過去幾年，高功率超快激光器在材料加工中受到了廣泛關注，市場也隨之出現了對兆瓦、太瓦級超快激光器的需求增長。實踐證明，這種超快激光加工系統因其獨特性非常適合于微加工。

在微加工過程中，高功率超快激光器可以應對更大范圍的材料加工，并能實現更高精度加工的能力。但就目前來看，一味追求超快激光器的峰值功率未必就能達到理想的加工效果。其中，主要限制是熱透鏡效應。

熱透鏡效應是指，由于光學元件質量差、臟污、損壞等原因造成對激光吸收率增大，光學元件受激光束連續較長時間照射后，溫度升高產生熱變形，進而引起透過型光學元件的折射率和反射型光學元件的反射方向發生變化。熱透鏡效應會改變激光焦點的位置，進而影響最終加工效果。

高功率超快激光器可能會在腔光學系統中引起強烈的非線性效應，從而導致熱量積聚。這種不均勻的熱量分布將導致光學器件發生折射率梯度，從而改變焦距。其中的一些影響可以通過諧振器再設計得到緩解。但另一方面，高階像差很難補償并可能導致低質量的激光束。

在某些情況下，當激光腔完全失準且沒有被觀察到共振時，熱透鏡效應產生的危害可能會更大。而鎖模激光器的衍射極限性能，只能通過最大限度減少熱效應來實現。

色散鏡成解決之道

多層介電涂層技術的進步，則通過補償大多數光學介質中發現的正群延遲色散（GDD），使色散鏡成為超快激光器的重要組成部分，延長了脈沖持續時間，降低了峰值功率。這種脈沖壓縮鏡在很寬的波長范圍內能提供負群延遲色散，并能支持非常短的激光脈沖，同時既能限制損耗又能提供對激光對準的持續需求。

但是，高色散反射鏡也可能會出現熱透鏡效應，從而影響加工系統的性能。好消息是涂層技術的新發展，允許工程師創建具有可忽略不計熱透鏡效應的新型色散鏡。通過減少腔鏡產生的熱效應，這些反射鏡是開發高功率超快材料加工系統的理想選擇。

■具有低熱透鏡效應的色散鏡仍然保持高反射率和高幅度負群延遲色散，這在高精度材料加工系統中至關重要

這些反射鏡結合了色散反射鏡在寬波長范圍內提供的高負寬帶群延遲色散和低損耗，同時減少了熱透鏡效應。通過仔細操縱光學設計和沉積過程的各種參數實現，從而在Yb:YAG、Er:YAG、銩和鈥激光系統等高功率超快激光系統中，獲得無與倫比的性能。

測試熱性能

通過使用紅外相機測量反射鏡表面溫度的升高，在連續波（CW）模式下運行的Yb:YAG薄盤激光器中測試了反射鏡的熱透鏡效應。下圖顯示了沒有新的低熱透鏡涂層的色散鏡的光譜性能，在1010nm和1050nm之間具有-3000fs²的群延遲色散和高反射率。這面鏡子經歷了57K 的溫度變化，導致激光器和振蕩器穩定性發生惡化。

■沒有新的低熱透鏡鍍膜的色散鏡在測試過程中經歷了57K的溫度變化，這會使激光器不穩定并導致系統性能下降

下面兩張圖顯示了測量到的兩個色散鏡的溫度升高，熱透鏡效應降低，群延遲色散值為 -1000fs²和-3000fs²。與傳統反射鏡相比，具有減少熱透鏡效應的色散反射鏡，其溫度升高的幅度要小得多。在群延遲色散分別為-1000fs²和-3000fs²的反射鏡中觀察到10K和20K的溫度升高，顯著低于傳統色散鏡的溫度升高。保持了激光器和振蕩器的穩定性，使整個激光系統能夠實現鎖模并正常運行。

■群延遲色散為-1000fs2的低熱透鏡色散鏡在測試期間經歷了10K的溫度變化，避免了任何可檢測的熱引起的性能下降

■群延遲色散為-3000fs2的低熱透鏡色散鏡在測試期間經歷了20K的溫度變化，但仍避免了任何熱效應引起的性能下降

什么時候需要低熱透鏡鍍膜？

減少反射鏡中的熱量積聚，對于減少高功率超快鎖模激光器的熱透鏡效應十分有幫助。然而，并非所有超快激光器都需要用到這項技術。摻鈦藍寶石激光器通常不會達到足夠高的平均功率，使熱量積聚和熱透鏡效應成為問題。光纖激光器也無需低熱透鏡涂層，因為它們沒有可能發生熱效應的固態激光腔。

在上述兩種情況下，即使沒有新型熱穩定涂層的脈沖壓縮光學器件也完全足夠了。然而，對于Er:YAG、鈥和銩之類的高功率固態超快激光材料加工系統來說，減少熱透鏡效應卻顯得尤為重要。