讓超短激光保持鋒利：掌握色散、GVD 與脈沖壓縮技術

導語

你是否在使用皮秒、飛秒甚至阿秒激光時，發現實際加工、顯微或手術效果總是差強人意？別急，真正的“罪魁禍首"往往隱藏在光束穿過的每一段介質里——色散。本文將用通俗的語言，拆解色散對超短脈沖的影響，并提供實用的補償思路，讓你的激光系統恢復應有的高峰性能。

一、超短脈沖激光的本質——寬帶寬 = 高色散敏感度

1.脈沖越短，頻譜越寬

• 根據傅里葉極限，可得時間寬度 τ 與光譜帶寬 Δν 之間滿足 Δν·τ ≈ 0.44。

• 當 τ 進入皮秒（10?12 s）、飛秒（10?1? s）甚至阿秒（10?1? s）級別時，Δν 必然展開至數十甚至上百納米的寬帶。

• 正是這顆“寬頻"寶石，讓激光擁有 千兆瓦級的峰值功率，成為精密加工、生物醫學成像、非線性光學等前沿領域的核心工具。

2.色散的代價

• 當寬帶光束穿過任何介質（透鏡、棱鏡、光纖、玻璃基板），不同波長的光以不同的 群速度 傳播。

• 這種速度差導致原本緊湊的脈沖在傳播途中被 “拉伸"，峰值功率驟降，導致加工精度下降、成像對比度減弱等一系列連鎖問題。

關鍵點：脈沖越短，顏色（波長）越多，越容易被色散“拆散"。

圖1：超短脈沖激光的脈沖持續時間越短，波長帶寬就越寬

二、色散到底是什么？關鍵概念一覽

1.群速度 vs 相速度

圖2：群速度決定包絡（波束）的運動（以虛線圖示），相速度決定波本身各個位置的更高頻率的運動（以實線圖示）

相速度 描述光波的相位前進速度，通常比光速 更快或更慢，取決于折射率。

群速度 才是真正攜帶能量的速度，對于寬帶脈沖尤為關鍵。

2.GVD 的來源

折射率 隨波長變化的曲率（即二階導數）。當光在介質中傳播時，長波長（低頻）和短波長（高頻）的群速度略有差異，這種差異累計后就形成了脈沖的展寬或壓縮。

圖3：在 1.3 μm 附近具有零色散波長的合成石英的波長相關群速度色散（GVD）特性

3.正負 GVD 的直觀意義

三、色散在實際系統中的“表現"

1. 脈沖展寬的定量描述

對單色寬的高斯脈沖，展寬后持續時間可近似用下式估算：

• τ_in：入射脈沖的原始寬度（fs）

• GDD=GVD×L：累計群時延色散（fs2）

案例：

• 入射 30 fs 脈沖通過 10 mm BK7 玻璃（GVD≈+57 fs2/mm）

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• 脈沖被拉伸約 20 倍，峰值功率隨之下降至原來的 1/20。

圖4：色散會導致超短脈沖激光的脈沖展寬。AOM 即聲光調制器，是使激光產生脈沖輸出的器件

2. 正色散導致的“正啁啾"

大多數光學元件在可見近紅外區呈正色散，即長波長比短波長更快。結果是脈沖的后半部分（高頻）相對前半部分（低頻）出現延遲，形成正啁啾。

• 正啁啾會在激光微加工中產生 熱影響區擴散，導致旁邊的微結構被不必要地“烤焦"。

• 在非線性顯微（如多光子顯微）中，正啁啾會降低信號強度，使得深度成像受限。

四、為何“色散補償"是硬性剛需的？

實際案例 —— 皮秒激光微加工

某航空復合材料零件生產線使用 200 fs、800 nm 皮秒激光進行打孔。初始工藝因光學鏡頭（BK7）導致脈沖展寬到 1.2 ps，孔徑誤差達 ±15 µm。引入負棱鏡對預壓縮后，脈沖恢復至 210 fs，孔徑精度提升至 ±2 µm，廢品率下降 85%。

五、實用的色散管理手段

1. 預壓縮（Prechirp）

• 原理：在脈沖進入正色散介質前，讓其先經過 負 GVD 元件產生負啁啾。

• 常用元件：雙棱鏡、凹面光柵、光學相位掩模（SLM）

• 優勢：可調節程度大，適配不同光路長度和材料組合。

2. 雙棱鏡/光柵對

• 結構：兩塊相同棱鏡（或光柵）相對放置，間距可微調。

• 調節范圍：典型可覆蓋 -200 fs2 到 +200 fs2 的 GDD。

• 適用：實驗室激光系統、科研平臺，頻譜寬度在 100200 nm 以內。

3. 分散補償光纖（DCF）

• 原理：特制摻雜光纖的波導結構使其 負 GVD 超過普通單模纖維的正 GVD。

• 應用：光纖放大器、光學相干層析（OCT）系統的遠距離傳輸。

4. 自適應相位控制（SPC）

• 技術：利用空間光調制器（SLM）或液晶相位板對光束的光譜相位進行實時優化。

• 優勢：能同時校正高階色散（如三階色散 TOD），實現亞飛秒級壓縮。

• 挑戰：需要配合反饋檢測（如頻分辨自干涉儀）實現閉環控制。

5. 零色散材料的巧妙使用

• 合成石英 在 1.3 µm 附近的 零 GVD 區段可以用作激光路徑的“中轉站"。

• 策略：將關鍵光學元件（如聚焦透鏡）選用接近零色散波長的材料，降低累計 GDD。

小貼士：在設計光路時，優先考慮 “材料波長厚度三要素匹配"。例如，若系統波長為 1030 nm，選用YAG（+30 fs2/mm）配合負棱鏡對（-45 fs2/mm）實現近零累計 GDD。

圖5：飛秒超短脈沖通過不同光學介質后的時間展寬（脈沖持續時間的增加）

未來趨勢與前沿技術

1.全光程仿真平臺

基于時域有限差分（FDTD）和分布式延遲模型的全光程仿真，已能在設計階段預測光束在復雜多層光學系統中的色散累積。

2.集成微型色散補償模塊

微型光子集成芯片上嵌入 硅基光柵 或 MEMS 可調棱鏡，實現“芯片級"脈沖壓縮，適配便攜式飛秒激光器。

3.機器學習驅動的自適應壓縮

用神經網絡預測優負 GVD 參數，實現“一鍵壓縮"，減少人工調參時間。

4.寬帶超材料（Metasurface）色散工程

通過亞波長尺度的相位控制單元，可以在單層超薄結構中實現精準的 負三階色散（TOD） 補償，開創超緊湊的脈沖壓縮方案。

結尾

色散不是無法跨越的障礙，而是需要被精準量化、主動管理的“光學噪聲"。只要掌握GVD 與 GDD 的概念、了解材料的波長依賴特性、配備合適的壓縮／補償單元，超短脈沖激光的高峰功率、極限精度就能如約而至。

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讓每一次光束出射，都保持最鋒利的“刀鋒"。