高色散反射鏡

雷射資源指南第13.1，13.2 及 13.3部份。

如需詳細說明色散及其對超快雷射系統的重大影響，請參閱雷射級基材特性以及超快色散。大部分光學介質在超快系統中引起的正啁啾或色散，可利用光學元件加以補償，例如具有負色散的高色散反射鏡。這樣可讓短波長的相位速度高於長波長，以便抵消正啁啾並壓縮脈衝期 (圖 1)。

Figure 1: Figure 1: Highly-dispersive mirrors and other pulse compressing optics introduce negative dispersion, canceling out the positive dispersion experienced by ultrafast laser pulses as they transmit through optical media

圖 1: 脈衝壓縮反射鏡（上）及稜鏡（下）可導入負色散，以抵消超快雷射脈衝穿透光學介質時產生的正色散。

早期的色散補償方法

在使用高色散反射鏡之前，傳統上會在超快系統利用多種不同的脈衝壓縮光學元件，其中包括稜鏡、光柵、Gires-Tournois 干涉儀 (GTI) 反射鏡及啁啾反射鏡。

色散稜鏡及光柵

超快雷射系統中可利用多種具有負色散的稜鏡及光柵，以便抵消正啁啾並壓縮脈衝期 (圖 2)。色散稜鏡相當龐大，需要佔用許多空間。此外色散稜鏡及光柵一般也具有低光通量、高度敏感的對準及分隔距離，以及大量第三階色散，因此會增加時間變寬的情形。

Figure 2: While prisms and gratings can be used for pulse compression, they face a number of disadvantages compared to highly-dispersive mirrors

圖 2: While prisms and gratings can be used for pulse compression, they face a number of disadvantages compared to highly-dispersive mirrors

Gires-Tournois 干涉儀反射鏡

如果要瞭解高色散反射鏡的運作方式，就必須瞭解 Gires-Tournois 干涉儀 (GTI) 反射鏡。Gires-Tournois 干涉儀為駐波共振器，使用高反射率的 GTI 反射鏡產生色度色散。由於反射鏡鍍膜共振的緣故，GTI 反射鏡所反射的光線相位需視波長而定，因此 GTI 反射鏡可提供取決於角度的負 GDD，用於超快腔內色散控制。不過 GTI 反射鏡會產生高階色散，並只能在非常有限的波長範圍提供負 GDD。

啁啾反射鏡

瞭解啁啾反射鏡對充分瞭解高色散反射鏡而言相當重要。有別於使用共振效應提供負 GDD 的 GTI 反射鏡，啁啾反射鏡是以波長相關的反射鏡鍍膜穿透深度，導入受控制的負 GDD。一般電介質反射鏡可反射特定的單一波長，而啁啾反射鏡的每個鍍膜層可反射不同波長。鍍膜層厚度會從外部反射鏡表面一路增加到底層，讓長波長能夠穿透至鍍膜更深處，形成比短波長更長的路徑長度，藉此抵消正色散 (圖 3)。

Figure 3: The variable layer thickness of chirped mirrors causes negative dispersion

圖 3: 啁啾反射鏡的不同層厚度可產生負色散

可惜的是，在這樣簡單的電介質結構中，不同層厚度之間急遽的過渡情形，會在群組延時色散 (GDD) 產生以波長函數表示的振盪 (圖 4)。

Figure 4: Oscillations in the GDD of an ultrafast chirped mirror due to the discrete switching between different layer thicknesses

圖 4: 由於不同層厚度之間的切換不連貫，造成超快啁啾反射鏡中的 GDD 振盪

高色散反射鏡

超快高色散反射鏡結合波長相關穿透效果（類似於啁啾反射鏡），並在鍍膜產生多重共振效應，也就是所謂的多 GTI。¹ 這樣的組合方式能夠克服傳統 GTI 反射鏡的頻寬限制，以及啁啾反射鏡的 GDD 振盪問題。高色散反射鏡也會提供高光通量、零第三階色散，以及大幅度的負 GDD，使其成為超快系統理想的脈衝壓縮光學元件 (圖 5 及 圖 6)。

圖 5: 高色散反射鏡提供高反射率，且振盪受波長影響的情形遠低於啁啾反射鏡

Figure 6: Ultrafast highly-dispersive mirrors offer negative GDD with a high magnitude and far less wavelength-dependent oscillation than chirped mirrors

圖 6: 高色散反射鏡提供大幅度負 GDD，且振盪受波長影響的情形遠低於啁啾反射鏡。

超快高色散反射鏡具備多項優勢，超越傳統的啁啾及 GTI 反射鏡，因此成為超快雷射配置中的必要元件。這類反射鏡非常有利於需要大幅度負 GDD 以產生高能量超快脈衝的各種應用，此外在脈衝壓縮時也不會增加色散反射鏡的反射數，因此可限制對準靈敏度及往返損耗。

啁啾反射鏡對

如前所示，高色散反射鏡可避免光柵及稜鏡等傳統壓縮方法的第三和更高階色散。不過高色散反射鏡會在 100nm 以上的頻寬出現 GDD振盪，如 圖 4所示。如果這會對應用造成不利影響，啁啾反射鏡對可能是更理想的解決方案。啁啾反射鏡對之中選擇使用的反射鏡具有異相 GDD 振盪，可在大頻寬範圍內實現整體無振盪的 GDD (圖 7)，將脈衝期壓縮至 3 fs 以下。

圖 7: 配對兩個具有異相 GDD 振盪的啁啾反射鏡，在非常寬廣的波長範圍內，產生近乎無振盪的總 GDD。" L " 及 " S "用於區分反射鏡

Edmund Optics® 的高色散反射鏡

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參考資料

Pervak, V., et al. "High-Dispersive Mirrors for Femtosecond Lasers." Optics Express, vol. 16, no. 14, 2008, pp. 10220–10233., doi:10.1364/oe.16.010220.

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