半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)介绍

发布时间：2021-12-14 点击次数：3857

一、超快脉冲光纤激光器的应用及特点

超快脉冲光纤激光器最直接的应用就是作为超快光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术，作为飞秒固体激光放大器的种子光源，可用于光纤型光参量振荡器与放大器系统，并可使用周期性极化铌酸锂(ppln)进行高效倍频或频率转换。

人们在研究光纤激光器的同时，也在不断研究皮秒量级及更窄的超短脉冲激光器，超短脉冲光纤激光器由于具有宽的频谱带宽和很高的峰值功率，在光纤通信、激光精细加工、超快生物学、超快光学、超快光谱学等领域均有重要应用特别是在研究ICF快点火机制、等离子体诊断以及激光与等离子体相互作用等，都需要脉宽极窄、峰值功率*的超短激光脉冲。

因此，超短脉冲光纤激光器作为一种特殊的激光器，具有非常重要的研究价值和广泛的应用领域。

由块状工作物质及各种光学元件组成的传统固体激光器存在体积大、质量大、结构松、可靠性差等缺点。

而光纤激光器有以下特点：

1、增益介质长，能方便地延长增益长度使抽运光充分吸收，光-光转换效率高；

2、光纤激光器表面积/体积比大，其工作物质的热负荷相当小，光纤中的场主要约束在纤芯内，使纤芯中的场强很大，加之光纤的低损耗又使这种高光强可以保持很长距离，能产生甚高亮度和甚高峰值功率；

3、易实现单模、单频运转和超短脉冲；

4、光纤激光器体积小且结构简单，工作物质为柔性介质，使用方便；

5、激光器可在很宽光谱范围内(455~3500nm)设计与运行，使光纤激光器可调。

由于光纤激光器具有以上特点，因此采用光纤作为振荡器产生超短脉冲激光比传统固体激光放大器更具优势。

二、基于SESAM被动锁模脉冲光纤激光器

获得超短脉冲输出的主要途径有主动锁模和被动锁模。主动锁模光纤激光器虽然具有输出激光波长和重复频率可调谐的优点，但是其受到电器件响应频率的限制，输出激光的脉冲宽度只能达到ps量级，并且多数调制器的尺寸较大，对于光纤激光器来说引入了非光纤器件，祸合损耗很大，另外这种主动锁模的光纤激光器容易受到外界环境的影响，如温度变化、机械振动引起腔内偏振态变化等，从而使输出锁模脉冲不稳定。

与主动锁模相比，被动锁模不需要其他任何有源器件，利用光纤中或者其他元件中的非线性效应等，可实现激光自启动锁模，获得比输入脉冲更短的脉冲输出。目前被动锁模光纤激光器主要利用可饱和吸收体、非线性光纤环形镜、非线性偏振效应来实现。

可饱和吸收体是一种非线性介质，随着光场强度的变化，其对激光的吸收会有所改变，当光场较弱时，饱和吸收体对光的吸收很强，随着光强的增大，吸收作用减弱，达到一定值时，吸收饱和，光全部透过。因此自发辐射的光信号在通过可饱和吸收体时，弱信号由于吸收作用而受到阻挡，不能通过，强尖峰信号的边沿由于损耗而不断削弱，因此光脉冲在通过饱和吸收体的过程中被窄化了，从而实现激光脉冲的自启动。

半导体材料具有*能级特性，在上个世纪90年代初发展出了半导体可饱和吸收体材料（SESA）。SESA的响应本质上包含带内和带间两个过程。电子在带内的快速热运动有助于稳定超短脉冲，而缓慢的带间复合则有助于激光器启动锁模。

利用成熟的半导体工程技术，通过调整两种运动的相对程度和带隙，可以使其具有极宽范围的吸收波长。半导体可饱和吸收反射镜（SESAM）的基本结构是把反射镜与可饱和吸收体结合在一起，即半导体可饱和吸收体用外延法直接生长在半导体布拉格反射镜上，其调制深度、饱和通量和非饱和损耗均可以通过结构设计加以调控。因此，SESAM是目前应用最为广泛的锁模器件。

下图是基于SESAM的脉冲光纤激光器光路图，此结构简单，无需种子源，易于实现。

基于SESAM的脉冲光纤激光器

三、半导体可饱和吸收镜SESAM的微观特性

1、能带间隙即禁带宽度。它决定半导体可饱和吸收体的吸收波长，吸收系数一般在104/cm左右。以III-V族化合物半导体为例,吸收带一般在可见光和近红外波段。为了适应各种吸收波长的需要，常常要用三元化合物半导体,如砷化镓铝(AlGaAs)，砷化铟镓(InGaAs)，砷化铟铝(InAlAs)等。

2、晶格常数。半导体可饱和吸收体一般是用外延法生长在半导体衬底上的，衬底的晶格常数与要生长的半导体化合物的晶格常数原则上应该相同，若不一致，则会在生长层上造成一定应变(strain)，可分为压缩型和扩张型。无论那种类型的应变都会影响禁带宽度，因而禁带宽度的改变不是任意的，要受衬底晶格常数的制约。

3、量子阱。当吸收体薄到一定程度，并被夹在高禁带宽度的材料中间，就变成了所谓量子阱。在设计半导体可饱和吸收体时，根据吸收能量的大小，可以采用体吸收，也可以采用量子阱结构。对于利用克尔效应锁模的激光器，仅仅需要百之零点几至百分之几的吸收，所以可饱和吸收体的厚度只需要几个nm。

4、时间特性。半导体可饱和吸收体之所以可以启动锁模，是因为它的高速时间特性。一般来说半导体的吸收有两个特征弛豫时间，一是带内子带之间的热化(intrabandthermalization)，二是带间跃迁(interbandtransition)。带内热化是被激发到导带的电子向子带跃迁的物理过程，这个时间很短，在100-200fs左右，而带间跃迁时间是电子从导带向价带的跃迁，相对较长，从几ps到几百ps。

下图列举了用于1064nm光纤脉冲激光器的SESAM结构图，右侧是饱和吸收体结构。