光學(xué)介質(zhì)的正色散會導(dǎo)致超快激光脈沖展寬，降低系統(tǒng)性能。本文介紹幾種脈沖壓縮方法，將脈沖壓縮到所需寬度。

超快激光由于其超短的脈沖持續(xù)時(shí)間，因此比傳統(tǒng)激光脈沖具有更寬的帶寬。大多數(shù)光學(xué)介質(zhì)的正色散會導(dǎo)致超快激光脈沖展寬，從而降低系統(tǒng)性能�？梢圆捎酶鞣N技術(shù)來減輕脈沖展寬的影響，并將脈沖壓縮到所需的脈沖持續(xù)時(shí)間，本文將重點(diǎn)介紹其中的幾項(xiàng)技術(shù)。

脈沖需要被壓縮的跡象

在多光子顯微等超快成像應(yīng)用中，圖像模糊表明脈沖可能在時(shí)間上被展寬（見圖1）。在超快激光加工中，脈沖展寬會導(dǎo)致切割不準(zhǔn)和精度降低。正是由于超快激光的脈沖持續(xù)時(shí)間短，峰值功率高，使其在超快成像和超快加工中優(yōu)勢明顯。脈沖展寬降低了多光子相互作用的概率，從而降低了超快過程的效率。

圖1：與傳統(tǒng)的共聚焦顯微相比，多光子或非線性顯微使用超快激光源捕獲高分辨率三維（3D）圖像，減少了光漂白和光毒性。然而，脈沖展寬會使這樣的多光子顯微圖像變得模糊不清。

何時(shí)以及如何壓縮脈沖? 

何時(shí)以及如何壓縮激光脈沖，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵問題: 

第一，系統(tǒng)的可變性如何？你是否可以輕松地更換系統(tǒng)中的光學(xué)組件？是否需要不同的光路配置進(jìn)行不同的工藝或?qū)嶒?yàn)？這影響到哪些組件最適合你的解決方案。

第二，工藝對脈沖持續(xù)時(shí)間的變化有多敏感？脈沖持續(xù)時(shí)間是否需要在5fs的精度內(nèi)？還是100fs的精度就足夠了？脈寬允許的變化越少，脈沖壓縮解決方案就越需要靈活性和可調(diào)性。

第三，理想脈沖持續(xù)時(shí)間是多少？起始脈沖持續(xù)時(shí)間又是多少？如果使用的激光脈寬是幾百飛秒，使用幾個(gè)透射型光學(xué)元件一般不會影響脈沖持續(xù)時(shí)間；但如果使用更短的激光脈沖，例如脈寬為5~10fs，情況就不同了。此外，如果需要將100fs的脈沖壓縮到5fs，還會涉及到其他步驟，這超出了本文討論的脈沖壓縮范疇。

第四，在光路中還有哪些光學(xué)器件？有多少群延遲色散？由色散引起的脈沖時(shí)間畸變，是由群延遲色散（GDD）來量化的。GDD是一個(gè)與頻率有關(guān)的值，對于給定的材料，它與厚度呈線性關(guān)系。像窗片、透鏡和物鏡這類的透射型光學(xué)元件通常產(chǎn)生正的GDD值，因此被壓縮的激光脈沖經(jīng)過這些透射型光學(xué)元件，脈沖持續(xù)時(shí)間會變長。對光學(xué)系統(tǒng)中存在的GDD大小有一個(gè)粗略認(rèn)識，會讓脈沖再壓縮策略的選擇變得非常簡單。

脈沖壓縮方法 

（1）棱鏡或光柵壓縮

棱鏡通過棱鏡材料的折射率差異，對脈沖的頻率成分施加一個(gè)與頻率相關(guān)的延遲來壓縮脈沖（見圖2）。這種光程差使脈沖的不同波長在時(shí)間上保持一致。光柵壓縮的工作方式類似，但依靠衍射而不是折射來重新壓縮脈沖。

棱鏡或光柵壓縮的優(yōu)點(diǎn)：

•可通過元件之間的距離、材料插入量以及光柵的刻線密度等變量，進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。

•可以適應(yīng)非常大的帶寬。

•適合調(diào)節(jié)極短的激光脈沖。

棱鏡或光柵壓縮的缺點(diǎn)：

•初學(xué)者很難對齊光柵對或棱鏡對。

•應(yīng)用高階色散，會進(jìn)一步導(dǎo)致脈沖畸變。

•很容易在空間中產(chǎn)生獨(dú)立的脈沖頻率成分（稱為“空間啁啾”）。

（2）啁啾鏡壓縮

啁啾鏡是在鏡面的涂層中產(chǎn)生一個(gè)與波長有關(guān)的穿透深度（見圖3）。與棱鏡或光柵壓縮的操作類似，這種效應(yīng)使一些波長相對于其他波長產(chǎn)生延遲。而采用啁啾鏡時(shí)，這種效應(yīng)的產(chǎn)生是因?yàn)橐恍┎ㄩL進(jìn)入涂層的深度較深。所有波長的光最終會同時(shí)從涂層中出射，此時(shí)脈沖會被再次壓縮。啁啾鏡的典型特征是高GDD振蕩，因此它們必須成對使用，以獲得半平坦的GDD響應(yīng)。

圖3：可變的層厚度，結(jié)合涂層材料的選擇，使啁啾鏡對入射脈沖施加負(fù)色散。

啁啾鏡優(yōu)點(diǎn)： 

•可以適應(yīng)非常大的帶寬； 

•激光入射角較小，在啁啾鏡對中的兩個(gè)鏡子之間容易反射多次； 

•相對于棱鏡和光柵，更容易對齊。 

啁啾鏡缺點(diǎn)： 

•僅提供總的GDD補(bǔ)償值，不能連續(xù)調(diào)諧。 

•由于GDD振蕩，需要在互補(bǔ)對中使用。 

•由于特定的帶寬，應(yīng)用受到限制。 

•與其他方法相比，能夠補(bǔ)償?shù)腉DD值較小。

例如，如果需要補(bǔ)償系統(tǒng)中少量GDD，或者需要在不同的設(shè)置之間切換（例如在Ti:藍(lán)寶石激光和釔摻雜激光之間切換），啁啾鏡對將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖4展示了互補(bǔ)啁啾鏡對的一些典型特性。

（3）高色散鏡壓縮

高色散鏡結(jié)合了啁啾鏡與頻率相關(guān)穿透深度與多共振效應(yīng)，以更少的振蕩產(chǎn)生更大的GDD幅值。雖然高色散鏡處理的帶寬可能比其他方法窄一些，但許多高色散鏡的設(shè)計(jì)，能夠在其指定的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常高的反射率（見圖5）。

高色散鏡的優(yōu)點(diǎn)：

•可實(shí)現(xiàn)高幅度的GDD；

•典型的特點(diǎn)是入射角小，可在多個(gè)鏡面之間進(jìn)行多次反射；

•與棱鏡和光柵相比，易于對齊；

•不需要成對使用；

•通常具有高反射率，在整個(gè)光路中產(chǎn)生更少的功率損耗。

高色散鏡的缺點(diǎn)：

•僅提供總的GDD補(bǔ)償值，不能連續(xù)調(diào)諧；

•受其特定帶寬的限制。

何時(shí)以及如何重新壓縮超快激光脈沖，在很大程度上取決于應(yīng)用，但對脈沖壓縮的不同方法及其優(yōu)劣勢有基本的了解，對操作者大有裨益。在實(shí)際應(yīng)用中，可以與光學(xué)元件供應(yīng)商討論具體應(yīng)用，以選擇與應(yīng)用相適應(yīng)的最佳脈沖壓縮方法。

文/Olivia Wheeler