盡可能減少超快系統的熱透鏡效應

協助超快系統保持冷卻

超快雷射具有短脈衝期間及高峰值功率，適用於各式各樣的應用，涵蓋材料加工、醫療雷射，乃至於非線性成像及顯微鏡等各種項目。不過，超快雷射對熱透鏡效應特別敏感，其中熱力會導致增益媒介或腔內光學元件變形，或是出現折射率梯度的情形。這可能對超快系統產生不利影響，甚至讓這類系統無法鎖模產生脈衝光束。幸好，愛特蒙特光學合作夥伴 UltraFast Innovations (UFI) 在高色散腔內反射鏡領域的進展成果，有助於開發出熱效應極低的光學產品。

 熱透鏡效應為何成為熱門主題？

如果作用中的增益媒介在光束軸沿線的溫度比媒介其餘區域更高，就可能會產生熱透鏡效應，造成橫向的折射率梯度。這可能會讓雷射腔無法對準，對光束指向造成不同的雷射模式輪廓及漂移。腔內反射鏡也是超快振盪器的關鍵元件，而熱效應可能會讓這類元件扭曲變形。在雷射晶體聚焦光束時，反射鏡半徑曲率變化可能改變聚焦位置，甚至讓雷射無法鎖模，導致無法作用。雖然沒什麼辦法可以改變增益媒介固有的熱屬性，但若能仔細挑選適合的腔內反射鏡，就有機會避免產生熱透鏡效應。

 解決方案：特殊專用高色散反射鏡

近期的鍍膜設計進展成果，協助開發出低損耗、高色散的反射鏡，熱效應極低可忽略不計。這是藉由精心操控光學鍍膜的各種不同參數而達成。除了熱穩定性以外，反射鏡仍需要提供高反射率及負群組延時色散 (GDD)，以補償大部分光學媒介之中的正 GDD。 圖 1 顯示 #17-070 (或 UFI 零件編號 HD64) 的反射率和 GDD；這是一款高色散反射鏡，熱透鏡效應可忽略不計，設計搭配使用 1030nm 超快雷射。這類反射鏡對高功率的固態雷射提供驚人效益，例如 Yb:YAG、Nd:YAG、鈥及銩等雷射。

圖 1：#17-070 (或 UltraFast Innovations 零件編號 HD64) 的光譜和 GDD 效能；這是一款 1030nm 高色散反射鏡，熱透鏡效應可忽略不計

測試熱效能

我們對這類新型的高色散反射鏡進行測試，以瞭解其熱透鏡效應程度。測試時使用紅外線攝影機 (FLIR SC305)，監控腔內反射鏡在 Yb:YAG 薄片雷射內部以連續波 (CW) 運作時的溫度。對於 GDD 為 -3,000 fs²，且未採用減少熱透鏡效應新型技術的一般高反射率反射鏡而言，溫度上升幅度可能達到 50K 以上 (圖 2)。這會造成雷射模式及振盪器穩定度降低。然而，如果是 GDD 為 -1,000 fs² 及 -3,000 fs² 的高色散反射鏡，在相同的配置條件下進行測試時，則分別出現 10K 及 20K 的溫度變化 (圖 3 及圖 4)。這類反射鏡在模式或振盪器穩定性方面，並沒有出現明顯的熱效應，而雷射也能正常運作。

圖 2： 高反射率反射鏡未採用低熱透鏡效應新型鍍膜，產生 57K 的溫度變化，造成系統效能退化。

圖 3： 低熱透鏡效應反射鏡 (GDD 為 -1,000 fs²) 溫度變化為 10K，並沒有因為熱造成任何可偵測的效能退化情形。

圖 4： 低熱透鏡效應反射鏡 (GDD 為 -3,000 fs²) 溫度變化為 20K，並沒有因為熱造成任何可偵測的效能退化情形。