【常用光學(xué)元器件】啁啾鏡的原理和應(yīng)用
1. 啁啾鏡的原理
要了解啁啾鏡的原理，我們首先要知道啁啾從何而來。簡單來講，對于一個(gè)含有很多頻譜成分的脈沖，只要通過介質(zhì)傳播，就不可避免的會引入啁啾，這是因?yàn)閷τ诓煌念l譜成分，在介質(zhì)中傳播的速度不同，單位時(shí)間內(nèi)就必然會產(chǎn)生群速度延時(shí)，同時(shí)在介質(zhì)中傳播的距離越長，各波長間的延時(shí)也會越大，引入的啁啾量也會越大，造成脈沖在時(shí)域上變寬。這也是為什么我們在使用超快激光光源時(shí)，要盡量避免使用透射性元件的原因之一（其它原因還包括非線性效應(yīng)等），畢竟脈寬變寬了，超快激光光源也就失去了它的作用。啁啾鏡最早應(yīng)該是由R. Szip?cs在1994年的一篇文章中提出的，它最基本的原理就是，在鏡片基底上鍍多層膜，通過設(shè)計(jì)各層膜的厚度和材料（即折射率），控制激光不同頻率成分在多層膜中穿透的深度（這個(gè)過程相當(dāng)于人為引入了設(shè)計(jì)好的群延時(shí)），達(dá)到控制色散的目的。
圖1. 啁啾鏡的多層膜結(jié)構(gòu)
2. 啁啾鏡的發(fā)展和完善
原理雖然簡單，但在測試中發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)實(shí)際是存在一個(gè)嚴(yán)重問題的。由多層膜反射產(chǎn)生的群延時(shí)在頻譜范圍內(nèi)會出現(xiàn)極大的振蕩，這顯然會導(dǎo)致引入的啁啾量表現(xiàn)為同樣的劇烈振蕩。這種振蕩是我們不希望看到的，激光脈沖經(jīng)過這樣的啁啾鏡后其光譜相位會發(fā)生畸變，達(dá)不到預(yù)期的效果。雖然這種振蕩可以通過優(yōu)化多層膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的減弱，但這種優(yōu)化受限于較為嚴(yán)苛的初始條件，即要滿足設(shè)計(jì)要求的帶寬和反射率，因此很難得到有效的改觀。而隨著對鍍膜原理的進(jìn)一步研究，引起群延時(shí)振蕩問題的兩個(gè)根本原因被挖掘了出來。首先是在表層鍍膜，也就是和空氣接觸的最外層鍍膜處由于菲涅爾反射（Fresnel Reflection）形成一種類F-P腔的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)引入了根據(jù)波長變化規(guī)律性振蕩的色散，如圖2。（著名的GTI鏡恰恰是利用這一條來人為引入這樣的色散）
圖2. 根據(jù)波長變化規(guī)律性振蕩的色散
第二個(gè)原因是在多層膜結(jié)構(gòu)中被各層反射的光，在耦合后重新進(jìn)入空氣時(shí)會發(fā)生微弱的失配現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也會造成色散振蕩。找到了“病因”所在，正方便“對癥下藥”。群延時(shí)的振蕩是根據(jù)波長變化的規(guī)律性振蕩，那么可以通過對多層膜的設(shè)計(jì)得到一對能夠在色散方面互補(bǔ)的啁啾鏡。你波峰對我波谷，保證了色散曲線的平緩，如圖3。這種設(shè)計(jì)還可以有效減少鍍膜的層數(shù)，降低設(shè)計(jì)難度。此外，啁啾鏡的表層還會鍍上一層AR（Anti-Reflection）膜，用來消除菲涅爾反射的效應(yīng)。
圖3. 經(jīng)過設(shè)計(jì)的啁啾鏡對色散互補(bǔ)
3. 啁啾鏡的應(yīng)用
啁啾鏡相比于其它結(jié)構(gòu)的色散補(bǔ)償器件有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，體積緊湊、反射率高，但美中不足，提供的色散量是相對有限的，畢竟只靠那薄薄的幾層膜來實(shí)現(xiàn)功能。因此啁啾鏡適用的范圍也常常是需要色散量不大，但對精確度和空間有要求的場合。比如啁啾鏡對常常應(yīng)用在超快振蕩器內(nèi)，用來精確補(bǔ)償很小的腔內(nèi)材料色散（可同時(shí)配合棱鏡對或尖劈對）。啁啾鏡也常用在基于超快激光的超連續(xù)產(chǎn)生過程中，超短激光脈沖透過超連續(xù)材料后光譜展寬，需要用啁啾鏡對脈沖壓縮至更短的脈寬。
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