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文檔簡介
1、應(yīng)用半導體可飽和吸收反射鏡(Semiconductor SaturabLe Absorber Mirror或SESAM)的一個主要原因在于它可以不受諧振腔腔形設(shè)計的影響,可以在較寬的范圍內(nèi)對其線性、非線性光學特性進行控制,這使其在特定諧振腔中的應(yīng)用具有更大的自由度。另外,由于它的大吸收截面,和由此產(chǎn)生的小飽和通量可以很好地抑制Q調(diào)制不穩(wěn)定性,所以半導體可飽和吸收體是用于固態(tài)激光器被動鎖模的理想器件。半導體材料,經(jīng)過適當?shù)纳L法生長和合理
2、的結(jié)構(gòu)設(shè)計,可在較寬的范圍內(nèi)獲得較理想的性能,因此半導體可飽和吸收鏡幾乎適用于所有的固態(tài)激光器。而如何對SESAM進行合理設(shè)計,及對它的特性(例如飽和通量、調(diào)制深度、非飽和吸收、和恢復(fù)時間等)進行正確測量與表征也變得非常重要。國外設(shè)計和生長SESAM已比較成熟,國內(nèi)近年來也開展了SESAM的研制工作,但還處于起步階段。
本論文主要開展了關(guān)于SESAM的設(shè)計及其超快光譜(即動態(tài)響應(yīng)特性)測試的研究,具體工作如下:
3、 理論分析給出了SESAM內(nèi)部量子阱吸收層的厚度與吸收的中心波長之間的函數(shù)關(guān)系;定義了SESAM中量子阱吸收層的介電函數(shù),并通過計算模擬比較分析了吸收層位置的變化對其電場分布、調(diào)制深度、反射光譜等參數(shù)的影響;在實驗研究工作中,通過超快激光器中SESAM的熱成像和高功率超快激光對SESAM的損傷,研究了SESAM的損傷機制,給出了激光光斑尺寸與熱損傷和激光器穩(wěn)定性之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)當激光光斑尺寸增大時,SESAM損傷率降低,但激光光斑尺寸
4、增大的同時也會使激光器的穩(wěn)定性下降。在此基礎(chǔ)上,為保護超快激光器中SESAM不受損傷,又保證激光器的穩(wěn)定運行,分析對比了表面介質(zhì)保護層數(shù)對內(nèi)部電場分布、調(diào)制深度等性能參數(shù)的影響,并采用鍍制介質(zhì)保護層的方法來控制量子阱吸收層附近的駐波場強以提高SESAM的損傷閾值;在國內(nèi)首次采用飛秒激光泵浦探測實驗研究了SESAM的動態(tài)響應(yīng)特性,并獲得了SESAM的超快光譜,在極高泵浦激光能量密度(能量密度高于1400μJ/cm2)時觀察到了SESAM中
5、的雙光子吸收現(xiàn)象,這在國內(nèi)尚屬首次。
全文共分為七章,各章的主要內(nèi)容如下。
第一章系統(tǒng)介紹了鎖模技術(shù)的發(fā)展,鎖模技術(shù)中極具發(fā)展?jié)摿Φ钠骷猄ESAM的發(fā)展歷程、優(yōu)點與應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上綜述了SESAM鎖模激光器的發(fā)展狀況。為了研究SESAM在超快激光脈沖照射下其內(nèi)部載流子的動態(tài)響應(yīng)過程,先介紹了半導體在超快激光作用下的基本超快瞬態(tài)過程,然后介紹了研究SESAM超快瞬態(tài)過程的飛秒激光泵浦探測技術(shù)。
6、第二章在對半導體可飽和吸收鏡技術(shù)的工作原理、能帶理論、結(jié)構(gòu)類型等方面進行系統(tǒng)綜述的基礎(chǔ)上,研究了SESAM微觀特性與SESAM設(shè)計之間的關(guān)系,說明了在設(shè)計SESAM時影響SESAM微觀特性的幾個關(guān)鍵因素。
通過泵浦-探測實驗測量了幾個實際SESAM樣品反射率隨入射光通量之間的變化,其實驗曲線與理論計算曲線有比較明顯的差異,由分析得出實驗與理論曲線之間的差異主要是由SESAM工作時所產(chǎn)生的非線性效應(yīng),如雙光子吸收效應(yīng)(TPA
7、)引起的。利用泵浦探測實驗表征了SESAM樣品的主要宏觀特性—動態(tài)響應(yīng)特性,即SESAM反射率隨延遲時間的變化,所觀察的SESAM的響應(yīng)恢復(fù)時間可分為三個過程:帶內(nèi)熱平衡過程、熱載流子冷卻過程和帶間復(fù)合過程。
第三章通過光學薄膜原理、半導體能帶理論及半導體量子阱材料的相關(guān)知識設(shè)計了單量子阱低精細度反諧振法-珀可飽和吸收鏡,用禁帶理論計算得出吸收層厚度和吸收中心波長之間的函數(shù)關(guān)系,由此函數(shù)關(guān)系計算得出中心波長1060nm所對
8、應(yīng)的吸收層厚度為19.5m;利用Tauc-Lorentz模型、克拉默斯-克羅尼格關(guān)系(KKR)和二維態(tài)密度定義了吸收層的介電函數(shù);通過模擬計算分析SESAM的內(nèi)部電場分布,選擇吸收層的插入位置,使吸收層恰好位于其駐波場波峰處,從而實現(xiàn)了對工作波長光的有效吸收。通過模擬計算所設(shè)計SESAM的反射光譜得出其吸收的中心波長在1060nm附近,調(diào)制深度3%左右,與設(shè)計要求相符。
第四章隨著超快激光器向高功率、高脈沖能量發(fā)展,SES
9、AM的損傷機制和高閾值SESAM的研究必不可少。本章通過對高功率飛秒激光器系統(tǒng)中的SESAM進行熱成像,和利用高功率飛秒激光對SESAM進行表面損傷來研究SESAM的損傷機制。在實驗中觀察到當激光在SESAM上的模尺寸增大時,雖然SESAM的損傷幾率可以降低,但同時超快激光器的穩(wěn)定性也會隨著激光光斑尺寸的增大而降低。
第五章為了即保證SESAM鎖模的高功率超快激光器的運行穩(wěn)定,又不使SESAM受到損傷,采用了在SESAM表
10、面鍍制介質(zhì)層的方法,即提高SESAM的精細度。論文通過研究鍍制SiO2/Ti2O5介質(zhì)層數(shù)所對應(yīng)的SESAM的內(nèi)部電場分布、調(diào)制深度來控制量子阱吸收層附近的場強,得出當鍍制2個周期SiO2/Ti2O5介質(zhì)層時,照射到SESAM第—個量子阱吸收層上的光功率為降低為小于原來的50%。同時鍍制介質(zhì)保護層后的SESAM和原來一樣不會產(chǎn)生Q調(diào)制不穩(wěn)定性。
第六章半導體可飽和吸收鏡在激光照射下其內(nèi)部動態(tài)響應(yīng)會直接影響其對超快激光脈沖的
11、整形作用。論文通過泵浦探測實驗技術(shù)測試了半導體可飽和吸收鏡的動態(tài)響應(yīng)過程,得出了不同泵浦功率下SESAM的超快光譜、相同泵浦功率SESAM表面不同位置處的超快光譜、SESAM非線性反射率隨入射光能量密度的變化,以及高功率飛秒激光照射下SESAM的超快光譜。得出隨著入射光功率的增大,SESAM的超快光譜會產(chǎn)生非線性變化,當入射光能量密度極高(>1400μJ/cm2)時在SESAM的超快光譜中觀察到了雙光子吸收現(xiàn)象。
第七章最
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