半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡的設(shè)計(jì)與特性研究.pdf

1、應(yīng)用半導(dǎo)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(jì)的影響，可以在較寬的范圍內(nèi)對其線性、非線性光學(xué)特性進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)體材料，經(jīng)過適當(dāng)?shù)纳L法生長和合理

2、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在較寬的范圍內(nèi)獲得較理想的性能，因此半導(dǎo)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(jìn)行合理設(shè)計(jì)，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(jìn)行正確測量與表征也變得非常重要。國外設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(dāng)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(hù)超快激光器中SESAM不受損傷，又保證激光器的穩(wěn)定運(yùn)行，分析對比了表面介質(zhì)保護(hù)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(hù)層的方法來控制量子阱吸收層附近的駐波場強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)與應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上綜述了SESAM鎖模激光器的發(fā)展?fàn)顩r。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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行系統(tǒng)綜述的基礎(chǔ)上，研究了SESAM微觀特性與SESAM設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，說明了在設(shè)計(jì)SESAM時影響SESAM微觀特性的幾個關(guān)鍵因素。
　　 通過泵浦-探測實(shí)驗(yàn)測量了幾個實(shí)際SESAM樣品反射率隨入射光通量之間的變化，其實(shí)驗(yàn)曲線與理論計(jì)算曲線有比較明顯的差異，由分析得出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xué)薄膜原理、半導(dǎo)體能帶理論及半導(dǎo)體量子阱材料的相關(guān)知識設(shè)計(jì)了單量子阱低精細(xì)度反諧振法-珀可飽和吸收鏡，用禁帶理論計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)了對工作波長光的有效吸收。通過模擬計(jì)算所設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(jìn)行熱成像，和利用高功率飛秒激光對SESAM進(jìn)行表面損傷來研究SESAM的損傷機(jī)制。在實(shí)驗(yàn)中觀察到當(dāng)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(yùn)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(xì)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(qiáng)，得出當(dāng)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(hù)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)技術(shù)測試了半導(dǎo)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(dāng)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