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飞秒激光脉冲的产生主要依赖于激光腔内净的负群延迟色散。但是在固体激光器中，增益介质和其它光学元件却引入了正色散，因此必须引入相应的色散补偿机制。布儒斯特角棱镜对曾是激光腔中色散补偿的主要方法，但是它存在一些固有的缺陷。作为一种光学薄膜器件，负色散镜不仅克服了棱镜对的上述缺点，还可以在较宽范围内具有高反射率和精确的群延迟控制。负色散镜在超短脉冲激光系统中正起着并将继续起着重要作用。本文主要进行负色散镜设计、制备和性能方面的研究。
负色散镜有两种基本的类型——G-T镜和啁啾镜。本文用光学薄膜的计算方法计算了G-T镜的色散表达式。计算结果表明：反射光相位变化、反射群延迟、反射群延迟色散和反射三阶色散都随2δ周期性变化，周期均为2π。研究了组成G-T镜的各个不同功能膜堆对G-T镜色散性能的影响。可以看到，影响G-T镜的反射率性能的主要是G-T镜中高反射膜堆，G-T腔和部分反射膜堆则主要影响G-T镜的色散性能。结合光学薄膜常用的计算机优化方法，获得了两种针对不同类型的激光器(Ti：sapphire激光器和Cr：LiSAF激光器)设计的不同结构的优化G-T镜。它们都具有优异的设计性能，理论计算可以满足激光器腔内色散补偿的要求。
本文介绍了一种有效的啁啾镜的设计方法--膜层厚度调制法，详细分析了调制参数对啁啾镜设计性能的影响，结果表明调制周期参数和高反带的带宽对设计性能的影响很大。带宽越宽、调制周期参数越大，获得的群延迟色散量越大，越不平坦；调制幅度也对设计性能具有一定的影响。本文利用膜层厚度调制法可以减小色散振荡的特点设计了低色散的输出耦合镜，这样的输出耦合镜适合在Cr:LiSAF激光器中使用。
本文提出了综合利用啁啾效应和G-T效应优化设计负色散镜的方法，通过针对Ti：sapphire激光器的负色散镜的设计表明，这样设计的负色散镜能不仅提供大的负色散量，还能在宽波段内具有小的色散振荡。
本文还使用离子束溅射技术制备了性能优良的负色散镜，这些负色散镜被用于Ti：sapphire激光谐振腔中用作色散补偿元件可以得到超短脉冲输出，输出脉冲的宽度在15fs～32fs之间。