Hochdispersive Spiegel

Dies sind die Abschnitte 14.1, 14.2 und 14.3 des Leitfadens für Laseroptiken.

Ausführliche Beschreibungen der Dispersion und deren erhebliche Auswirkung auf Ultrakurzpulslasersysteme finden Sie in unseren Anwendungshinweisen Dispersion und Dispersion bei Ultrakurzpulsen. Der positive Chirp oder die positive Dispersion, die bei den meisten optischen Medien in Ultrakurzpulssystemen entsteht, kann mithilfe von optischen Komponenten wie hochdispersiven Spiegeln, die eine negative Dispersion aufweisen, kompensiert werden. Dadurch erhalten kurze Wellenlängen eine höhere Phasengeschwindigkeit als lange Wellenlängen, sodass der positive Chirp ausgeglichen und die Pulsdauer komprimiert wird (Abbildung 1).

Abbildung 1: Hochdispersive Spiegel und andere Pulskompressionsoptiken weisen eine negative Dispersion auf, sodass die positive Dispersion, die bei ultrakurzen Laserpulsen bei der Übertragung durch optische Medien auftritt, beseitigt wird

Frühere Methoden der Dispersionskompensation

In Ultrakurzpulssystemen wurden verschiedenartige klassische Pulskompressionsoptiken eingesetzt, bevor hochdispersive Spiegel verfügbar waren, z. B. Prismen, Gitter, Gires-Tournois-Interferometerspiegel (GTI) und gechirpte Spiegel.

Dispersive Prismen und Gitter

In Ultrakurzpulslasersystemen können mehrere Prismen und Gitter mit negativer Dispersion eingesetzt werden, um den positiven Chirp auszugleichen und die Pulsdauer zu komprimieren (Abbildung 2). Dispersive Prismen bedingen oftmals unhandliche Aufbauten, die viel Platz beanspruchen. Dispersive Prismen und Gitter zeichnen sich außerdem durch einen geringen Durchsatz, hohe Empfindlichkeit in Bezug auf Ausrichtung und Abstand sowie eine große Dispersion dritter Ordnung auf, die die Verbreiterung im Zeitbereich verstärkt.

Abbildung 2: Prismen und Gitter ermöglichen zwar eine Pulskompression, weisen aber im Vergleich mit hochdispersiven Spiegeln eine Reihe von Nachteilen auf.

Gires-Tournois-Interferometerspiegel

Um die Funktion von hochdispersiven Spiegeln zu verstehen, muss die Funktion von Gires-Tournois-Interferometerspiegeln (GTI-Spiegeln) bekannt sein. Gires-Tournois-Interferometer sind Stehwellenresonatoren, die einen hochreflektierenden GTI-Spiegel zum Erzeugen einer chromatischen Dispersion verwenden. Die Phase des von GTI-Spiegeln reflektierten Lichts ist wegen der Resonanz in der Beschichtung des Spiegels abhängig von der Wellenlänge, sodass GTI-Spiegel eine winkelabhängige negative Gruppenverzögerungsdispersion aufweisen, die eine Steuerung der Dispersion innerhalb des Kurzpulslaserresonators ermöglicht. Bei GTI-Spiegeln entsteht jedoch eine Dispersion höherer Ordnung und die negative Gruppenverzögerungsdispersion ist auf einen kleinen Wellenlängenbereich begrenzt.

Gechirpte Spiegel

Um hochdispersive Spiegel vollständig zu verstehen, muss auch die Funktion von gechirpten Spiegeln bekannt sein. Im Gegensatz zu GTI-Spiegeln, die durch einen Resonanzeffekt eine negative Gruppenverzögerungsdispersion aufweisen, ermöglichen gechirpte Spiegel durch eine wellenlängenabhängige Eindringtiefe in die Beschichtung des Spiegels eine kontrollierte negative Gruppenverzögerungsdispersion. Typische dielektrische Spiegel sind so konzipiert, dass sie eine bestimmte Wellenlänge reflektieren. Demgegenüber reflektieren die einzelnen Beschichtungslagen in einem gechirpten Spiegel jeweils eine andere Wellenlänge. Die Dicke der Beschichtungslagen wird von der äußeren Spiegeloberfläche bis zur untersten Lage immer größer, sodass lange Wellenlängen tiefer in die Beschichtung eindringen und eine größere Weglänge durchlaufen als kürzere Wellenlängen und so der positiven Dispersion entgegenwirken (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die variable Lagendicke von gechirpten Spiegeln bewirkt eine negative Dispersion.

Allerdings führen die scharfen Übergänge zwischen den verschiedenen Lagendicken in dieser einfachen dielektrischen Struktur zu einem welligen Verlauf der Gruppenverzögerungsdispersion über der Wellenlänge (Abbildung 4).

Abbildung 4: Welliger Verlauf der Gruppenverzögerungsdispersion eines gechirpten Ultrakurzpulsspiegels durch den diskreten Wechsel zwischen den verschiedenen Lagendicken.

Hochdispersive Spiegel

Hochdispersive Spiegel für Ultrakurzpulsanwendungen kombinieren die wellenlängenabhängige Eindringtiefe – ähnlich wie bei gechirpten Spiegeln – mit einem Mehrfachresonanzeffekt in der Beschichtung (Mehrfach-GTI).¹ Diese Kombination wirkt den Bandbreitenbeschränkungen herkömmlicher GTI-Spiegel und den Gruppenlaufzeitverzögerungsschwankungen von gechirpten Spiegeln entgegen. Hochdispersive Spiegel weisen außerdem einen hohen Durchsatz, keine Dispersion dritter Ordnung und eine große negative Gruppenverzögerungsdispersion auf, sodass sie ideal als Pulskompressionsoptik für Ultrakurzpulssysteme geeignet sind (Abbildung 5 und Abbilung 6).

Abbildung 5: Neben einer negativen Dispersion für die Kompression von ultrakurzen Pulsen weisen hochdispersive Spiegel hohe Reflexionsvermögen für maximale Transmission auf.

Abbildung 6: Hochdispersiver Ultrakurzpulsspiegel weisen eine negative große Gruppenverzögerungsdispersion und weitaus weniger wellenlängenabhängige Schwankungen als gechirpte Spiegel auf.

Durch die genannten Vorteile von Hochdispersiven Ultrakurzpulsspiegeln gegenüber herkömmlichen gechirpten Spiegeln und GTI-Spiegeln sind diese Spiegel zu unentbehrlichen Elementen von Ultrakurzpulslaseraufbauten geworden. Sie bieten viele Vorteile in Anwendungen für die Erzeugung von energiereichen ultrakurzen Pulsen, in denen eine große negative Gruppenverzögerungsdispersion erforderlich ist. Diese Spiegel ermöglichen eine Pulskompression, ohne die Anzahl der Reflexionen an dispersiven Spiegeln zu erhöhen, wodurch Ausrichtungsempfindlichkeit und Umlaufverluste beschränkt werden.

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Referenzen

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.