CZ301786B6

CZ301786B6 - Disperzní vícevrstvé zrcadlo

Info

Publication number: CZ301786B6
Application number: CZ20020024A
Authority: CZ
Inventors: Florin Tempea@Gabriel; Krausz@Ferenc
Original assignee: Femtolasers Produktions Gmbh
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2010-06-23
Also published as: DE50009803D1; JP2003504677A; AT410732B; HU0201713D0; BR0012226A; CN1360746A; HU226285B1; IL147467A; DE50014869D1; AU6253100A; CZ200224A3; EP1536529A2; ATA116099A; WO2001005000A1; AU769695B2; EP1192687B1; PT1192687E; ES2239606T3; CA2378299A1; IL147467A0

Abstract

Disperzní, vícevrstvé zrcadlo, napríklad pro laserová zarízení s krátkými impulzy, oscilátory, laserové zesilovace, nebo vláknové kompresory, je provedeno s více jednotlivými vrstvami (4, 5) nanesenými na substrát (1) pro vytvorení predem daných disperzních hodnot pro ruzné frekvencní komponenty odrážených krátkých impulzu zárení. Na substrátu (1) je upravena vrstva (2, 2') s vysokou odrazivostí k odrazu všech frekvencních komponent, na které jsou naneseny jako rezonancní nanesená struktura (3) dielektrické jednotlivé vrstvy (4, 5) pro modulaci fází odrážených krátkých impulzu. Pritom jsou dány ruzné akumulacní doby pro ruzné frekvencní komponenty v rezonancní nanesené strukture (3).

Description

Disperzní vícevrstvé zrcadlo

Oblast techniky

Vynález se týká disperzního, vícevrstvého zrcadla, například pro laserová zařízení s krátkými impulzy, 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 impulzů záření.

io

Do^avadpi stav techniky

V laserové technice se usiluje o stále kratší laserové impulzy s trváním impulzů v oblasti piko15 sekund a femtosekund. Nehledě na použití ve vědeckých oblastech, jsou laserová zařízení s krátkými impulzy toho druhu stále více používána v průmyslu pro zpracování materiálů. Laserové krystaly používané v takových laserových zařízení s krátkými impulzy, srov. například WO 98/10494 A, mají vynikající tepelné vlastnosti jakož i široké fluorescenční svazky, které umožňuji vytváření laserových impulzů s trváním impulzů 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 impulzů toho druhu nebo všeobecně impulzů záření, spočívá v ostatních komponentách laserového systému, přičemž by zejména mělo význam, mít k dispozici širokopásmové, vysoce reflexní optické elementy, 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., „Gene30 ration 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 impulzů - 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 impulzy: v časové oblasti zejména krátkých impulzů 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 krystaluje pro rozdílné frekvenční komponenty laserových impulzů rozdílně velká); rozdílné frekvenční komponenty laserových impulzů jsou proto při průchodu laserovým krystalem rozdílně zpožděny. S tímto jevem je možno se setkat uvedenou dispersní kompenzací u známých tenkostěnných laserových zrcadel, které jsou podle toho označována jako „disperzní“. Tato známá zrcadla jsou nazývána také „chirpovaná“ (Chirped Mirrors - CM), „chirp“ - „frekvenční posuv“, a znamenají podstatný pokrok ve srovnání s předtím používanými zpožďovacími elementy s hranoly. Předně bylo možno získat laserové impulzy s dobou trvání impulzů 10 fs a kratší přímo laserovým oscilátorem, a laserový systém byl kompaktní a spolehlivý. CM-zrcadla 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.

-1 CZ 301786 B6

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 impulzy, oscilátory, laserové zesilovače, nebo vláknové kompresory, které obsahuje více ío jednotlivých vrstev nanesených na substrát pro vytvoření předem daných dispersních hodnot pro různé frekvenční komponenty odrážených krátkých impulzů 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 impulzů, přičemž jsou dány různé akumulační doby pro různé frekvenční komponenty v rezonanční nanesené struktuře.

Vytvořením zrcadla toho druhu je shora stanovenému úkolu dobře vyhověno. Vynález přitom spočívá v tom, že závislost vlnových délek na zpoždění impulzů, nebo skupinové době průchodu, může být řízena pomocí akumulačního času rozdílných spektrálních komponent v zrcadle. Před20 ložené disperzní zrcadlo je rezonanční zrcadlo, přičemž celková optická tloušťka pro docílení téže disperze po skupinách a stejné odrazivostí ve srovnatelné spektrální oblasti, může být poměrně menší než u známých CM-zrcadel.

Jako takové je již dlouhou dobu známé, řídit akumulační čas optických impulzů 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-Toumois-Interferometer). Pokusy vedoucí k vynálezu naproti tomu ukázaly, že když je podle vynálezu vrstva s vysokou odrazivostí, zejména kovová vrstva s vysokou odrazivostí, 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 odrazivostí, vložené vrstvy a vrstvy s částečnou odrazivostí, které (u určitých vlnových délek) tvoří rezonanční dutinu (kavitu). V daném případě rezonančního disperzního zrcadla jsou vložená vrstva a horní vrstva s částečnou odrazivostí nahrazeny slabě rezonanční vícevrstvou strukturou. Tím již není dutina (kavita) jako taková rozpoznatelná.

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

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, které je zavedeno mezí 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 optic55 kých tloušťkách. Další rozdíl vůči CM-zrcadlům sestává v tom, že se průměrná optická tloušťka

-2UVl t uv wv 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 závislosti skupinového zpoždění (Group Delay - GD) je řízena přes akumulační čas pro rozdílné spektrální komponenty v rezonanční struktuře.

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 impulzy, pro které je předložené přesné kompaktní disperzní řízení výhodné. Výroba je přitom ve srovnání s CMzrcadly příznivější nejen kvůli menšímu počtu vrstev, nýbrž také proto, že vysokofrekvenční vrst15 va je sama o sobě standardní vrstva.

Dielektrické jednotlivé vrstvy jako takové mohou obsahovat například známý oxid křemičitý (SiO₂), popřípadě oxid titaniěitý (TiO₂). Dielektrické jednotlivé vrstvy mohou být ale tvořeny také oxidem tantaliěným (Ta₂O5). 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 (A1₂O₃).

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 - disper35 ze GDD (fs²) na vlnové délce λ, 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 provedeni vynálezu

Rezonanční disperzní zrcadlo schematicky znázorněné na obr. 1 má na substrátu 1 kovovou vrstvu 2 s vysokou odrazivostí, na které je umístěna rezonanční dielektricka 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 mohou sestávat známým způsobem střídavě z oxidu titaničitého (TiO₂), popřípadě oxidu křemičitého (SiO₂).

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 (A1₂O₃).

-3CZ 301786 B6

Pro vytvoření rezonančního disperzního zrcadla, znázorněného schematicky na obr. 1, může být použita například následující posloupnost vrstev s odpovídajícími tloušťkami vrstev (v nm):

	Ag	300,00
5	ai₂o₃	112,36
	TiO₂	91,66
	SiO₂	139,61
	TiO₂	87,46
	SiO₂	129,80
10	TiO₂	55,59
	SiO₂	93,11
	TiO₂	86,20
	SiO₂	141,73
	TiO₂	86,37
15	SiO₂	148,84
	TiO₂	52,21
	SiO₂	55,53
	TiO₂	85,60
	SiO₂	158,43
20	TiO₂	91,84
	SiO₂	83,49
	TiO₂	30,00
	SiO₂	120,28
	TiO₂	98,41
25	SiO₂	156,28
	TiO₂	21,04
	SiO₂	67,20
	TiO₂	97,16
	SiO₂	167,40
30	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 substrát i nanesen jako zrcadlová vrstva s vysokou odrazivosti Braggův (X/4)-ref1ektor 2\ Nato následuje opět rezonanční dielektrická nanášená struktura 3 s jednotlivými vrstvami 4, popřípadě 5, střídavě s vysokým, popřípadě nízký 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.

-4vz. jui z συ do

Typické chování se zřetelem k odrazivosti R a disperzi 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 titaniěitého (TiO₂) a oxidu křemičitého (SiO₂). 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 (Ta₂O₃) atd. Podstatné je, že tyto jednotlivé vrstvy 4, 5 společně poskytují rezonanční vícevrstvou struktu10 ru a přitom modulují fáze odrážených impulzů.

Claims

15 PATENTOVÉ NÁROKY

1. Disperzní, vícevrstvé zrcadlo, například pro laserová zařízení s krátkými impulzy, oscilátory, laserové zesilovače, nebo vláknové kompresory, které obsahuje více jednotlivých vrstev (4, 5)

20 nanesených na substrát (1) pro vytvoření předem daných dispersních hodnot pro různé frekvenční komponenty odrážených krátkých impulzů záření, vyznačující se tím, že na substrátu (1) je upravena vrstva (2, 2') s vysokou odrazivosti k odrazu všech frekvenčních komponent, na které jsou naneseny jako rezonanční nanesená struktura (3) dielektrické jednotlivé vrstvy (4, 5) pro modulaci fází odrážených krátkých impulzů, přičemž jsou dány různé akumulační doby pro

25 různé frekvenční komponenty v rezonanční nanesené struktuře (3).

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

30

3. Zrcadlo podle nároku 2, vyznačující se tím, že kovová vrstva (2) svysokou odrazivosti je vytvořena se stříbrem,

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

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

6. Zrcadlo podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že rezonanční nane40 sená struktura (3) obsahuje jen několik, například 20 až 30 dielektrických jednotlivých vrstev (4,

5).

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 laž7, vyznačující se tím, že dielektrické jednotlivé vrstvy (4, 5) sestávají střídavě z oxidu křemičitého SiO₂, popřípadě oxidu titaniěitého TiO₂.

50 9. Zrcadlo podle jednoho z nároků laž8, vyznačující se tím, že mezi vrstvou (2) s vysokou odrazivosti a dielektrickou rezonanční nanesenou strukturou (3) je upravena přilnavost zprostředkovávající vrstva (6), například z oxidu hlinitého Al₂O₃.