【原創(chuàng)】筱曉產品—半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)

2024-12-02 17:04:20

超快脈沖激光器的研究熱潮不減，而半導體可飽和吸收反射鏡（Semiconductor Saturable absorber mirror）作為穩(wěn)定、自啟動脈沖激光器最簡單的被動鎖模元件備受追捧，筱曉光子于幾年前推出BATOP SESAM器件，為科研人員提供理想脈沖激光器核心元器件。

  筱曉產品 

  半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)  

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(tǒng)，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、峰值功率極高的超短激光脈沖。

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(tǒng)固體激光器存在體積大、質量大、結構松、可靠性差等缺點。

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(yōu)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(shù)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(huán)境的影響，如溫度變化、機械振動引起腔內偏振態(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、非線性偏振效應來實現(xiàn)。

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(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。

半導體材料具有獨特能級特性，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(wěn)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(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(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(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結構圖，右側是飽和吸收體結構。

用于1064nm光纖脈沖激光器的SESAM設計結構圖

SESAM電場強度分布

四、筱曉光子SESAM的產品資料

BATOPSESAM可飽和吸收鏡

?德國BATOP公司是一家專門生長半導體可飽和吸收體等半導體光電器件的公司，主要產品包括：

其中SESAM，RSAM和SOC是用于穩(wěn)定、自啟動的DPSS被動鎖模激光器最簡單的鎖模元件。

• 1064——中心波長為1064nm?

• 1——飽和吸收率為1%

• X——封裝代碼

主要參數(shù)：