半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡(SESAM)介紹

更新時(shí)間：2021-12-14 點(diǎn)擊次數(shù)：4979

一、超快脈沖光纖激光器的應(yīng)用及特點(diǎn)

超快脈沖光纖激光器最直接的應(yīng)用就是作為超快光源，形成多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)，作為飛秒固體激光放大器的種子光源，可用于光纖型光參量振蕩器與放大器系統(tǒng)，并可使用周期性極化鈮酸鋰(ppln)進(jìn)行高效倍頻或頻率轉(zhuǎn)換。

人們?cè)谘芯抗饫w激光器的同時(shí)，也在不斷研究皮秒量級(jí)及更窄的超短脈沖激光器，超短脈沖光纖激光器由于具有寬的頻譜帶寬和很高的峰值功率，在光纖通信、激光精細(xì)加工、超快生物學(xué)、超快光學(xué)、超快光譜學(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用特別是在研究ICF快點(diǎn)火機(jī)制、等離子體診斷以及激光與等離子體相互作用等，都需要脈寬極窄、峰值功率*的超短激光脈沖。

因此，超短脈沖光纖激光器作為一種特殊的激光器，具有非常重要的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

由塊狀工作物質(zhì)及各種光學(xué)元件組成的傳統(tǒng)固體激光器存在體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松、可靠性差等缺點(diǎn)。

而光纖激光器有以下特點(diǎn)：

1、增益介質(zhì)長，能方便地延長增益長度使抽運(yùn)光充分吸收，光-光轉(zhuǎn)換效率高；

2、光纖激光器表面積/體積比大，其工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小，光纖中的場主要約束在纖芯內(nèi)，使纖芯中的場強(qiáng)很大，加之光纖的低損耗又使這種高光強(qiáng)可以保持很長距離，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率；

3、易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖；

4、光纖激光器體積小且結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，使用方便；

5、激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455~3500nm)設(shè)計(jì)與運(yùn)行，使光纖激光器可調(diào)。

由于光纖激光器具有以上特點(diǎn)，因此采用光纖作為振蕩器產(chǎn)生超短脈沖激光比傳統(tǒng)固體激光放大器更具優(yōu)勢。

二、基于SESAM被動(dòng)鎖模脈沖光纖激光器

獲得超短脈沖輸出的主要途徑有主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。主動(dòng)鎖模光纖激光器雖然具有輸出激光波長和重復(fù)頻率可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，但是其受到電器件響應(yīng)頻率的限制，輸出激光的脈沖寬度只能達(dá)到ps量級(jí)，并且多數(shù)調(diào)制器的尺寸較大，對(duì)于光纖激光器來說引入了非光纖器件，禍合損耗很大，另外這種主動(dòng)鎖模的光纖激光器容易受到外界環(huán)境的影響，如溫度變化、機(jī)械振動(dòng)引起腔內(nèi)偏振態(tài)變化等，從而使輸出鎖模脈沖不穩(wěn)定。

與主動(dòng)鎖模相比，被動(dòng)鎖模不需要其他任何有源器件，利用光纖中或者其他元件中的非線性效應(yīng)等，可實(shí)現(xiàn)激光自啟動(dòng)鎖模，獲得比輸入脈沖更短的脈沖輸出。目前被動(dòng)鎖模光纖激光器主要利用可飽和吸收體、非線性光纖環(huán)形鏡、非線性偏振效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

可飽和吸收體是一種非線性介質(zhì)，隨著光場強(qiáng)度的變化，其對(duì)激光的吸收會(huì)有所改變，當(dāng)光場較弱時(shí)，飽和吸收體對(duì)光的吸收很強(qiáng)，隨著光強(qiáng)的增大，吸收作用減弱，達(dá)到一定值時(shí)，吸收飽和，光全部透過。因此自發(fā)輻射的光信號(hào)在通過可飽和吸收體時(shí)，弱信號(hào)由于吸收作用而受到阻擋，不能通過，強(qiáng)尖峰信號(hào)的邊沿由于損耗而不斷削弱，因此光脈沖在通過飽和吸收體的過程中被窄化了，從而實(shí)現(xiàn)激光脈沖的自啟動(dòng)。

半導(dǎo)體材料具有*能級(jí)特性，在上個(gè)世紀(jì)90年代初發(fā)展出了半導(dǎo)體可飽和吸收體材料（SESA）。SESA的響應(yīng)本質(zhì)上包含帶內(nèi)和帶間兩個(gè)過程。電子在帶內(nèi)的快速熱運(yùn)動(dòng)有助于穩(wěn)定超短脈沖，而緩慢的帶間復(fù)合則有助于激光器啟動(dòng)鎖模。

利用成熟的半導(dǎo)體工程技術(shù)，通過調(diào)整兩種運(yùn)動(dòng)的相對(duì)程度和帶隙，可以使其具有極寬范圍的吸收波長。半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡（SESAM）的基本結(jié)構(gòu)是把反射鏡與可飽和吸收體結(jié)合在一起，即半導(dǎo)體可飽和吸收體用外延法直接生長在半導(dǎo)體布拉格反射鏡上，其調(diào)制深度、飽和通量和非飽和損耗均可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以調(diào)控。因此，SESAM是目前應(yīng)用最為廣泛的鎖模器件。

下圖是基于SESAM的脈沖光纖激光器光路圖，此結(jié)構(gòu)簡單，無需種子源，易于實(shí)現(xiàn)。

基于SESAM的脈沖光纖激光器

三、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM的微觀特性

1、能帶間隙即禁帶寬度。它決定半導(dǎo)體可飽和吸收體的吸收波長，吸收系數(shù)一般在104/cm左右。以III-V族化合物半導(dǎo)體為例,吸收帶一般在可見光和近紅外波段。為了適應(yīng)各種吸收波長的需要，常常要用三元化合物半導(dǎo)體,如砷化鎵鋁(AlGaAs)，砷化銦鎵(InGaAs)，砷化銦鋁(InAlAs)等。

2、晶格常數(shù)。半導(dǎo)體可飽和吸收體一般是用外延法生長在半導(dǎo)體襯底上的，襯底的晶格常數(shù)與要生長的半導(dǎo)體化合物的晶格常數(shù)原則上應(yīng)該相同，若不一致，則會(huì)在生長層上造成一定應(yīng)變(strain)，可分為壓縮型和擴(kuò)張型。無論那種類型的應(yīng)變都會(huì)影響禁帶寬度，因而禁帶寬度的改變不是任意的，要受襯底晶格常數(shù)的制約。

3、量子阱。當(dāng)吸收體薄到一定程度，并被夾在高禁帶寬度的材料中間，就變成了所謂量子阱。在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體可飽和吸收體時(shí)，根據(jù)吸收能量的大小，可以采用體吸收，也可以采用量子阱結(jié)構(gòu)。對(duì)于利用克爾效應(yīng)鎖模的激光器，僅僅需要百之零點(diǎn)幾至百分之幾的吸收，所以可飽和吸收體的厚度只需要幾個(gè)nm。

4、時(shí)間特性。半導(dǎo)體可飽和吸收體之所以可以啟動(dòng)鎖模，是因?yàn)樗母咚贂r(shí)間特性。一般來說半導(dǎo)體的吸收有兩個(gè)特征弛豫時(shí)間，一是帶內(nèi)子帶之間的熱化(intrabandthermalization)，二是帶間躍遷(interbandtransition)。帶內(nèi)熱化是被激發(fā)到導(dǎo)帶的電子向子帶躍遷的物理過程，這個(gè)時(shí)間很短，在100-200fs左右，而帶間躍遷時(shí)間是電子從導(dǎo)帶向價(jià)帶的躍遷，相對(duì)較長，從幾ps到幾百ps。

下圖列舉了用于1064nm光纖脈沖激光器的SESAM結(jié)構(gòu)圖，右側(cè)是飽和吸收體結(jié)構(gòu)。

用于1064nm光纖脈沖激光器的SESAM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光電場的分布可以為可飽和吸收體插入位置的選擇提供參考依據(jù)，理論上可飽和吸收體應(yīng)當(dāng)位于入射光電場的振蕩波峰位置，以有效的實(shí)現(xiàn)可飽和吸收。但是因?yàn)榱孔于遢^多，因而只能保證一個(gè)在電場的峰值。