半导体可饱和吸收镜的被动锁模研究

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  半导体可饱和吸收镜的被动锁模研究_工学_高等教育_教育专区。第3l卷增刊 2004年3月 中 国 激 光 CmNESE V01.31.Suppl JOURNAL OF LASERS March.2004 文章编号:0258-7025(2004

  第3l卷增刊 2004年3月 中 国 激 光 CmNESE V01.31.Suppl JOURNAL OF LASERS March.2004 文章编号:0258-7025(2004)Supplement-0143-03 半导体可饱和吸收镜的被动锁模研究 杨云锋,朱晓,齐丽君,宋婷婷,丘福生 (华中科技大学激光技术国家重点实验室武汉430074) 摘要 介绍了半导体可饱和唆收镜的结构及参量.分析了其被动镀模的原理,并对影响被动锁模稳定输出.造成Q脉冲包络输出 原因进行了分析讨论.从j个方面提出了优化方案。 关键词 半导体町饱和吸收镜;被动锁模;半导体拙运Nd:YAG激光器 l 中图分类号TN248 文献标识码 A Study on Passively Mode—-Lock Using a Semiconductor Saturable Absorber Mirror of&tm∞and Technology,Wuhan 430074,Chin∞ YANG Yun—feng,ZHU Xiao,Q1 Li-jun,SONG Ting—ring,QIU Fu—sheng 0‰船Key Laboraloey Abstract pfinciple ofLaser Technology,Huazhong University and the parameters is analysed The structure of semiconductor saturable absorber optimized project is mirror(sEs)a~1)a地introduced.The aspects after a ofp勰sively mode—lock The raised in three different discussion about the reason ofQ switchedprofilemode——locldng Keywords lasertechnique;semiconductor saturableabosrbermirror,passivelymode-loclq diode pumpedNd:YAGlasers 1引言 半导体可饱和吸收镜(SESAM)是以半导体中的 吸收漂白为基础的一种新型被动锁模器件.它包含了 半导体可饱和吸收体与腔镜。与主动锁模相比, sESAM具有响应时间较小、结构简单、插入损耗小、 自启动和锁模稳定输出的特点。分子束外延技术 (MBE)及能带工程使得材料的关键参量。例如恢复时 间、饱和能量、插入损耗.能够被自由设计以满足不同 情况的需要。早在1992年.瑞士的KeⅡe一等人就实 现了Ncl=YLF和Nd:YAG的被动锁模运行.1995年。 他们还利用可饱和吸收体解决克尔透镜锁模的自启 动问题目。在钛蓝宝石激光器中.利用可饱和吸收体及 克尔锁模可以产生6.5 fs的短脉冲日。将SESAM用于 半导体抽运的N&YAG.可以在保持系统结构简单、紧 凑的前提下获得稳定的皮秒锁模输出。 2 照射时,器件的反射率随着光束强度的增加而增高: 在脉冲持续期间,载流子数目增加,产生吸收漂白, 实现损耗的非线性变化。但是仅对量子阱结构而言, 它饱和强度小.损伤阈值低,插入损耗较大,直接将 半导体插入腔内将会增加腔内损耗.这就需要采取 一定的结构设计半导体可饱和吸收镜。 通常的方法是将半导体可饱和吸收层放置在防 谐振的法布里一珀罗谐振腔中。整体由衬地、多层结 构的布拉格反射层、多层量子阱吸收层以及顶部反 射层组成。半导体反射镜整体结构如图(1)所示。 底部的布j!《】=格反射层由多对AlAs—GaGs反射 层组成,每层介质厚度对特定波长光程为2/4。其反 射层的数目决定了反射层的整体反射率及相移 风exp(i妒J,一般该层反射率90%以上。在某些半导 体可饱和吸收镜中,布拉格反射层被反射带宽更高 的银反射层所代替。 SESAM的结构和参量 SESAM的主体是半导体可饱和吸收层,它具 带有一定反射率及相移R,exp∞a)的上反射镜 减少入射光强,降低腔内损耗,提高了可饱和吸收 体的饱和能量密度。从另外一个角度说,该反射率 决定了能直接作用到可饱和吸收体的能量、饱和能 2.1半导体可饱和吸收镜的结构 有非线性谐振效应的多层量子阱结构。当光束持续 作者简介:杨云锋(1978一),华中科技大学硕士研究生,主要从事固体激光及其单元技术方面的研究。 Entail:yyfeng_hust@163tom 万方数据 中 国 激 光 3l卷 GaAs— substrate MQW—saturable absorber 《-』 ¨/,::夕//7/ 3卜 i } 一 s枷r曲le …“……………‘1 LT—MQw absorber l。一I bf”£0m i l mGaAs/G如 “.\/\/\/\/\/\ reflector 轧。 topreflector (AIAMGaAs Bmgg mlrmr) 置,exp(i妒。) 吐 absorberlayer (SiO—fiO:Bragg mb 兄exp(岫,.) 圉l中心波长为1064 nm的一种半导体可饱和吸收镜结构图 ng l Schematic of a special SESAM,the center wavelength is 1064 nm 量密度及插入损耗的大小。 可饱和吸收体的3层结构均会带入附加的相 移.为了达到防谐振的效果.可饱和吸收体的厚度d 必须适当调整,以满足如下反谐振条件: 饱和损耗。量子阱的生长温度一般为250℃。 饱和能量密度是用来来衡量可饱和吸收体饱和 程度的一个重要的参量。如图2当可饱和吸收体中 的脉冲能量密度最达到预计的脉冲能量密度时,材 (1) ’DⅢ=妒。岬b+2%砌=(2m+lⅫ 均折射率。k=2rdA为波矢,^为波长,m为整数。 2.2半导体可饱和吸收镜的参量 料达翟I饱郝。E,一般是饱和脉冲自目量密度E。。的几 倍,然而过大的最可能导致多脉冲的产生,同时或 的上限受到材料损伤阈值的限定。可饱和吸收的过 程可用公式(2)描述: 其中妒。为反射镜一个回程总相移,%为吸收层平 可饱和吸收体模块化结构及能带工程使得器件 参量要求可以通过特定的设计得到满足。 非饱和损耗是由布拉格镜的吸收和透射引起的。 透射损耗一般较小。低于o】%;布拉格镜的透射率随 着层数的增加而减少。非饱和损耗一般只有03%o 分子柬外延(MBE)技术能精密设计饱和吸收 体的载流子复合时间和调制深度。连续激光器的稳 定锁模要求载流子的复合时间略高于锁模脉冲皮秒 量级甚至更低的脉冲宽度.而直接生长的半导体材 料载流子复合时间在I、s量级,这不足以提供足够快 的饱和速度。不同的MBE生长温度可以使半导体 材料具有不同的载流子复合时间。同时还能设计多 层量子阱的非线性吸收参量,也就是调制深度AR。 在决定MBE生长温度时必须给予综合考虑3个因 素:载流子复合时间、较好的非线性调制深度以及非 Ae动朝以l+E,酊蚍I) (2) 其中A表示饱和吸收程度,A。表示小信号吸收系 数,毋表示脉冲能基密度,E二¨表示饱和吸收体的 饱和能量密度。 扩 ≯ 铲 弘 弘 ∞0 刑11cn(’e/(m.I/cm。、 图2饱和吸收与脉冲能量密度关系图 (^f1%,噩“=0.1 mJ/cm2) Fig.2 Saturable absorption A in dependency of the fluence(A;1%,E“=0 1 mJ/cm2) 万方数据 Supplement 杨云锋等:半导体可饱和吸收镜的被动锁模研究 145 3锁模的原理和改善锁模脉冲的措施 3.1锁横的原理 半导体可饱和吸收镜的脉冲响应时间主要包含 两个部分“J:由能带内部载流子之间的散射和热能 化引起的快饱和吸收。响应时间大概为100 fs量 级:由能带之间载流子的俘获和复合过程引起的慢 饱和区.响应时间为皮秒量级。对于半导体可饱和 吸收体的非线行吸收漂白而言,主要起作用的是光 致激发载流子对上能带复合而造成的慢饱和吸收。 在DPL的被动锁模中,具有皮秒量级的慢响应 饱和区和相对较低的饱和阈值半导体可饱和吸收 体相对连续激光的起伏噪声是一个快可饱和吸收 体,拥有皮秒量级的净增益窗口保持时问。在锁模 的过程中,自脉冲在可饱和吸收体中的碰撞形成的 瞬时光栅对脉冲本身具有~定的整形作用,因此可 饱和吸收体的非线性可饱和吸收特性很容易从连 续激光的起伏噪声中选出较大脉冲进入被动锁模 过程,并压缩脉宽达到皮秒量级,形成稳定的皮秒 脉冲锁模。由于被动锁模主要起作用的是快饱和吸 收体.与谐振腔参量关系不大。因此,调整腔参量对 被动锁模状态影响不大.整个稳定区均可实现被动 锁模。 3.2改善锁模脉冲的措施 DPL腔内实现稳定被动锁模必须解决的主要 问题是克服由于饱和吸收体介入引起的Q脉冲包 络锁模(Q~switched profile AR表示调制深度。 为了实现稳定锁模,可从三个方面进行优化克 服Q脉冲包络锁模。 首先,选择适当的增益介质。单脉冲能量密度 的阈值正比与增益介质的饱和能量密度。在驻波腔 中,增益介质的饱和能量密度可表示为E札。=hv/ 2吼,巩表示增益介质发射横截面积。相对于产生fs 脉冲的激光材料而言,产生ps脉冲的激光材料,比 如5Id:YAG或Nd:YVO。,具有相对较大的发射横截 面积,降低了连续锁模阅值。 其次。选择具有合适参量的SESAM。可饱和吸 收体的饱和能量密度和调制深度都可以通过设计 获得各种不同的参量。较低的饱和能量密度和调制 深度可以直接降低连续锁模的阈值。通常用于连续 锁模的的调制深度在0.5%和2%之问,可饱和吸收 体饱和能量密度约为100“/cm2。 第三,采取适当的腔型设计。激光介质的照射 面积应尽可能的小。而受抽运方式的影响和散热的 需要,屯通常较大。可以从另~方面通过减少也来 补偿较大的A。而带来的影响。例如在SESAM前面 放置聚焦镜,减少饱和吸收体照射面积,提高单脉 冲能量密度。 参考文献 1 Keller U u妇缸t L all—solld-state laser tecbeolngy(J1.却以 Self—starting sollton Phys.C日),1994.58(3):347—363 2 Brc呐e]ll mode—locldng)。实现 3 R,Jung I n踟矿D耐越 laser using a modeloeked saturable 连续激光器ps量级稳定锁模,腔内单脉冲能量B 必须满足公式(3)描述的闽值条件Ⅲ: absorber[J].眈加∞三耐£,1995,sl(4):287-288 J Ti:sappire thin semiconductor U Keller.IL 群>最一脚,一AAAR Weingartell札al,.1EBE J.Quant Elec竹 (3) 垃皿工表示激光介质的饱和能量密度,也表示激 光照射模面积,如表示可饱和吸收体照射模面积, Topivs伽。删幢Eleetr..199矗2:435—453 4 Homfinger C,PaschottaR Morier-Genoud F et靠.O嘲viching Selected siAbiliWlimitsof OpL counfinuoUs-wavepassivemodelocI曲g皿J Soc.^m丑1999,10(n:46—56 万方数据


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