过去几年，高功率超快激光器在材料加工中受到了广泛关注，市场也随之出现了对兆瓦、太瓦级超快激光器的需求增长。实践证明，这种超快激光加工系统因其独特性非常适合于微加工。

在微加工过程中，高功率超快激光器可以应对更大范围的材料加工，并能实现更高精度加工的能力。但就目前来看，一味追求超快激光器的峰值功率未必就能达到理想的加工效果。其中，主要限制是热透镜效应。

热透镜效应是指，由于光学元件质量差、脏污、损坏等原因造成对激光吸收率增大，光学元件受激光束连续较长时间照射后，温度升高产生热变形，进而引起透过型光学元件的折射率和反射型光学元件的反射方向发生变化。热透镜效应会改变激光焦点的位置，进而影响最终加工效果。

高功率超快激光器可能会在腔光学系统中引起强烈的非线性效应，从而导致热量积聚。这种不均匀的热量分布将导致光学器件发生折射率梯度，从而改变焦距。其中的一些影响可以通过谐振器再设计得到缓解。但另一方面，高阶像差很难补偿并可能导致低质量的激光束。

在某些情况下，当激光腔完全失准且没有被观察到共振时，热透镜效应产生的危害可能会更大。而锁模激光器的衍射极限性能，只能通过最大限度减少热效应来实现。

色散镜成解决之道

多层介电涂层技术的进步，则通过补偿大多数光学介质中发现的正群延迟色散（GDD），使色散镜成为超快激光器的重要组成部分，延长了脉冲持续时间，降低了峰值功率。这种脉冲压缩镜在很宽的波长范围内能提供负群延迟色散，并能支持非常短的激光脉冲，同时既能限制损耗又能提供对激光对准的持续需求。

但是，高色散反射镜也可能会出现热透镜效应，从而影响加工系统的性能。好消息是涂层技术的新发展，允许工程师创建具有可忽略不计热透镜效应的新型色散镜。通过减少腔镜产生的热效应，这些反射镜是开发高功率超快材料加工系统的理想选择。

■具有低热透镜效应的色散镜仍然保持高反射率和高幅度负群延迟色散，这在高精度材料加工系统中至关重要

这些反射镜结合了色散反射镜在宽波长范围内提供的高负宽带群延迟色散和低损耗，同时减少了热透镜效应。通过仔细操纵光学设计和沉积过程的各种参数实现，从而在Yb:YAG、Er:YAG、铥和钬激光系统等高功率超快激光系统中，获得无与伦比的性能。

测试热性能

通过使用红外相机测量反射镜表面温度的升高，在连续波（CW）模式下运行的Yb:YAG薄盘激光器中测试了反射镜的热透镜效应。下图显示了没有新的低热透镜涂层的色散镜的光谱性能，在1010nm和1050nm之间具有-3000fs²的群延迟色散和高反射率。这面镜子经历了57K 的温度变化，导致激光器和振荡器稳定性发生恶化。

■没有新的低热透镜镀膜的色散镜在测试过程中经历了57K的温度变化，这会使激光器不稳定并导致系统性能下降

下面两张图显示了测量到的两个色散镜的温度升高，热透镜效应降低，群延迟色散值为 -1000fs²和-3000fs²。与传统反射镜相比，具有减少热透镜效应的色散反射镜，其温度升高的幅度要小得多。在群延迟色散分别为-1000fs²和-3000fs²的反射镜中观察到10K和20K的温度升高，显着低于传统色散镜的温度升高。保持了激光器和振荡器的稳定性，使整个激光系统能够实现锁模并正常运行。

■群延迟色散为-1000fs2的低热透镜色散镜在测试期间经历了10K的温度变化，避免了任何可检测的热引起的性能下降

■群延迟色散为-3000fs2的低热透镜色散镜在测试期间经历了20K的温度变化，但仍避免了任何热效应引起的性能下降

什么时候需要低热透镜镀膜？

减少反射镜中的热量积聚，对于减少高功率超快锁模激光器的热透镜效应十分有帮助。然而，并非所有超快激光器都需要用到这项技术。掺钛蓝宝石激光器通常不会达到足够高的平均功率，使热量积聚和热透镜效应成为问题。光纤激光器也无需低热透镜涂层，因为它们没有可能发生热效应的固态激光腔。

在上述两种情况下，即使没有新型热稳定涂层的脉冲压缩光学器件也完全足够了。然而，对于Er:YAG、钬和铥之类的高功率固态超快激光材料加工系统来说，减少热透镜效应却显得尤为重要。