Ugrás a tartalomhoz

A femtoszekundumos optika alapjai

Dr. Kovács Attila, Dr. Börzsönyi Ádám, Dr. Horváth Zoltán, Dr. Osvay Károly (2013)

Szegedi Tudományegyetem

Speciális diszperziós tulajdonságokkal rendelkező reflexiós optikai elemek

Speciális diszperziós tulajdonságokkal rendelkező reflexiós optikai elemek

Az anyagi diszperziónak nem csupán a transzmissziós optikai elemeken történő áthaladáskor van hatása a rövid impulzusokra, hanem legtöbbször reflexiós esetben is. Elemi optikából jól ismert, hogy a reflexiós együtthatót a fény polarizációja és beesési szöge mellett az anyag törésmutatója is befolyásolja. Amennyiben az impulzus egyetlen felületről verődik vissza, a spektrális fázis nem szenved változást. Ha azonban a felületre több, különböző vastagságú és eltérő törésmutatóval rendelkező vékonyréteget viszünk fel, akkor annak már komoly hatása lehet az egyes felületekről részleges visszavert fényből összeálló impulzus spektrális fázisára éppúgy, mint egyéb más tulajdonságaira. Az ilyen típusú optikai elemeket dielektrikum-tükröknek nevezzük. Jellemző rájuk, hogy speciális, előre megtervezhető reflexiós és diszperziós tulajdonsággal rendelkeznek, de ezek a paraméterek igen érzékenyek a megadott hullámhossz-tartományra, polarizációra és beesési szögre.

Gires-Tournois-interferométer

A Gires-Tournois-interferométer az egyik legegyszerűbb példa arra, hogy hogyan hozható létre negatív diszperzióval rendelkező reflexiós optikai elem. Az eszköz tulajdonképpen egy állóhullám-rezonátor, mely sok hasonlóságot mutat a Fabry-Perot-interferométerrel. Két reflexiós felületből áll, melyből az első részlegesen visszaverő tulajdonsággal rendelkezik (R1), míg az ettől d távolságra elhelyezkedő másodikon teljes visszaverődés megy végbe (lásd 5.5 ábra). Ha feltételezzük, hogy a rezonátor veszteségmentes, akkor a teljesítmény-átvitel minden hullámhosszon azonos, 100%. A csoportkésés spektrális függése azonban periodikus jelleget mutat és bizonyos frekvenciákon csúcsokkal rendelkezik. A csúcs annál élesebb, minél nagyobb az első felület reflexiós együtthatója, a csúcsok távolsága pedig a d paramétertől és a felületek közötti anyag törésmutatójától függ.

5.5. ábra. A Gires-Tournois interferométer vázlatos rajza

Érdemes megjegyezni, hogy az eszköz által létrehozni kívánt hatás létrehozható attól függetlenül, hogy milyen törésmutatóval rendelkező anyag van a felületek között. Természetesen a fázisderiváltak is követik a periodikus jelleget, a GDD ott vált előjelet, ahol a rezonancia-csúcs és két csúcs közötti minimum van a csoportkésés spektrális függvényében (lásd 5.6. ábra). Azokon a tartományokon ahol a GDD negatív, ott az eszköz hatékonyan alkalmazható impulzusok kompresszálására. A GDD mértéke hangolhatóvá tehető, amennyiben a két felület távolsága nem rögzített.

5.6. ábra. A Gires-Tournois interferométer által létrehozott GDD-változás spektrális függése (Forrás: [5.3]).

A Gires-Tournois-interferométer gyakorlati megvalósításával azonban stabilitási problémák léphetnek fel. Egy hordozóra párologtatott rétegek alkalmazásával sokkal stabilabb hatás érhető el, de ehhez fel kell áldoznunk a hangolhatóságot.

Bragg-tükör

Két különböző törésmutatóval rendelkező anyagból felváltva felépített rétegek sorozatát nevezzük Bragg-tükörnek, vagy elosztott Bragg-reflektorak. Leggyakrabban a negyedhullám-tükör változatát alkalmazzák, amelyben az optikai rétegek vastagsága - az alkalmazott beesési szöget figyelembe véve - a tervezett optikai hullámhossz negyedének felelnek meg. A rétegek közötti határfelületeken a Fresnel-egyenleteknek megfelelően oszlik el a beeső fény intenzitása és iránya. Az 5.7. ábra szemlélteti a Bragg-tükörre eső fény behatolási mélységét különböző hullámhosszakon.

5.7. ábra. A Bragg-tükör törésmutató-profilja (fekete görbe), valamint a fény behatolási mélysége a tervezési (1000 nm, kék görbe), illetve attól eltérő (800 nm, szürke görbe) hullámhosszon. A 800 nm-es hullámhosszal rendelkező fény nagy része áthatol a rétegeken, 1000 nm-en azonban erős reflexiót kapunk. (Forrás: [5.3])

Két azonos anyagú rétegről történő visszaverődés közötti optikai úthossz a hullámhossz felének felel meg, így a visszavert komponensek egymást erősítő interferenciát hoznak létre. Ennek eredményként egy magas reflexióval rendelkező felületet kapunk. Az elért reflexiós együtthatót az alkalmazott rétegek száma és a két anyag törésmutató-kontrasztja határozza meg; míg a sávszélesség főként csak az utóbbi függvénye.

5.8. ábra. A visszaverőképesség (fekete görbe, bal oldali skála) és a GDD (kék görbe, jobb oldali skála) a hullámhossz függvényében egy 1000 nm-re tervezett Bragg-tükör esetében. (Forrás: [5.3])

A Bragg-tükrök esetében a diszperzió jelenlétével is számolni kell. Az 5.8. ábra szemlélteti a reflexiós együttható és a csoportkésés-diszperzió spektrális változását. Míg igen széles tartományon magas reflexió érhető el, a csoportkésés-diszperzió a tervezési hullámhossz környékén még kicsi, de attól távolodva abszolút értéke gyorsan növekszik.

Dielektrikum-tükrök

A Bragg-tükörből kiindulva, általánosabb értelemben a több, különböző anyagú, átlátszó optikai vékonyrétegből álló tükröket dielektrikum-tükröknek nevezzük. A rétegek megfelelő kombinálásával sokféle reflexiós, polarizációs és diszperziós tulajdonság szinte tetszőlegesen kialakítható, valamint a sávszélesség is jól előre tervezhető. Éles spektrális levágással rendelkező élszűrő, felül- vagy aluláteresztő és sávszűrő optikai elemek is létrehozhatóak ezzel a módszerrel.

A réteg-rendszer működésének tulajdonságai nem csak egy hullámhosszra tervezhetőek, például kialakítható olyan tükör, amely (két vagy több) különböző hullámhosszon rendelkezik speciális tulajdonsággal, például olyan esetben, ha valamely fényjel keltése esetén nagyon eltérő hullámhosszúságú pumpanyaláb is jelen van, így ilyenkor vagy mindkét hullámhosszra magas reflexió, vagy egyik nyaláb esetében magas reflexió, míg másik nyaláb esetében magas transzmisszió kívánatos. Az ilyen tükröket dikroikus tükröknek nevezzük.

A polarizációs tulajdonságok tervezésével előállíthatóak olyan optikai elemek, melyek vékonyréteg-polarizátorként, polarizációs, - vagy éppen ellenkezőleg - nem polarizáló nyalábosztóként viselkednek.

A dielektrikum réteget mindkét polarizációs síkra lehet tervezni és görbült felületekre, azaz fókuszáló illetve defókuszáló tükrökre is fel lehet párologtatni. Ilyen esetekben is figyelembe kell venni a beesési szögeket, azaz előfordulhat, hogy a gömbtükör fókuszáláson és kollimáláson kívül más leképzési műveletre nem alkalmas. Kis sugarak esetén (pl. 10 mm alatt) a homogenitás és a stabilitás tekintetében számítani lehet a felület minőségének gyengülésére.

Mivel a dielektrikum-tükrök gyakran olyan hullámhosszra készülnek, amelyek a látható tartományon kívül esnek, első pillantásra sokuk nem is tűnik tükörnek, hiszen ilyen esetben gyakorlatilag átlátszó. Fény felé fordítva és a beesési szöget változtatva különböző színű lehet, és néhány esetben nagyon nehéz megmondani, hogy a tükör hordozójának melyik oldalán van a bevonat.

Csörpölt tükrök

A dielektrikum tükröknek azt a típusát, amelyekkel az ultrarövid lézerimpulzusok diszperziója passzív módon szabályozható, csörpölt tükröknek nevezzük [5.4]. Legtöbb esetben negatív diszperzióval rendelkeznek, hiszen a különböző közegekben történő terjedés során jelentős mennyiségű pozitív diszperzióval terhelődhet az impulzusok spektrális fázisa, ezek kompenzálására szolgálnak ezek az eszközök. Alapvetően abban különböznek a Bragg-tükröktől, hogy a rétegek vastagsága nem állandó, hanem megfelelően változik, így a különböző hullámhosszal rendelkező spektrális komponensek más-más mélységig hatolnak be, így eltérő csoportkésést szenvednek, amint ez az 5.9. ábrán is látható.

5.9. ábra. A rétegstruktúrába behatolt elektromos tér intenzitása a hullámhossz és a behatolási mélység függvényében. (Forrás: [5.3])

A valóságban a rétegszerkezet kicsit összetettebb, egyébként erős oszcillációk jelennének meg a GDD spektrális függésében; de numerikus optimalizálás segítségével megtervezhető a kívánt tulajdonsággal rendelkező rétegszerkezet. Az 5.10. ábra egy csörpölt tükör reflexiós és diszperziós tulajdonságait szemlélteti.

5.10. ábra. Egy csörpölt tükör tipikus reflektivitás- (vörös görbe) és diszperzió-profilja (szürke görbe) a hullámhossz függvényében. (Forrás: [5.3])

A csörpölt tükrök egyik legfontosabb alkalmazása az ultramagas sávszélességgel rendelkező, néhány ciklusú impulzusok előállításához kapcsolódik. Az ilyen impulzusokat előállító módusszinkronizált lézeroszcillátorokban a diszperzió kompenzálása és szabályozása kulcsfontosságú szerepet játszik. Mivel egyetlen csörpölt tükörrel csak korlátozott mennyiségű diszperzió kompenzálására van lehetőség, így több tükör együttes hatását használják. Sok esetben nem csak a csoportkésés-diszperzió kompenzálását végzik el, hanem a magasabb rendű diszperziós együtthatókat is figyelembe veszik.