快系统的性能，还可能使它们无法锁模和产生脉冲。此外，热透镜效应会导致激光腔中出现像散。然而，新的高色散腔内反射镜膜层，能最大限度地减少热效应。这些进步可以创造出热效应可忽略不计的腔内光学元件，进而促进顶级超快激光系统的产生。

这些类型的系统也有利于在激光腔外使用的外部光学元件，例如高能超快振荡器和放大器中的外部光学元件。采用热透镜限制技术的外部色散镜，可以高度控制光束稳定性和脉冲压缩，同时最大限度地减少有害的热效应（见图1）。

 

图1：当与高功率超快系统一起使用时，设计用于最大限度减少热透镜效应的高色散反射镜膜层，有利于腔内和外部光学元件。

热透镜

热透镜效应限制了激光系统的光束质量和功率输出，尤其是那些以高功率运行的系统。对于超快激光系统而言，这些效应会阻止设备锁模以产生激光脉冲，从而最终导致系统故障。用于腔对准时，超快激光器以连续波（CW）模式运行，然后将激光器切换到脉冲配置以供实际使用，但热透镜可能会阻止这种配置中的锁模和脉冲产生。

热透镜会使激光腔未对准，产生不需要的激光模式，导致光束指向漂移和在激光腔中出现像散。所有这些效应都会导致最终系统性能不可预测和降低，并可能阻止超快激光器实现更高的功率。由于热量积聚而引起的热膨胀，也可能使光学组件变形，从而改变反射镜的曲率半径。这种变形会改变这些反射镜的焦点位置，由于腔未对准，这可能会阻碍超快系统形成锁模。

无法产生脉冲光束使超快激光器无用。虽然没有多少可用的方式可以用来操纵增益介质和光学组件衬底的固有热特性，但仍有机会仔细选择合适的色散镜膜层，以防止热透镜效应。

专用高色散反射镜

最近，介质膜层设计的进步，已使高色散超快反射镜的开发成为可能。该反射镜保持高反射率和所需的脉冲压缩，同时表现出可忽略不计的热效应。这种规格的组合，是通过在膜层沉积过程中仔细调控各种工艺参数来实现的。虽然最小化热稳定性很重要，但这不能以高反射率和足够的负群延迟色散（GDD）为代价。大多数光学介质表现出正GDD，因此需要色散镜的负GDD来对此进行补偿，并将脉冲压缩到特定应用所需的脉冲持续时间。

图2展示了具有新型热透镜减少膜层的1030nm高色散反射镜的反射率和GDD。这种新的膜层技术，有利于Yb：YAG、铥和钬激光系统等高功率固态超快激光器。

                                     图2：该反射镜设计用于1030nm激光器，保持了较高的光谱和色散补偿性能，而热效应可以忽略不计。

                                     Wavelength：波长

                                     Reflectance：反射率

热性能测试

测试这些新型色散镜膜层，以确定存在的热透镜水平。使用红外相机（FLIR SC305）测量了Yb：YAG碟片激光器内腔内色散镜的温度。激光器在连续波操作下进行了测试，因为这是实现锁模之前激光器的行为方式。标准的高反镜的GDD为-3000fs²，但没有减少热透镜效应的膜层，温度升高>50K（见图3）。这种温度变化了导致振荡器稳定性恶化，以及发射激光模式的变化。

图3：没有采用新的低热透镜镀膜的高反镜，经历了57K的温度变化，明显高于采用新膜层的反射镜。前一个高反镜导致系统性能下降。

接下来，使用相同的实验装置，测试了GDD为-1000fs²和-3000fs²的热透镜减少膜层的高色散反射镜。这些反射镜的温度变化分别为10K和20K（见图4和图5）。请注意，不同图之间的温度标尺不同。具有新型膜层的反射镜没有显示出可检测到的热致效应，保持了模式和振荡器的稳定性，并且激光系统能够如预期实现锁模和其他功能。

图4：GDD为-1000fs²的低热透镜反射镜，表现出10K的温度变化。该反射镜没有导致任何可检测到的热致性能降低。

图5：GDD为-3000fs²的低热透镜反射镜，表现出20K的温度变化，并且没有导致任何可检测到的热致性能降低。

然而，并非所有超快系统都需要这项技术。钛宝石激光器通常没有足够高的平均功率来使热透镜成为重要问题。光纤激光器系统不包含可能发生有害热效应的固态激光腔。在这些情况下，使用没有新型热稳定膜层的高色散光学元件就足够了。然而，低热透镜效应对于高功率固态超快激光器（如Er：YAG、钬和铥激光器）却至关重要。

参考文献

O. Pronin, “Towards a compact thindisk- based femtosecond XUV source,” Dissertation an der Fakultät für Physik der Ludwig–Maximilians–Universität (2012). Tony Karam is Ultrafast Product Line Manager at Edmund Optics (Barrington, NJ) and Vladimir Pervak is Head of Optical Coatings at UltraFast Innovations (Garching, Germany); e-mails: tkaram@edmundoptics.com and pervak@ultrafast-innovations.com; edmundoptics. com and ultrafast-innovations.com.