【常用光学元器件】啁啾镜的原理和应用
1. 啁啾镜的原理
要了解啁啾镜的原理，我们首先要知道啁啾从何而来。简单来讲，对于一个含有很多频谱成分的脉冲，只要通过介质传播，就不可避免的会引入啁啾，这是因为对于不同的频谱成分，在介质中传播的速度不同，单位时间内就必然会产生群速度延时，同时在介质中传播的距离越长，各波长间的延时也会越大，引入的啁啾量也会越大，造成脉冲在时域上变宽。这也是为什么我们在使用超快激光光源时，要尽量避免使用透射性元件的原因之一（其它原因还包括非线性效应等），毕竟脉宽变宽了，超快激光光源也就失去了它的作用。啁啾镜最早应该是由R. Szipöcs在1994年的一篇文章中提出的，它最基本的原理就是，在镜片基底上镀多层膜，通过设计各层膜的厚度和材料（即折射率），控制激光不同频率成分在多层膜中穿透的深度（这个过程相当于人为引入了设计好的群延时），达到控制色散的目的。
图1. 啁啾镜的多层膜结构
2. 啁啾镜的发展和完善
原理虽然简单，但在测试中发现这种设计实际是存在一个严重问题的。由多层膜反射产生的群延时在频谱范围内会出现极大的振荡，这显然会导致引入的啁啾量表现为同样的剧烈振荡。这种振荡是我们不希望看到的，激光脉冲经过这样的啁啾镜后其光谱相位会发生畸变，达不到预期的效果。虽然这种振荡可以通过优化多层膜的结构进行一定程度的减弱，但这种优化受限于较为严苛的初始条件，即要满足设计要求的带宽和反射率，因此很难得到有效的改观。而随着对镀膜原理的进一步研究，引起群延时振荡问题的两个根本原因被挖掘了出来。首先是在表层镀膜，也就是和空气接触的最外层镀膜处由于菲涅尔反射（Fresnel Reflection）形成一种类F-P腔的结构，这种结构引入了根据波长变化规律性振荡的色散，如图2。（著名的GTI镜恰恰是利用这一条来人为引入这样的色散）
图2. 根据波长变化规律性振荡的色散
第二个原因是在多层膜结构中被各层反射的光，在耦合后重新进入空气时会发生微弱的失配现象，这种现象也会造成色散振荡。找到了“病因”所在，正方便“对症下药”。群延时的振荡是根据波长变化的规律性振荡，那么可以通过对多层膜的设计得到一对能够在色散方面互补的啁啾镜。你波峰对我波谷，保证了色散曲线的平缓，如图3。这种设计还可以有效减少镀膜的层数，降低设计难度。此外，啁啾镜的表层还会镀上一层AR（Anti-Reflection）膜，用来消除菲涅尔反射的效应。
图3. 经过设计的啁啾镜对色散互补
3. 啁啾镜的应用
啁啾镜相比于其它结构的色散补偿器件有着得天独厚的优势，体积紧凑、反射率高，但美中不足，提供的色散量是相对有限的，毕竟只靠那薄薄的几层膜来实现功能。因此啁啾镜适用的范围也常常是需要色散量不大，但对精确度和空间有要求的场合。比如啁啾镜对常常应用在超快振荡器内，用来精确补偿很小的腔内材料色散（可同时配合棱镜对或尖劈对）。啁啾镜也常用在基于超快激光的超连续产生过程中，超短激光脉冲透过超连续材料后光谱展宽，需要用啁啾镜对脉冲压缩至更短的脉宽。
