CZ200224A3

CZ200224A3 - Disperzní vícevrstvé zrcadlo

Info

Publication number: CZ200224A3
Application number: CZ200224A
Authority: CZ
Inventors: Gabriel Florin Tempea; Ferenc Krausz
Original assignee: Femtolasers Produktions Gmbh
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-06-12
Also published as: DE50009803D1; JP2003504677A; AT410732B; CZ301786B6; HU0201713D0; BR0012226A; CN1360746A; HU226285B1; IL147467A; DE50014869D1; AU6253100A; EP1536529A2; ATA116099A; WO2001005000A1; AU769695B2; EP1192687B1; PT1192687E; ES2239606T3; CA2378299A1; IL147467A0

Description

Disperzní vícevrstvé zrcadlo

Oblast techniky

Vynález se týká disperzního, vícevrstvého zrcadla, například pro laserová zařízení s krátkými impulsy, oscilátory, laserové zesilovače, nebo vláknové kompresory, které obsahuje více jednotlivých vrstev nanesených na substrát pro vytvoření předem daných dispersních hodnot pro různé frekvenční komponenty odrážených krátkých impulsů záření.

Dosavadní stav techniky

V laserové technice se usiluje o stále kratší laserové impulsy s trváním impulsů v oblasti pikosekund a femtosekund. Nehledě na použití ve vědeckých oblastech, jsou laserová zařízení s krátkými impulsy toho druhu stále více používána v průmyslu pro zpracování materiálů. Laserové krystaly používané v takových laserových zařízení s krátkými impulsy, srov, například WO 98/10494 A, mají vynikající tepelné vlastnosti jakož i široké fluorescenční svazky, které umožňují vytváření laserových impulsů s trváním impulsů kratším než 10 nebo dokonce 5 femtosekund. Jsou zde používány zejména laserové krystaly, které jsou dotovány přechodovými kovy, jako především titan - safír (Ti:S) - laserový krystal.

Problém při vytváření ultrakrátkých laserových impulsů toho druhu nebo všeobecně impulsů záření, spočívá v ostatních komponentách laserového systému, přičemž by zejména mělo význam, mít k dispozici širokopásmové, vysoce reflexní optické elementy, • 0 0 0 • · · 0 • 000000

0 · ··· 0 00 popřípadě disperzní (to znamená disperzní komponentu způsobující) komponenty.

Bylo již navrhováno provádění disperzních komponent pro laserová zařízení toho druhu technikou tenkých vrstev, srov. například spis US 5 734 503 A, jakož i článek A-. Stingl et al., „Generation of 11-fs pulses from a Třsapphire laser without the use of prisms“, Optics Letters, díl 19, č. 3, únor 1994, str, 204-206. Zrcadla jsou přitom vytvořena ze značného počtu (například 42) jednotlivých vrstev s rozdílnými indexy lomu, které mají při odrazu ultrakrátkých laserových impulsů - které mají odpovídající velkou šířku pásma ve frekvenční oblasti - vykonávat svou funkci: pronikání rozdílných komponent vlnových délek laserového záření rozdílně hluboko do jednotlivých vrstev zrcadla, dříve než jsou odraženy. Tím jsou rozdílné frekvenční komponenty podle příslušné hloubky vrstvy rozdílně dlouze zpožděny. Krátkovlnné komponenty jsou ve větší míře odráženy na vnější straně, dlouhovlnné podíly naopak hlouběji v zrcadle. To znamená, že dlouhovlnné frekvenční komponenty jsou proti krátkovlnným komponentám časově zpožděny. Tímto způsobem může být u laserových zařízení obdržena disperzní kompenzace pro laserové záření s krátkými impulsy: v časové oblasti zejména krátkých impulsů totiž mají široké frekvenční spektrum, přičemž ale rozdílné frekvenční komponenty laserového záření „vidí“ v příslušném laserovém krystalu - který je opticky nelineární rozdílný index lomu (to znamená optická tloušťka laserového krystalu je pro rozdílné frekvenční komponenty laserových impulsů rozdílně velká); rozdílné frekvenční komponenty laserových impulsů jsou proto při průchodu laserovým krystalem rozdílně zpožděny. S tímto jevem je možno se setkat uvedenou dispersní kompenzací u známých tenkostěnných laserových zrcadel, která jsou podle toho označována jako „disperzní“. Tato známá zrcadla jsou nazývána také „chirpovaná“ (Chirped Mirrors - CM), „chirp“ = „frekvenční posuv“, *0«···· * · · · * 0 « · · 0 · · »«0

0*0 * 0« 00 00 00·· a znamenají podstatný pokrok ve srovnání s předtím používanými zpožďovacími elementy s hranoly. Předně bylo možno získat laserové impulsy s dobou trvání impulsů 10 fs a kratší přímo laserovým oscilátorem, a laserový systém byl kompaktní a spolehlivý. CMzrcadla řídí závislost vlnových délek na skupinovém zpoždění, jak bylo zmíněno, hloubkou vniknutí rozdílných spektrálních komponent do vícevrstvé struktury. Vícevrstvá struktura toho druhu je ale výrobně relativně nákladná a má mimo to relativně velkou tloušťku.

f

Úkolem vynálezu je vytvořit širokopásmová, dispersní zrcadla, která umožňují jednoduché vytvoření vrstev, přičemž mají být dosažitelné také poměrně krátké optické vlnové délky a přičemž mají nicméně také umožňovat poměrně velké hodnoty disperze pro skupinové zpoždění.

Podstata vynálezu

Výše uvedený úkol splňuje disperzní, vícevrstvé zrcadlo, například pro laserová zařízení s krátkými impulsy, oscilátory, laserové zesilovače, nebo vláknové kompresory, které obsahuje více jednotlivých vrstev nanesených na substrát pro vytvoření předem daných dispersních hodnot pro různé frekvenční komponenty odrážených krátkých impulsů záření, podle vynálezu, jehož podstatou je, že na substrátu je upravena vrstva s vysokou odrazivostí k odrazu všech frekvenčních komponent, na které jsou naneseny jako rezonanční nanesená struktura dielektrické jednotlivé vrstvy pro modulaci fází odrážených krátkých impulsů, přičemž jsou dány různé akumulační doby pro různé frekvenční komponenty v resonanční nanesené struktuře.

• fc · * « fc fcfc fcfc · • fcfcfc· fcfcfc fc · • fc fcfc·· •fcfc · ·· fcfc

Vytvořením zrcadla toho druhu je shora stanovenému úkolu dobře vyhověno. Vynález přitom spočívá v tom, že závislost vlnových délek na zpoždění impulsů, nebo skupinové době průchodu, může být řízena pomocí akumulačního času rozdílných spektrálních komponent v zrcadle. Předložené disperzní zrcadlo je rezonanční zrcadlo, přičemž celková optická tloušťka pro docílení téže disperze po skupinách a stejné odrazivosti ve srovnatelné spektrální oblasti, může být poměrně menší než u známých CM-zrcadel.

Jako takové je již dlouhou dobu známé, řídit akumulační čas optických impulsů v rezonanční struktuře tak, aby se zavedlo časové zpoždění určitého trvání. V minulosti byly ale tyto známé rezonanční struktury uváděny jen v souvislosti s úzkopásmovými optickými komponentami - tzv. interferometry GTI (Gires-TournoisInterferometer). Pokusy vedoucí k vynálezu naproti tomu ukázaly, že když je podle vynálezu vrstva s vysokou odrazivosti, zejména kovová vrstva s vysokou odrazivosti, například se stříbrem nebo hliníkem, kombinována s dielektrickou rezonanční nanesenou strukturou, například s pouze 20 až 30 jednotlivými dielektrickými vrstvami, mohou být bezproblémově docíleny širokopásmové systémy, například pro vlnové délky v oblasti 300 nm při centrální vlnové délce 800 nm,

GTI-interferometr sestává z vrstvy s vysokou odrazivosti, vložené vrstvy a vrstvy s částečnou odrazivosti, které (u určitých vlnových délek) tvoří rezonanční dutinu (kavitu). V daném případě rezonančního disperzního zrcadla jsou vložená vrstva a horní vrstva s částečnou odrazivosti nahrazeny slabě rezonanční vícevrstvou strukturou. Tím již není dutina (kavita) jako taková rozpoznatelná.

• i * ·”· ” · φ φφφφ φφφ φ φ · · φ φ · φφφφ φφφ •ΦΦ φ φφ φφ φφ φφφφ

Dielektrická rezonanční nanášená struktura předloženého zrcadla zesiluje nepatrně odrazivost vysokofrekvenční vrstvy, má ale hlavní účel, modulovat fáze odražených impulsů.

Když se hledí na ztráty v optickém systému, jako spíše kritické, má Šířka pásma menší význam, avšak místo kovové vrstvy s vysokou odrazivostí může být také použit dielektrický standardní reflektor s vysokou odrazivostí, jako zejména tzv. Braggův reflektor (λ/4-reflektor). V tomto případě je pásmová Šířka zrcadla odpovídající pásmové šířce Braggova reflektoru - omezena.

Technologické požadavky na disperzní rezonanční zrcadlo toho druhu jsou srovnatelné s oněmi u CM-zrcadel. K docílení týchž skupinových zpožďovacích - dispersních schopností a reflexních schopností pro tentýž spektrální rozsah však může být použita poměrně menší optická tloušťka. Pro CM-zrcadlo je dána nejmenší hodnota nanesené vrstvy optickou délkou dráhy odpovídající skupinovému zpoždění, která je zavedeno mezi nejkratší a nejdelší vlnovou délku v oblasti s vysokou odrazivostí. Na základě rezonanční struktury však nejsou disperzní zrcadla podle vynálezu tomuto omezení podrobena a mohou se zavést vyšší disperzní hodnoty při kratších optických tloušťkách. Další rozdíl vůči CM-zrcadlům sestává v tom, že se průměrná optická tloušťka vrstvy nemění se vzdáleností od nosného substrátu monotónně, nýbrž setrvává u konstantní střední hodnoty.

Celkově tím obsahuje předložené zrcadlo optické interferenční nanesení s vysokou odrazivostí, u kterého je reflektor s vysokou odrazivostí monoliticky integrován se slabě rezonanční dielektrickou vrstvovou strukturou. Frekvenční závislost skupinového zpoždění (Group Delay - GD) je řízena přes akumulační Čas pro rozdílné spektrální komponenty v rezonanční struktuře.

*· · ······· · ·*· * « • a · · a · a · a aaa a aa aa «· aaaa

Zrcadlo podle vynálezu je vhodné k disperzní kontrole širokopásmových elektromagnetických signálů všeobecně ve frekvenčním rozsahu od mikrovln až k rentgenovému záření, přičemž jsou výhodná zejména pro použití v laserech s pevným tělesem, laserových zesilovačích a vláknových kompresorech (hollow-fibre compressors), kde jsou vytvářeny ultrakrátké impulsy, pro které je předložené přesné kompaktní disperzní řízení výhodné. Výroba je přitom ve srovnání s CM-zrcadly příznivější nejen kvůli menšímu počtu vrstev, nýbrž také proto, že vysokofrekvenční vrstva je sama o sobě standardní vrstva.

Dielektrické jednotlivé vrstvy jako takové mohou obsahovat například známý oxid křemičitý (S1O2), popřípadě oxid titaničitý (T1O2). Dielektrické jednotlivé vrstvy mohou být ale tvořeny také oxidem tantaličným (TajOj). Zejména při použití kovové vrstvy s vysokou odrazivostí mohou při nanášení na ní ležících dielektrických vrstev vzniknout problémy s přilnavostí, a zde se dále prokázalo jako výhodné, když je mezi vrstvou s vysokou odrazivostí a dielektrickou rezonanční nanášenou strukturou upravena vrstva pro zprostředkování přilnavosti, například z oxidu hlinitého (AI2O3).

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je následně ještě blíže vysvětlen podle příkladů se zřetelem na výkresy. Na výkresech znázorňuje obr, 1 schematicky vytvoření disperzního rezonančního zrcadla s kovovou vrstvou s vysokou odrazivostí, obr. 2 příslušný diagram závislosti odrazivostí R (%), popřípadě skupinového zpoždění - disperze GDD (fs²) na vlnové délce λ, v · « ·· V * * ·* • · · · * · · • **·» ·«* φ « · · φ • « · · · · φφφ φ «φ ·· · · φ«φ φ obr. 3 vytvoření jiného disperzního rezonančního zrcadla Braggovým (X/4)-reflektorem s vysokou odrazivostí a obr. 4 odpovídající příslušný diagram závislosti odrazivostí R (%) a disperze GDD (fs²) na vlnové délce λ.

Příklady provedení vynálezu

Rezonanční disperzní zrcadlo schematicky znázorněné na obr. 1 má na substrátu 1 kovovou vrstvu 2 s vysokou odrazivostí, na které je umístěna rezonanční dielektrická vícevrstvá nanášená struktura 3. s jednotlivými, například 20 až 30, vrstvami 4, 5., Tyto dielektrické jednotlivé vrstvy 4, 5. jsou střídavě vrstvy s vysokým a nízkým lomem rozdílné tloušťky a mohu sestávat známým způsobem střídavě z oxidu titaničitého (T1O2 ). popřípadě oxidu křemičitého (S1O2 ).

Pro vysokofrekvenční kovovou vrstvu 2 může být použito například stříbro nebo hliník. Dále se může pro zlepšení přilnavosti dielektrických jednotlivých vrstev 4, 5 na kovovou vrstvu 2 upravit přilnavost zprostředkovávající vrstva 6, která může sestávat například z oxidu hlinitého (Al 2Ο3).

Pro vytvoření rezonančního disperzního zrcadla, znázorněného schematicky na obr.l, může být použita například následující posloupnost vrstev s odpovídajícími tloušťkami vrstev (v nm):

Ag	300,00
AI2O3	112,36
TiO₂	91,66
SiO₂	139,61
TiO₂	87,46
SiO₂	129,80
TiO₂	55,59

» 9 44 9	4« 4	•	444· «4 • «	9	94 • 4
4 9444	4 ·	•	• 9 4	•	4
9 9	4	•	4 9 4	9	4
999 4	• 9		44 ··		9444

SiO₂	93,11
TiO₂	86,20
SiO₂	141,73
TiO₂	86,37
SiO₂	148,84
TiO₂	52,21
SiO₂	55,53
TiO₂	85,60
SiO₂	158,43
TiO₂	91,84
SiO₂	83,49
TiO₂	30,00
SiO₂	120,28
TiO₂	98,41
SiO₂	156,28
TiO₂	21,04
SiO₂	67,20
TiO₂	97,16
SiO₂	167,40
TiO₂	20,18
SiO₂	60,92
TiO₂	94,78
SiO₂	139,05

Rezonanční disperzní zrcadlo toho druhu poskytuje například u vlnových délek λ od cca 650 nm do cca 950 nm chování se zřetelem k odrazivosti R (v %) a disperzi (GDD-Group Delay Dispersion skupinové zpoždění - disperze, v fs² ; GDD je první odvod skupinového zpoždění GD), jak je znázorněné na obr. 2.

Na obr. 3 je znázorněna alternativní forma provedení předloženého rezonančního dispersního zrcadla, přičemž nyní je na

• * • 9	49 •	9	9999 9	94 9	9	94 9 9
9 9999	9 9	•	• 9	9	9	4
• 9	9	9	9 9	9	9	9
• 9 9	9«		»9	9 ·		4 9 9 9

substrát ]_ nanesen jako zrcadlová vrstva s vysokou odrazivostí Braggfiv (X/4)-reflektor 2Nato následuje opět rezonanční dielektrická nanášená struktura 3_ s jednotlivými vrstvami 4, popřípadě 5_, střídavě s vysokým, popřípadě nízkým lomem.

Vytvoření zrcadla toho druhu, jak je znázorněno na obr. 3 je výhodné pak, když je příslušný optický systém s ohledem na ztráty, kritický, naproti tomu ale mohou být akceptovány menší pásmové šířky.

Typické chování se zřetelem k odrazivostí R a dispersi GDD vyplývá například z diagramu na obr. 4, přičemž je zřetelné, že pásmová šířka je nyní menší, například od cca 700 nm vlnové délky λ až cca 900 nm vlnové délky λ (místo 650 nm až 950 nm podle obr, 2).

Pro jednotlivé vrstvy 4, popřípadě 5_ mohou být opět použity vrstvy z oxidu titaničitého (T1O2) a oxidu křemičitého (S1O2). Podle potřeby může být samozřejmě použito také více nebo méně než udaných 28 jednotlivých vrstev 4, 5. Zejména může být použito také méně, například jen cca 20, jednotlivých vrstev 4, 5_. Dále jsou myslitelné také jiné materiály, jako oxid tantaličný (Ta20s) atd. Podstatné je, že tyto jednotlivé vrstvy 4, 5. společně poskytují rezonanční vícevrstvou strukturu a přitom modulují fáze odrážených impulsů.

Claims

1. Disperzní, vícevrstvé zrcadlo, například pro laserová zařízení s krátkými impulsy, oscilátory, laserové zesilovače, nebo vláknové kompresory, které obsahuje více jednotlivých vrstev (4, 5) nanesených na substrát (1) pro vytvoření předem daných dispersních hodnot pro různé frekvenční komponenty odrážených krátkých impulsů záření, vyznačující se tím, že na substrátu (1) je upravena vrstva (2, 2') s vysokou odrazivostí k odrazu všech frekvenčních komponent, na které jsou naneseny jako rezonanční nanesená struktura (3) dielektrické jednotlivé vrstvy (4, 5) pro modulaci fází odrážených krátkých impulsů, přičemž jsou dány různé akumulační doby pro různé frekvenční komponenty v resonanční nanesené struktuře (3).

2. Zrcadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, vrstva (2) s vysokou odrazivostí je kovová vrstva.

3. Zrcadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že kovová vrstva (2) s vysokou odrazivostí je vytvořena se stříbrem.

4. Zrcadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že kovová vrstva (2) s vysokou odrazivostí je vytvořena s hliníkem.

5. Zrcadlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že vrstva (2') s vysokou odrazivostí jako taková je vytvořena známým Braggovým reflektorem.

6. Zrcadlo podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že rezonanční nanesená struktura (3) obsahuje jen několik, například 20 až 30 dielektrických jednotlivých vrstev (4, 5),

• · 44 444« «4 • 4 44 4 4 4 4 · 4 4 4 4 444* 4 4 4 4 4 4 * 4 4 • 4 4 4 4 4 4 • 44 4 4 4 44 44 4444

7. Zrcadlo podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že dielektrické jednotlivé vrstvy mají střídavě vysoký a nízký lom.

8. Zrcadlo podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že dielektrické jednotlivé vrstvy (4, 5) sestávají střídavě z oxidu křemičitého ( S1O2), popřípadě oxidu titaničitého (T1O2).

9. Zrcadlo podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že mezi vrstvou (2) s vysokou odrazivostí a dielektrickou rezonanční nanesenou strukturou (3) je upravena přilnavost zprostředkovávající vrstva (6)), například z oxidu hlinitého (AI2O3).