半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)介紹

更新時間：2021-12-14

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一、超快脈沖光纖激光器的應(yīng)用及特點

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)進行高效倍頻或頻率轉(zhuǎn)換。

人們在研究光纖激光器的同時，也在不斷研究皮秒量級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、激光精細加工、超快生物學、超快光學、超快光譜學等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用特別是在研究ICF快點火機制、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值和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

由塊狀工作物質(zhì)及各種光學元件組成的傳統(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。

而光纖激光器有以下特點：

1、增益介質(zhì)長，能方便地延長增益長度使抽運光充分吸收，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)的熱負荷相當小，光纖中的場主要約束在纖芯內(nèi)，使纖芯中的場強很大，加之光纖的低損耗又使這種高光強可以保持很長距離，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率；

3、易實現(xiàn)單模、單頻運轉(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)計與運行，使光纖激光器可調(diào)。

由于光纖激光器具有以上特點，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鎖模和被動鎖模。主動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，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到ps量級，并且多數(shù)調(diào)制器的尺寸較大，對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、機械振動引起腔內(nèi)偏振態(tài)變化等，從而使輸出鎖模脈沖不穩(wěn)定。

與主動鎖模相比，被動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，可實現(xiàn)激光自啟動鎖模，獲得比輸入脈沖更短的脈沖輸出。目前被動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)來實現(xiàn)。

可飽和吸收體是一種非線性介質(zhì)，隨著光場強度的變化，其對激光的吸收會有所改變，當光場較弱時，飽和吸收體對光的吸收很強，隨著光強的增大，吸收作用減弱，達到一定值時，吸收飽和，光全部透過。因此自發(fā)輻射的光信號在通過可飽和吸收體時，弱信號由于吸收作用而受到阻擋，不能通過，強尖峰信號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，從而實現(xiàn)激光脈沖的自啟動。

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

利用成熟的半導體工程技術(shù)，通過調(diào)整兩種運動的相對程度和帶隙，可以使其具有極寬范圍的吸收波長。半導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，即半導體可飽和吸收體用外延法直接生長在半導體布拉格反射鏡上，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，易于實現(xiàn)。

基于SESAM的脈沖光纖激光器

三、半導體可飽和吸收鏡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)。半導體可飽和吸收體一般是用外延法生長在半導體襯底上的，襯底的晶格常數(shù)與要生長的半導體化合物的晶格常數(shù)原則上應(yīng)該相同，若不一致，則會在生長層上造成一定應(yīng)變(strain)，可分為壓縮型和擴張型。無論那種類型的應(yīng)變都會影響禁帶寬度，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)計半導體可飽和吸收體時，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)。對于利用克爾效應(yīng)鎖模的激光器，僅僅需要百之零點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nm。

4、時間特性。半導體可飽和吸收體之所以可以啟動鎖模，是因為它的高速時間特性。一般來說半導體的吸收有兩個特征弛豫時間，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)到導帶的電子向子帶躍遷的物理過程，這個時間很短，在100-200fs左右，而帶間躍遷時間是電子從導帶向價帶的躍遷，相對較長，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)。