哥们，我的脉宽咋没了？！

如果你使用超快激光器，很可能曾有过类似的困惑。脉宽出现问题的表现症状很多，比如非线性转换效率降低、显微镜图像变暗、实验信噪比降低。

假设你新买了一套高大上的超快激光系统，激光器的安装和验收都很完美，但是当你用十个光学元件把激光打到实验样品上时，却发现信噪比无法达到预期。调激光器没用，调实验样品也没用，那么问题肯定是出在中间的反射镜吧？但是哪一个呢？

镀膜检测、超快激光系统及其光束传输、高次谐波产生、超快显微镜、飞秒微加工和成像等宽带应用都要准确知道和控制每个波长的相对相位，才能使性能达到最佳。对于500 fs左右的脉宽，关注激光晶体和棱镜等块体光学元件的相位影响就已足够；对于100 fs或更短的脉冲，脉冲越短，反射镜和透镜对相位的影响越大。

为了量化相位影响，以往只能根据镀膜理论数据(实际可能偏差很大)或者自己搭建仪器或使用系统级测量设备。但是有了白光干涉仪就能快速测量群延迟色散(GDD)，根据测量结果改善超快激光系统、光束传输元件和光学镀膜的性能。

为什么GDD很重要？

超快激光系统要输出理论最短脉冲，需要对齐和锁定每个波长的相对相位。因为光学组件的折射率随波长变化，所以不同波长会有不同的相位。折射率随波长的变化叫做色散，导致波长“群”延迟。在实际材料中，群延迟也取决于波长或频率，使用群延迟色散(二阶色散)表达。

GDD一般以fs²或ps²为单位。知道实验中所有光学元件的GDD才能实施相应的色散补偿，从而得到干净的超短脉冲，提高很多实验的信噪比。

块体光学元件的GDD可用Sellmeier方程计算，但是计算光学镀膜的GDD更为复杂。下图展示了变换极限飞秒脉冲通过多层膜反射后的展宽效应。最终脉宽取决于每个波长的振幅和相位。由于飞秒脉冲的宽带宽，不同波长的速度不同，对膜层的穿透深度也不同。反射脉冲具有与波长相关的累积相位，使电场包络发生变化，发生脉冲啁啾。

飞秒脉冲在多层反射膜中的色散
H L...表示交替的高低折射率膜层

色散可使脉冲变形并降低峰值功率，有时对实验非常不利；但是有时却非常有用，比如通过设计相反的GDD实施补偿。不管何种情况，色散测量都很重要。

GDD测量技术

GDD测量技术主要有两种：时域和谱域白光干涉。

本文重点介绍时域型，因为它比谱域具有几个重要优势。首先，时域白光干涉使用低价的单元件光电二极管探测器，不需要光谱仪探测器阵列，可快速更换探测器。其次，集成氦氖参考激光器为每次扫描自动校准波长轴；所以波长轴更为准确。第三，能够同时测量两种不同偏振。

下图是白光干涉的工作原理。宽带光源准直输入干涉仪中，参考臂中使用低色散反射镜，测试臂中使用待测反射镜。扫描两臂的时间延迟，在延迟为零的区域附近，来自两臂的白光发生干涉，由光电二极管探测并将结果传到电脑进行处理。氦氖参考激光与白光共线传播，用作时间延迟扫描的精密距离参考。氦氖干涉条纹由单独的光电二极管记录。

如需测量透射光学元件，只需用另一个低色散反射镜替换Mirror Under Test再将透射元件插入光路即可。下图展示了四种色散测量模式。

通过计算机处理白光干涉图案可以提取两臂的相对相位信息，计算出待测反射镜的相位和色散性质。这种色散测量方法简单实用，因为白光测量只需一个单元件探测器，而氦氖激光能够自动校准波长，只要波长处于宽带光源和探测器范围之内就能测量其色散。

GDD测量实例

GDD测量以往使用不多，因为需要自己搭建装置，这可能需要博士级的专业知识和经验。KMLabs曾经就是这么做的，因为每个重要光学元件的GDD都要准确测量。他们意识到很多其它领域可能需要测量色散，于是Chromatis色散测量系统应运而生。

Chromatis规格

• GDD分辨率：±5 fs²

• 同时测量两种偏振

• 集成自动校准波长的氦氖激光器

• 测量Ø1/2英寸和Ø1英寸光学元件

• 三种标准模式(包含夹具和参考元件)

• 0° 反射测量

• 5° 到 70° 反射测量

• 0° 到 70° 透射测量

• 可选配用于反射镜对的安装夹具

下面用一个实例说明Chromatis如何用于改善超快镀膜的性能。三批镀膜的GDD和目标值的对比如下图所示。为了补偿激光系统的正常GDD，这种反射镜的GDD设计目标是在蓝色阴影区的波长范围内维持恒定的-1200 fs²。三批镀膜都能满足透射和反射规格，但是第一批(蓝线)的GDD最大偏离目标4100 fs²，第二批(红线)降至1400 fs²，而第三批(绿线)保持在50 fs²之内。

我们通过三批镀膜对100 fs变换极限脉冲的影响说明改善GDD规格的重要性。在左下图中，脉冲通过第一批镀膜反射的峰值强度下降5%，但是通过第三批下降只有0.1%。很多激光系统中可能有很多个反射镜，而每个反射镜的GDD效应是叠加的，比如光在振荡器中多次往返、放大器的光路，或者激光输出端口和实验样品之间的长光路。右下图对比10次反射后的结果，第一批形成了多脉冲，峰值强度只有初始值的24%，但是第三批仍然保持初始峰值强度的98.4%。

峰值强度降低对于倍频和显微镜等双光子过程的影响可能更为明显，因为信号与强度平方成正比；入射脉冲越短，影响越大。

总之，如果用户能够快速简单地测量光学元件的色散，那么镀膜生产商能够改进工艺，超快激光器生产商能够搭建更好的激光器系统，而超快激光用户也能优化实验，采集更好的数据。

文章转自：Thorlabs索雷博

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