光学经典导读之七半导体可饱和吸收镜
Ultrafast Lasers是由瑞士苏黎世联邦理工学院的Ursula Keller教授于2021年出版的最新著作。Keller教授的研究方向为超快激光物理，这本书是她近30年研究与教学的总结。该书共有12章，全面介绍了超快激光基本原理以及各种激光技术和实际应用。其中第7章全面介绍了可饱和吸收体技术，里面包含各种丰富细节。这一章可以作为从事可饱和吸收体研究的重要参考文献，但并不适合想要快速了解该技术的初学者。作为替代方案，我们这里主要基于北京大学张志刚教授所著《飞秒激光技术》的第四章，简要介绍半导体可饱和吸收镜技术。
超短脉冲激光器的发展紧密依赖于锁模技术的进步，被动锁模的出现更是显著简化了激光器的结构。在被动锁模技术中，可饱和吸收体凭借其简单的结构、稳定的性能，广泛应用于各类超快激光。
将特殊的半导体材料直接生长在半导体布拉格反射镜上，便能得到具有可饱和吸收性能的反射镜，也被叫做半导体可饱和吸收体镜（semiconductor saturable absorber mirror， SESAM）。半导体对光的吸收系数一般在104cm－1左右，吸收波长与能带间隙有关，而能带间隙又与半导体中原子配比以及衬底和吸收体的晶格失配有关，因此可以调整材料以满足不同波段的锁模需求。
如图1所示，半导体的吸收包含两个特征弛豫时间：带内热化过程和带间跃迁过程，前者发生时间为100～200 fs，基本无法改变；后者相对较慢，时间为几皮秒到几百皮秒，会随着生长时的温度而改变。实现锁模主要是利用了带内热化的响应，但也要求带间弛豫时间远小于脉冲在振荡器腔内的往返时间。
图1 半导体可饱和吸收体的时间特性和物理机制 ［1］
可饱和吸收镜SESAM的宏观特性主要包括调制深度ΔR、非饱和损耗ΔRns、饱和通量Fsat，A、饱和光强Isat，A（如图2）以及图1中的饱和恢复时间。调制深度是指脉冲通量为零和无穷大时，反射率的变化量；非饱和损耗为脉冲通量无穷大时依然存在的损耗；饱和通量为反射率变化量为1／e时的光通量；饱和光强为饱和通量的光强形式；饱和恢复时间为材料去饱和所需时间。
图2 半导体可饱和吸收镜的宏观特性 ［1］
上述宏观参数综合作用，决定了是否能实现锁模以及锁模后脉冲的性能。理论证明，锁模脉冲宽度与调制深度成反比，深度调制可以获得短脉冲，并且更容易实现自启动，但太深的调制深度将引起自调Q现象（如图3左），且往往导致过大的非饱和损耗，降低SESAM的整体反射率。
图3 调Q锁模和连续锁模状态示意图 ［1］
可饱和吸收体反射率曲线的斜率同样对锁模过程影响较大，高斜率表明光强的轻微变化就能引起反射率的大量变化，更有利于建立锁模。饱和通量过高将引起光学损伤，而过低又会导致多脉冲形成。在皮秒应用中，过长的饱和恢复时间和增益介质上能级寿命将导致自调Q现象。
SESAM按结构可分为反谐振法布里－珀罗型反射镜、无谐振型可饱和吸收镜、可饱和布拉格反射镜和宽带可饱和吸收镜。其中，可饱和布拉格反射镜是指包含半导体的膜层厚度为四分之一波长，这个膜层可以放在任何位置以调节调制深度等参数。由于半导体材料的折射率差较小，半导体布拉格反射镜的反射带宽也比较窄，严重限制了输出脉冲的宽度。为了实现宽带反射，可以用金属反射镜代替半导体反射镜，但金属反射镜同样有不足，即金属反射镜的反射率较低，尤其是对于低增益介质是一个致命缺陷。为了同时实现低损耗宽带反射，可采用如图4所示的镀层结构：AlAs与GaAs的折射率差只有0．4左右，而将AlAs氧化为氧化铝的半导体化合物之后，与GaAs的折射率差达1．78，大大增加了反射带宽并减少了高反射率所需要的半导体层数。
图4 氧化法制作宽带高反射率布拉格反射镜 ［1］
另一种实现低损耗宽带反射镜的方法是利用氟化物和半导体混合，由于氟化物与半导体折射率差较大，因此能够支持较宽的带宽。例如在（111）取向的GaAs上生长两对CaF2／Al0．77Ga0．23As布拉格反射镜和40nmGaAs吸收层，其反射率曲线所示，使用这种SESAM已经取得了10 fs以下的脉冲输出。
图5 含GaAs吸收层的超宽带反射镜［1］
除了实现宽带高反射率设计之外，SESAM还有其他的发展方向。例如为了实现低饱和通量吸收体，就有了量子点SESAM。量子点材料是由于两种材料晶格不匹配，生长时在膜层所在平面内形成一个个孤立的缺陷点，就是所谓的量子点。量子点的大小和密度决定了其吸收性能。
图6 量子点SESAM ［1］
随着锁模激光器的不断发展，对可饱和吸收体的要求不断提升，人们在不断尝试如何突破已有技术的限制，实现更宽的带宽、更高的反射率、更高的损伤阈值，从而获得能够稳定运行的高功率高能量飞秒激光。
参考文献：
［1］ 张志刚，飞秒激光技术第四
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