[论文解读] A high throughput (>90%), large compensation range, single-prism femtosecond pulse compressor

Lingjie Kong, Meng Cui|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 9被引用 5

一句话总结

本论文提出一种高throughput的单棱镜飞秒脉冲压缩器，采用两个屋顶镜作为回射反射器，实现>90.7%的系统throughput和约14,500 fs²的群延迟色散（GDD）补偿范围，棱镜与屋顶镜间距为30 cm。该设计消除了角向色散、空间色散和脉冲前缘倾斜，通过熔融石英屋顶镜的全内反射实现无失真压缩，具有单位放大率和高效率。

ABSTRACT

We demonstrate a high throughput, large compensation range, single-prism femtosecond pulse compressor, using a single prism and two roof mirrors. The compressor has zero angular dispersion, zero spatial dispersion, zero pulse-front tilt, and unity magnification. The high efficiency is achieved by adopting two roof mirrors as the retroreflectors. We experimentally achieved ~ -14500 fs2 group delay dispersion (GDD) with 30 cm of prism tip-roof mirror prism separation, and ~90.7% system throughput with the current implementation. With better components, the throughput can be even higher.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、易于对准的飞秒脉冲压缩器，具备高throughput，适用于多光子显微成像应用。
• 解决以往使用金属镀层角立方体的单棱镜压缩器throughput低（~70%）的问题。
• 在不引入角向色散、空间色散或脉冲前缘倾斜的前提下，实现大范围可调的群延迟色散（GDD）范围。
• 通过熔融石英屋顶镜的全内反射，保持高光束质量和偏振态完整性。

提出的方法

• 压缩器使用单个色散棱镜（N-SF66），p偏振光以布儒斯特角入射，以最小化反射损耗。
• 两个熔融石英屋顶镜（90°棱镜）通过全内反射充当回射反射器，确保高反射率且无偏振态旋转。
• 光束两次穿过棱镜：一次正向通过，一次由屋顶镜系统反向返回。
• 使用D形银镜提取输出光束，可替换为高反性介质膜镜以进一步提升throughput。
• 通过平移第一个屋顶镜调节GDD，改变有效光程长度，从而调节色散补偿。
• 系统设计确保零角向色散、零空间色散、零脉冲前缘倾斜和单位放大率，经FROG实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 单棱镜飞秒脉冲压缩器能否在保持大GDD补偿范围的同时实现高throughput（>90%）？
• RQ2 采用基于全内反射的屋顶镜替代角立方体，对系统throughput和偏振保持性能有何影响？
• RQ3 仅通过单个棱镜和可调镜平移，GDD的可调范围能在多大程度上实现宽范围调节？
• RQ4 使用屋顶镜是否能消除输出光束中的角向色散、空间色散和脉冲前缘倾斜？
• RQ5 在使用低损耗反射器的单棱镜压缩器中，最大可实现的GDD和系统throughput分别是多少？

主要发现

• 系统测得的群延迟色散（GDD）约为-14,500 fs²，棱镜顶点到屋顶镜间距约为30 cm。
• GDD随间距变化的实测斜率为-84 fs²/mm，与理论值-82 fs²/mm非常接近。
• 系统对930 nm脉冲的实测throughput为90.7% ± 0.7%，显著高于以往使用角立方体的单棱镜设计。
• 预计将D形银镜替换为高反性介质膜镜可使throughput提高约3%。
• 压缩器保持零角向色散、零空间色散、零脉冲前缘倾斜和单位放大率，经FROG测量验证。
• 通过全内反射使用熔融石英屋顶镜可实现高反射率，并保持入射光束的偏振态，相比金属镀层角立方体可显著降低损耗。