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用及特點

超快脈沖光纖激光器最直接的應用就是作為超快光源，形成多種時間分辨光譜技術和泵浦/探測技術，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，并可使用周期性極化鈮酸鋰(ppln)進行高效倍頻或頻率轉換。

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、超快光譜學等領域均有重要應用特別是在研究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用領域。

由塊狀工作物質及各種光學元件組成的傳統固體激光器存在體積大、質量大、結構松、可靠性差等缺點。

而光纖激光器有以下特點：

1、增益介質長，能方便地延長增益長度使抽運光充分吸收，光-光轉換效率高；

2、光纖激光器表面積/體積比大，其工作物質的熱負荷相當小，光纖中的場主要約束在纖芯內，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，能產生甚高亮度和甚高峰值功率；

3、易實現單模、單頻運轉和超短脈沖；

4、光纖激光器體積小且結構簡單，工作物質為柔性介質，使用方便；

5、激光器可在很寬光譜范圍內(455~3500nm)設計與運行，使光纖激光器可調。

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生超短脈沖激光比傳統固體激光放大器更具優勢。

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頻率可調諧的優點，但是其受到電器件響應頻率的限制，輸出激光的脈沖寬度只能達到ps量級，并且多數調制器的尺寸較大，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境的影響，如溫度變化、機械振動引起腔內偏振態變化等，從而使輸出鎖模脈沖不穩定。

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等，可實現激光自啟動鎖模，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、非線性光纖環形鏡、非線性偏振效應來實現。

可飽和吸收體是一種非線性介質，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年代初發展出了半導體可飽和吸收體材料（SESA）。SESA的響應本質上包含帶內和帶間兩個過程。電子在帶內的快速熱運動有助于穩定超短脈沖，而緩慢的帶間復合則有助于激光器啟動鎖模。

利用成熟的半導體工程技術，通過調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）的基本結構是把反射鏡與可飽和吸收體結合在一起，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，其調制深度、飽和通量和非飽和損耗均可以通過結構設計加以調控。因此，SESAM是目前應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，此結構簡單，無需種子源，易于實現。

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。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，襯底的晶格常數與要生長的半導體化合物的晶格常數原則上應該相同，若不一致，則會在生長層上造成一定應變(strain)，可分為壓縮型和擴張型。無論那種類型的應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。在設計半導體可飽和吸收體時，根據吸收能量的大小，可以采用體吸收，也可以采用量子阱結構。對于利用克爾效應鎖模的激光器，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，一是帶內子帶之間的熱化(intrabandthermalization)，二是帶間躍遷(interbandtransition)。帶內熱化是被激發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結構圖，右側是飽和吸收體結構。