皮秒激光器的研制

1 理学学士学位论文 皮秒激光器的研制皮秒激光器的研制 商丰瑞 北京工业大学 2010 年 5 月 精品文档 I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载 北京工业大学北京工业大学 毕业设计 论文 任务书 题目 皮秒激光器的研制 专业 应用物理学 学号 06061115 姓名 商丰瑞 主要内容 基本要求 主要参考资料等 利用半导体可饱和吸收镜 SESAM 锁模可以实现稳定的小于 10 皮秒的锁模激光 脉冲输出 再通过再生放大 多通放大等放大技术 获得较大能量的超短皮秒激光脉 冲的输出 超短脉冲激光由于脉冲宽度窄 峰值功率高 在国防 科研等许多领域得 到应用 本课题的研究结果将对 SESAM 锁模机理 皮秒激光放大技术方面打下一个坚 实的理论和实验基础 具有理论研究意义和实际应用价值 本课题的研究内容包括 1 SESAM 锁模原理及实验研究 2 皮秒激光放大技术 及实验研究 要求学生掌握光学 激光原理及激光器件的基本知识 主要参考资料 1 周炳琨等著 激光原理 国防工业出版社 2000 2 美 W Koechner 著 固体激光工程 科学出版社 2002 完成期限 2010 年 6 月 10 日 指导教师签章 专业负责人签章 2010 年 1 月 10 日 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载II欢迎下载 摘要 皮秒脉冲激光由于脉宽窄 峰值功率高 在国防 科研等许多领域得到广泛应用 成为目前激光领域的研究热点 激光晶体增益介质是激光器的核心部件 它的光谱和物理特性决定了激光器系统 的整体设计和输出特性 在众多激光晶体中 掺钕离子的氟化钇锂 Nd YLF 晶体因 其弱的热透镜效用 大的增益线宽 强的自然偏振振荡和很高的储能性等特性 已广 泛地应用于皮秒锁模等各种激光器件中 在激光二极管 LD 端面抽运下 Nd YLF 晶体 能够输出波长为 1053nm 的激光脉冲 通过成熟的 SESAM 锁模技术 可轻易获得十分稳定的皮秒脉冲激光 SESAM 锁模与 其它锁模元件相比 它的结构简单并且稳定可靠 大大简化了锁摸激光器的内部结构 增加了实用性 从而使超短激光脉冲得到了更广泛的应用和飞速发展 SESAM 锁模谐振 腔有多种结构 其中直腔结构谐振腔稳区范围大 很容易实现激光振荡 为锁模提供 了有利条件 由于 SESAM 锁模后输出的皮秒脉冲激光能量十分小 纳焦量级 不利于实际应用 最后通过再生放大技术 可将锁模后的皮秒激光脉冲能量放大到毫焦能量 放大倍数 达到 106 本文对 LD 泵浦 Nd YLF 晶体全固化 SESAM 锁模激光器和再生放大技术进行了理论 和实验上的研究 测量了泵浦电流与锁模输出功率 以及泵浦电流与再生放大后输出 脉冲能量之间的关系 为进一步研究 SESAM 锁模和再生放大技术奠定了基础 关键字关键字 Nd YLF 晶体 SESAM 锁模 再生放大技术 皮秒脉冲 全固态 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载 ABSTRACT As the narrow pulse width high peak power picoseconds pulsed laser has been widely used in defense scientific research and other fields Now it has became the focus of the laser research field Laser crystal gain medium is the core component of its spectrum which determined the physical properties of the overall laser system design and output characteristics Among the laser crystals Nd YLF crystal because of its weak thermal lens effect a large gain line width intensity of natural polarization oscillations and high energy storage and other characteristics have been widely used in picoseconds mode locked etc In the laser diode LD pumped the crystal Nd YLF can output wavelength of 1053nm laser pulse By the mature SESAM mode locking technique it s easy to obtain a stable picoseconds pulse laser Finally through the regenerative amplification technology the nJ energy can be zoom to mJ energy Compared with the other mode locking components the SESAM mode locking have the simple and reliable structure which greatly simplifies the internal structure of the lock touch laser increase its usefulness so that ultra short laser pulses have a broader application and rapid development SESAM mode locked resonator with a variety of structures including straight cavity resonator have the large area of stable it is easy to achieve laser oscillations which provided favorable conditions for the clamping Due to the little output laser energy of the SESAM mode locked pulse that s not conducive to the practical application Finally using the regenerative amplification technology can zoom the nJ pulse energy to mJ energy Magnification to 107 In this paper some theoretical and experimental are studying on passively mode locking lasers by a SESAM and the regenerative amplifier which are pumped by diode lasers We are measuring the relationship between the pump current and mode locked output power the pump current and the regenerative amplifier output pulse energy This lays the foundation of studying passively mode locking by a SESAM and the regenerative amplification technology 精品文档 IV欢迎下载IV欢迎下载IV欢迎下载 KEYWORDSKEYWORDS Nd YLF crystal SESAM passively mode locking Regenerative amplification technology picoseconds pulse all solid state 目录目录 摘要摘要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第一章第一章绪论绪论 1 1 1 应用前景及意义 1 1 2 Nd YLF 激光器的发展及研究现状 2 1 2 1 掺钕离子的氟化钇锂晶体研究进展 2 1 2 2 Nd YLF 激光器的发展情况 2 1 2 3 Nd YLF 锁模激光器的研究现状 3 1 2 4 皮秒激光器未来趋势综述 3 1 3 论文工作的主要内容和目的 4 第二章第二章 基基础础理论及分析理论及分析 4 2 1 锁模的基本原理及方法 4 2 2 SESAM 锁模机理 6 2 2 1 半导体可饱和吸收体 7 2 2 3 半导体可饱和吸收反射镜的宏观特性 9 2 2 4 激光器参数与半导体可饱和吸收反射镜宏观特性的关系 10 2 2 5 半导体可饱和吸收反射镜的类型 11 2 2 6 SESAM 锁模机理分析 15 2 3 激光放大技术 16 2 3 1 脉冲放大器理论 16 2 3 2 再生式放大技术研究 17 2 4 Nd YLF 掺钕离子的氟化钇锂 晶体性质及分析 20 2 4 1 晶体的发射谱 20 2 4 2 晶体吸收谱 21 2 4 3 晶体的特性参数 22 第三章第三章 皮秒激光器调试实验皮秒激光器调试实验 23 3 1 SESAM 锁模调试 23 3 1 1 实验光路和仪器设备 23 3 1 2 实验内容及方法 23 3 1 3 实验调试结果 24 3 2 再生放大器调试 25 精品文档 V欢迎下载V欢迎下载V欢迎下载 3 2 1 实验光路和仪器设备 25 3 2 2 实验内容及方法 26 3 2 3 再生放大器能量测试结果 26 3 3 本章实验总结 28 结论结论 28 致谢致谢 28 主要参考文献主要参考文献 28 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 第一章 绪论 1 1 应用前景及意义 我相信 21 世纪属于光学 随着新世纪的来临 激光器对许多行业已不再是陌生的 事物 对于人类而言 它已经默默地出现在我们的周围 例如与我们生活密切相连的 计算机 CD 播放机的光驱内就安装了半导体激光器 通过它可以快速准确地读取数据 信息 事实上 自从世界首台红宝石激光器在上世纪 60 年代初问世以来 人们已开发 出了各种各样的激光器 并将它们广泛用于工业加工 产品研发 科学研究和国防等 领域 在激光器家族中 20 世纪 70 年代出现的极具潜力的超短脉冲激光器却长期未获 得重用 究其原因 虽然超短脉冲技术对众多的应用行业具有深远的意义 但对于多 数应用而言 高技术的超短脉冲激光器由于过于复杂和昂贵而无法实现 因此不少问 题长时间没有得到解决 随着新世纪脚步的来临 现今超短脉冲技术已经取得了长足 进步 并且逐渐趋于成熟 人们能够比较容易地获得脉宽窄 峰值功率高 波长可调 的超短光脉冲 脉宽量级为 10 12 10 15秒 大大促进了它在许多领域的广泛应用 超短脉冲技术是物理学 化学 生物学 光电子学 以及激光光谱学等学科对微 观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段 在生命科学领域 超短脉冲激光可以用于矫正视力 检测和精确切除癌症 脑外 科手术 治疗动脉瘤 心脏手术 美容 治疗烧伤 在生产制造行业 超短脉冲激光 能够有效地帮助大规模且低成本制造复合材料 让军用飞机的生产技术应用于汽车生 产 甚至房屋和办公楼的建设 激光微细加工应用的需求 促使脉宽与光电子驰豫时 间 跃迁时间相似并短至足够冷融的皮秒激光具有巨大的发展前景 皮秒激光器与飞 秒激光器相比 结构简单 不必为放大而伸展或压缩脉冲 这就使得皮秒激光更为有 效 更为可信 要获得超短脉冲 一般通过锁模技术来实现 锁模技术的发展主要经历了主动锁 模 被动锁模 主被动锁模 碰撞锁模 自锁模等阶段 对于发展潜力巨大的皮秒激 光器 目前研究的焦点主要集中在 SESAM 锁模技术上 半导体外延技术的发展以及半导体材料在很宽的范围内可变的吸收带 使得半导 体可饱和吸收镜 SESAM 成为非常有潜力的被动锁模器件 利用 SESAM 进行被动锁模 具有能自启动 稳定性好等优点 可以实现稳定的小于 10 皮秒的锁模激光脉冲输出 再通过再生放大技术 可获得较大能量的超短皮秒激光脉冲 本课题通过理论与实验相结合 增强综合素质 从而对研制皮秒激光器有了更加 深入的理论基础以及较强的动手能力 实验将对 SESAM 锁模机理 皮秒激光放大技术 方面打下一个坚实的理论和实验基础 具有理论研究意义和实际应用价值 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 1 2 Nd YLF 激光器的发展及研究现状 1 2 1 掺钕离子的氟化钇锂晶体研究进展 1968年 科研人员发现掺钕离子的氟化钇锂 Nd YLF 晶体具有特殊性质 相比 于其它掺Nd的激光材料 Nd YLF的上能级寿命长 荧光线宽宽 输出线偏振 热透镜 效应小 自然双折射远大于应力双折射等 而具有很大的实用价值 关于Nd YLF晶体 的生长技术 晶体光学特性以及Nd YLF晶体的激光输出特性的研究很多 其中有代表 性的报道主要有 1969年 Harmer等从晶体的发射谱研究了它的荧光寿命和受激发射截面 7 后来 WF Krupke K K Deb和Ray Bech等计算了它的光谱参数 1994年 邵怀宗等用溶液提 拉法生长了Nd YLF晶体 8 这是国内首次关于Nd YLF生长的报道 另外 他们还计算了 晶体的光谱参数 9 80年代 M Pollak等人分别用633nmHe Ne激光直接沿晶体轴入射 测量了灯泵浦 Nd YLF棒的热透镜焦距 并根据实验数据导出了热焦距计算式 1994年 C Pfistner 比较了端面泵浦的Nd YLF Nd GSGG和Nd YAG热致光束变形 发现在同等情况下 Nd YLF热透镜焦距比Nd YAG的17倍还大 在对Nd YLF晶体特性的研究中 D C Hanna研究组走在前沿 1998年 他们报道 了Nd YLF晶体上转换寿命碎灭和基态漂白 其后 又报道了Nd YLF晶体的激发态吸收和 能量上转换及其对晶体热透镜的影响 比较了有激光和无激光输出情况下的热透镜焦 距 还有T Chuand YGuyot和PJ Hardman也对这一问题进行了很详细的研究 1 2 2 Nd YLF激光器的发展情况 伴随着晶体激光特性的深入研究 Nd YLF激光的研究也在同时进行中 对1 0um激 光的研究主要有 1991年 Auerbach报道了端面泵浦输出1 053um 的微片Nd YLF激光 15 J E Balmer研究组对Nd YLF激光的开发做出了很多贡献 他们用倾斜腔镜的方法 获得低增益的1 053um波长 连续光的斜效率达到了47 1995年 胡文涛等用二极管 阵列侧面泵浦 获得了4 4mJ的1 047um 脉冲输出 11 1998年 D C Hanna研究组用两 个LD端面泵浦两块Nd YLF晶体 用减小掺杂浓度和增大泵浦体积的方法避免热应力断 裂 提高泵浦功率 连续光输出达到11W 同年 该小组用两个LD泵浦一块晶体 利用 法拉第旋转器 Faraday Rotator 实现单频1 053um输出10 3W 腔内LBO倍频 获得 6 2W的连续波绿光 12 1999年 R J D Miller报道了侧面泵浦两块晶体棒 连续25W 输出的1 053um激光器 13 2002年 罗亦明等用LD阵列环绕激光棒泵浦 获得了 1 053um lmJ的脉冲输出 2005年 端面泵浦的Nd YLF激光器 由于采用了片状晶体 增大了冷却面积 脉冲能量达到14mJ 脉宽8 5ns 峰值功率1 68MW 2003年 韦辉等报道了脉宽4ns 频率1Hz 2mJ的1 053um再生放大器 2004年 张 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 申金等报道了用两极双程放大系统实现了129mJ输出 能量提取效率达到了19 5 近 年来 不断有科研人员采用新技术来提高Nd YLF激光器的增益 效率和稳定度 可见光 紫外光激光器是全固态激光器的发展方向之一 Nd YLF晶体良好的热透 镜和热退变效应 使它在频率变换中易于实现稳定运转 2005年 MY Peng用双面LD 泵浦单块晶体 凹凸腔增大腔模体积 布儒斯特片选取偏振态 腔内LBO倍频连续绿光 输出达到了20 5W 2000年 CLEO报道了用18W的锁模Nd YLF基频光 4倍频得到4 2W的 263nm输出 Coherent公司生产的Nd YLF三倍频紫外光349nm 重复频率1kHz 平均功 率4W Photonics公司的Nd YLF四倍频紫外光263 nm 重复频率3kHz 平均功率 8W 1994年 J R Lincoln报道了两个LD泵浦两块晶体 腔内倍频 主动锁模的659mn 红光输出300mW 1 2 3 Nd YLF锁模激光器的研究现状 Nd YLF晶体的荧光线宽比较宽 可以实现皮秒量级的短脉冲激光 获得连续锁模 激光的主要技术手段是附加脉冲锁模 克尔 Kerr 透镜锁模和半导体可饱和吸收体 SESAM 锁模 目前 对Nd YLF的1 047um 1 053um 1 3131um 1 321um波长都已经 实现了连续锁模输出 比较典型的端面泵浦连续锁模Nd YLF激光运转有 1991年 克尔 透镜锁模的Nd YLF激光器脉宽就达到了6ps 1992年 U Keler研究组用量子阱结构的 反射镜实现了4ps的1 047um连续锁模输出 1993年 用抗法 拍可饱和吸收体 A FPSA 实 现了3 3ps的1 053um激光输出 1996年 用A FPSA对Nd YLF晶体1 3um 波长实现了 5 7ps连续锁模输出l30mW J E Balmer研究组用布拉格 Bragg 饱和吸收反射镜实现 了1 053um锁模 70ps 4ns脉宽可调谐 平均输出功率680mW 14 国际上 对SESAM被动锁模激光器的研究开始于90年代初 1992 年 U Keller 等在腔内引入 A FPSA 实现了 Nd YLF 自启动的被动锁模 脉 宽 3 3ps 但泵浦源为钛宝石激光器 16 1996年 R Fluck等人在Nd YLF和Nd YVO4的SESAM被动锁模激光器中 分别获得 了5 7ps和4 6ps超短脉冲 首次实现了1 3 m的输出光 17 2002年 K Finsterbus用Nd YLF再生放大器输出的1 053um 脉宽100ps 脉冲能 量2 5mJ 作为泵浦源 OPO腔的非线性介质为超晶格PPLN 实现了1 77um 2 06um空闲 光输出 然后用空闲光泵浦两块KTP晶体实现窄带宽的光参量放大 输出波长1 6um 3 1um 国内关于Nd YLF晶体的研究起步比较晚 直到20世纪90年代才有关于晶体生长和 激光特性的少量报道 本论文对全固态Nd YLF的激光特性进行较为系统的理论和实验 研究 为Nd YLF激光器的发展提供一些有用的实验依据和参考 1 2 4 皮秒激光器未来趋势综述 近些年超短脉冲技术有了突飞猛进的发展 主要体现在以下几方面 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 1 追求更窄的脉宽 随着对超短脉冲的日益需求 人们不断改进锁模方式 改善谐振腔结构 获得的 脉宽越来越窄 2 提高输出功率 目前 大功率连续SESAM锁模皮秒激光器单端输出超过5W 3 提高输出能量 典型的锁模振荡器输出能量只有几个nJ 因此 必须对其再放大 获取此高增益 的流行方案 就业几年来一直是使用再生放大器 4 向全固化和小型化发展 这主要是由于采用半导体激光器作为泵浦源 它具有其他泵浦方式不可比拟的优 点 体积小 效率高 寿命长 波长能同特定的增益介质吸收波长相匹配 利用它作 为泵浦源 可以做成全固化 体积小 效率高 成本低 稳定可靠 实用性强的超短 脉冲激光器 1 3 论文工作的主要内容和目的 1 通过调研 了解皮秒脉冲激光的科研价值 应用价值及其实现方法 给出半导 体泵浦Nd YLF晶体 SESAM锁模激光器的研究状况及发展方向进行了总结 概述了课题 的项目来源及立项意义 2 锁模理论 从锁模的基本原理出发 分析了SESAM锁模的基本原理 介绍了 SESAM的时间特性 宏观参数 结构类型及它们对锁模的影响 结合SESAM的特性及被 动锁模的原理 提出了SESAM锁模机理的初步模型 3 放大理论 从脉冲激光放大技术基本原理出发 分析了再生发大技术的基本原 理 利用再生发达技术对纳焦量级的皮秒脉冲激光进行有效稳定的放大 使输出脉冲 能量达到毫焦量级 4 实验研究 利用半导体可饱和吸收镜 SESAM 锁模可以实现稳定的小于 20 皮 秒的锁模激光脉冲输出 再通过再生放大技术 获得较大能量的超短皮秒激光脉冲的 输出 为研制皮秒脉冲激光器打下一个坚实的实验基础 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 第二章 基础理论及分析 6 本章首先介绍了锁模的基本原理 然后对SESAM锁模进行了理论分析 介绍了 SESAM的时间特性 宏观参数 结构类型及它们对锁模的影响 然后对激光脉冲再生放 大技术的原理进行了深入分析 理论分析为进一步的实验研究提供了有力的理论依据 最后简要介绍了实验中所用晶体Nd YLF的基本性质 2 1 锁模的基本原理及方法 对于非均匀加宽激光器 如不采取特殊选模措施 总是得到多纵模输出 并且 由于空间烧孔效应 均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模 下面先简要介绍未 经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性 对于腔长为L的激光器 其纵模的频率间 隔为 2 1 每个纵模输出的电场分量可用下式表示 2 2 Eq q q为第q个模式的振幅 角频率及初位相 在未锁模时 各个模式的振幅及 初相位均无确定关系 彼此之间互不相干 因而激光输出随时间的变化是它们的无规 则叠加的结果 是一种时间平均的统计值 故输出强度随时间无规则起伏 如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步 即把它们的相位相互 联系起来 使之有一确定的关系 那么激光器输出的将是脉宽极窄 峰值功率很高的光脉冲 这就是说 如果使各振荡模式的频率间隔保持一定 并具有 确定的相位关系 则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲 这种激光器叫做锁 模激光器 相应的技术称为 锁模技术 下面分析激光输出与相位锁定的关系 设腔内有q N N 1 0 N 1 N 共2N 1个纵模振荡 所有振荡模均具有相等的振幅E0 处在介质增益曲线中 心的模 其角频率为 初位相为0 模序数q 0 即以中心模作为参考 各相邻模的 0 初位相之差保持一定 称为相位锁定 相位差为 模角频率间隔为 即 则第q个振荡模为 2 3 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 式中q为腔内振荡纵模的序数 激光器输出总光场是2N 1个纵模相干的结果 利用三角函数关系 2 4 可得 2 5 2 6 由上式可知 2N 1 个振荡的模经过相位锁定以后 总的光场变为频率为的调幅波 0 振幅 A t 是一随时间变化的周期函数 光强 I t 正比于 A2 t 也是时间的函数 光 强受到调制 按傅里叶分析 总光场由 2N 1 个纵模频率组成 因此激光输出脉冲是包 括 2N 1 个纵模的光波 经分析可知 激光器多个纵模锁模的结果 出现了下列有意义的现象 激光器的输出是间隔为 T 2L c 的规则脉冲序列 可见锁模激光脉冲的周期 T 等于 光在腔内来回一次所需的时间 因此 可以把锁模激光器的工作过程形象地看作有一 个脉冲在腔内往返运动 每当脉冲行进到输出反射镜时 便有一个锁模脉冲输出 每个脉冲的宽度 即近似等于振荡线宽的倒数 因为振荡线 宽不会超过激光器净增益线宽 即工作物质的增益带宽决定了锁模脉冲宽度的下限 可见增益线宽愈宽 愈可能得到窄的锁模脉宽 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 输出脉冲的峰值功率正比于 而自由运转的激光器的平均功率正比 于 因此 由于锁模 峰值功率增大了 2N 1 倍 腔长越长 荧光线宽越 宽 则腔内振荡的纵模数目越多 锁模脉冲的峰值功率就越大 多模激光器相位锁定的结果 实现了 导致输出一个峰值功率高 脉冲宽度窄的序列脉冲 因此多纵模激光器锁模后 各振荡模发生功率耦合而不再独 立 每个模的功率应看作是所有振荡模提供的 实现锁模的方法有多种 最主要的包括主动锁模 被动锁模和自锁模等 根据本 实验的实际需要 下面主要介绍 SESAM 锁模的机理 2 2 SESAM锁模机理 2 随着半导体外延技术的不断发展 以及半导体材料在很宽的范围内都具有可变的 吸收带 半导体可饱和吸收器成为最具潜力的锁模器件 这种半导体可饱和吸收体可 以用外延法直接生长在半导体布拉格反射镜上 因此被叫做半导体可饱和吸收反射镜 Semiconductor Saturable Absorber Mirror 简称SESAM 近年来 这种反射镜得 到了非常迅速的发展和应用 2 2 1 半导体可饱和吸收体 2 2 1 1半导体可饱和吸收体的能带 和所有固体一样 半导体也有吸收 其吸收系数一般在104 cm 吸收波长取决于 能带间隔 即禁带宽度 以III V族化合物半导体为例 吸收带一般在可见光和近红外 波段 比如常用的砷化镓 GaAs 的禁带宽度Eg 1 423eV 对应于870nm 砷化铝 AlAs 的禁带宽度Eg更高 为2 13eV 透明段波长可短至570nm 为了适应各种吸收波长的需 要 常常要用三元化合物半导体 如砷化镓铝 AlGaAs 砷化铟镓 InGaAs 砷化铟 铝 InAlAs 等 因为InAs的禁带宽度只有0 356eV 所以常用它与Ga或Al来调节三元化 合物半导体的禁带宽度 因此这种化合物常常写成InxGa1 xAs InxAl1 xAs和AlxGa1 xAs 等 x表示该组分的含量 三元化合物半导体的禁带宽度可用经验公式来计算 例如对于没有应变的In Ga As 其禁带宽度可以用二次曲线来拟合 写成 2 31 可见改变In的含量就可以把InGa1 xAs禁带宽度在 0 356 1 34eV之间调节 2 2 1 2 半导体的能带与晶格常数 由于半导体可饱和吸收体一般是用外延法生长在半导体基板上的 基板的晶格常 数与要生长的半导体化合物的晶格常数原则上应该相同 晶格常数可以由X 射线衍射 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 法测得 精确度可达 0 0001nm 组分的配比可由X 射线荧光法测得 精确度也可达 0 005 表2 1列出了几种常见的半导体基片的晶格常数及禁带宽度 由表可见 GaAs与AlAs的晶格常数基本上是匹配的 由于它们的折射率不同 常用这两种晶体交 叉生长而形成所谓布拉格反射镜 如前所述 改变三元化合物半导体中两种组分的配比可以改变其能带宽度 但这 个改变不是任意的 要受衬底晶格常数的制约 实际上可供选择的与衬底的晶格常数 相同的配比并不多 晶格常数与衬底有一定差别也可能生长在衬底上 例如三元化合 物半导体InxGa1 xAs可以生长在GaAs上 由于晶格常数不一致 会在生长层上造成一定 应变 strain 应变可分为压缩型和扩张型 无论那种类型的应变都会影响禁带宽度 另外 在存在应变的情况下 InxGa1 xAs吸收层的厚度有一个限制 即所谓临界厚度 超过了这个厚度 缺陷和位错就会产生 从而增加非饱和吸收损耗 这个厚度与铟的 配比有关 2 2 1 3 半导体的能带与量子阱 当吸收体薄到一定程度并被加在高禁带宽度的材料中间 就变成了所谓量子阱 在设计半导体可饱和吸收体时 根据吸收能量的大小 可以采用体吸收或采用量子阱 结构 对于利用克尔效应锁模的激光器 仅仅需要百分之零点几至百分之几的吸收 所以可饱和吸收体的厚度只需要几个纳米 另一方面 在波长大于860nm的吸收区 需 要加入铟来降低禁带宽度 即必须采用三元化合物InxGa1 xAs 如上一节所述 这种三 元化合物如果生长在GaAs AlAs布拉格反射镜衬底上 就会发生晶格不匹配的问题 为 了减少晶格不匹配造成的缺陷 InxGa1 xAs的厚度必须控制在临界厚度以下 自然形成 量子阱 量子阱的禁带宽度不仅取决于半导体材料本身的禁带宽度 而且和量子阱的 宽度有关 例如前述的In0 53Ga0 47As 在铟的含量一定的情况下 改变量子阱的厚度可 以把吸收边在1 1 m 至1 6 m之间调节 如果单个量子阱的吸收能量不够 可以采用 多量子阱 2 2 2 1半导体可饱和吸收镜的基本结构和时间特性 半导体可饱和吸收镜 Semiconductor saturable absorber mirror 简写 SESAM 是指将半导体可饱和吸收体与反射镜结合在一起的一种锁模元件 结构示意图如下图 2 1 它包含两个半导体组成部分 一是可饱和吸收层 InGaAs 等 利用半导体的禁 带宽度对激光进行有选择的吸收 二是衬底上的 Bragg 层 它对激光提供高的反射以 减少腔内损耗 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 SESAM 之所以可以启动锁模 从电子跃迁的过程来看主要在于其独特的时间特性 一般来说半导体的吸收有两个特征迟豫时间 见图 2 2 一是带内子带之间的热化时间 Intraband thermalization 另一个时间是带间载流子跃迁和复合时间 Interband transition 带内热化是激发到导带的电子向子带跃迁的物理过程 这个时间很短 一般在 100 200fs 左右 其主要作用是维持和稳定飞秒脉冲 而带间跃迁是电子从导 带向价带的跃迁 这个时间相对较长 而且随不同的生长条件而变化 一般在 ps 到 ns 量级 它的主要作用是启动飞秒锁模或者产生皮秒量级甚至更长脉宽的脉冲 带内热 化过程的时间虽然很难控制 但可以通过在不同温度下生长半导体可饱和吸收体来控 制带间的跃迁时间 以满足不同锁模激光器对实现 SESAM 的可饱和吸收作用的要求 2 2 3半导体可饱和吸收反射镜的宏观特性 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 由于半导体可饱和吸收体有以上特性 所以可以做成用于启动锁模的可饱和吸收 反射镜 可饱和吸收反射镜的宏观特性主要有调制深度 R 非饱和损耗 Rns 饱和 通量Fsat 饱和光强Isat以及脉冲响应时间或饱和恢复时间 这些特性决定了被动锁 模激光器的特性 调制深度是指当脉冲通量远大于饱和吸收通量时反射率的变化 吸收振幅损耗系 数 q0 定义为非饱和损耗是指在上述条件 下仍然存在的损耗 其中包括底层反射镜反射率不足 部 粗糙造成的散射损耗 缺陷 和杂质的吸收损耗以及非 线性吸收等 饱和通量 Fsat 定义为 h 是光子能量 A是吸收截面 考虑到膜中的驻波效应 增加了因子 2 半导体材料 的吸收系数是 ND 是吸收原子的密度 例如半导体的态密度 饱和光强 Isat 是 A是吸收恢复时间 无论 Fsat还是 A均需由标准的泵浦 探针法实验测定 若定义未饱和时的反射率为R0 那么当通量为Fp的脉冲入射到可饱和吸收反射 镜以后 其反射率变为 而脉冲本身所经历的反射率为 其中 从唯象 知其然不知其所以然的科学理论 的观点看 可以用实验数据拟合 以上两式 以获得 Fsat 调制深度 Rns 等参数 2 2 4激光器参数与半导体可饱和吸收反射镜宏观特性的关系 1 饱和吸收恢复时间的影响 半导体可饱和吸收体有两个特征时间 即带内热平衡时间和带间跃迁时间 带内 热平衡时间约为 100 200fs 而带间跃迁时间约数皮秒至数纳秒 取决于半导体生长参 数 特别是温度 在长脉冲 皮秒 应用中 脉冲宽度取决于带间跃迁时间 如果这个 时间过长 加上过长的增益介质上能级寿命 很容易出现自调 Q 而在飞秒脉冲应用中 我们是利用克尔透镜锁模 半导体可饱和吸收体只是锁模启动器 所以我们只利用带 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 内热平衡时间 而对它的恢复时间的要求并不太苛刻 2 调制深度与非饱和损耗 根据锁模理论知 脉冲宽度 tp 与可饱和吸收反射镜的调制深度成反比 指数 因锁模理论而异 深度调制可以获得更短的脉冲 同时缓和对自启动的要求 但是并不是越深越好 调制深度的上限是自调 Q 现象的发生 而且深度调制往往带来 过大的非饱和损耗 对于理想的可饱和吸收器 在完全饱和的情况下 可能得到的最 短脉冲由下式表示 其中 g 是腔内单程饱和振幅增益系数 g 是用弧度表示的激光介质增益的半光谱宽度 2 2 5半导体可饱和吸收反射镜的类型 半导体可饱和吸收反射镜的基本结构就是把反射镜与吸收体结合在一起 为了调 节吸收体的调制深度以及反射镜的带宽 可以设计吸收层的厚度以及上下反射镜的不 同反射率 据此 将 SESAM 分为法布里 珀罗型 布拉格型 无谐振型以及超宽带型 1 反谐振法布里 珀罗型 半导体可饱和吸收反射镜中 可饱和吸收体是生长在半导体反射镜上的一层薄膜 这层薄膜上还可能生长一层反射镜 即使不再镀膜 半导体与空气界面本身也有很大 的反射 这两个反射镜就形成了一个法布里 珀罗腔 整个镜的反射率是由两个反射镜 和中间的可饱和吸收体决定 遵从含吸收的法布里 珀罗标准具的计算公式 rb和rt分别是底面和顶面的反射系数 exp 2 l 是吸收因子 是总的位相 2 40 b和 t分别是底面和顶面的反射系数的位相部分 k是波数 n是中间夹层的折射率 d是夹层厚度即两镜间隔 由此式可见 若要得到宽带高反射率的法布里 珀罗 需令 2 41 此式即为反谐振法布里 珀罗 anti resonance Fabry Perot 条件 为了保证最大的反 意射带宽 应选择最薄的d 须注两个反射面的位相 b和 t必须考虑进去 特别是在 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 光从光密介质到光疏介质的界面反射时 光波的位相要经历一个 的突变 即所谓半 波损失 例如一层厚度为d 的InGaAl长在GaAs基片上 光在InGaAl GaAs界面的反射则 有 的相变 即 b 而光在从空气到InGaAl的反射则没有半波损失 即 t 0 这 样这层反谐振法布里 珀罗的厚度就应是dmn 2 还要注意 在有吸收的介质界面 上 比如介质与金属界面上 b或 t不一定是0或 从镀膜的观点看 如果不考虑 吸收 半波长层对反射率没有影响 需要注意的是 半波长层中 纯吸收层的厚度不 一定是半波长 很可能只是几个纳米厚的薄层 而其他部分是晶格匹配的透明缓冲层 构成量子阱 高精细度反谐振法布里 珀罗可饱和吸收镜 精细度是衡量法布里 珀罗光谱仪分辨率的量 两个镜面的反射率越高 精细度就 越高 而且反射的带宽也越宽 所谓高精细度反谐振法布里 珀罗可饱和吸收镜 就是 把可饱和吸收体夹在两个高反射镜之间 例如图 2 3a 所示 上镜的反射率是 95 下镜的反射率是 98 中间夹有多层 50 60 层 可饱和吸收量子阱 这样的反射镜的 可饱和及非饱和反射率都很小 分别为 R 0 5 低精细度反谐振法布里 珀罗可饱和吸收镜 与高精细度反谐振法布里 珀罗可饱和吸收镜相对的是低精细度反谐振法布里 珀 罗可饱和吸收镜 所谓低精细度SESAM 实际上是在半导体可饱和吸收体上不做任何处 理 此时的反射面是半导体和空气的界面 反射率一般为30 左右 实际上 精细度只 是在利用谐振的情况下才考虑 而我们只利用反谐振特性 所以精细度对反射带宽并 无太大影响 低精细度SESAM中 由可饱和吸收造成的调制深度比较大 而且载流子寿 命比高精细度的短 因此不需要多层量子阱 通常 10 30nm 厚的吸收层可以满足调制 深度的需要 例如图 2 3b 所示的低精细度反谐振法布里 珀罗可饱和吸收镜 其可饱 和及非饱和反射率都很大 分别为 R 37 Rns 49 2 可饱和布拉格吸收镜 SBR 布拉格型是指包含吸收体的膜层的厚度不是半波长 而是四分之一波长 包含吸 收体的膜层可以放在半导体布拉格反射镜的任何位置 以调节调制深度等参数 为了 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 把吸收体放在最大电场位置 膜厚也可用四分之一波长的奇数倍 注意厚膜会导致带宽 变窄 有人把它归入低精细度法布里 珀罗可饱和吸收镜一类 3 无谐振型可饱和吸收镜 无谐振型可饱和吸收镜就是在半导体与空气界面上再加上一层增透膜 这样法布 里 珀罗效应就完全消失了 图 2 3c 可以获得最大的调制深度和最短的载流子寿命 同时 为了获得同样的调制深度 吸收层可以做得更薄 当然作为反射镜 它的反射 率更低 即非饱和损耗增大 Rns 3 7 它的另一个主要用途是用来测量饱和能量 4 宽带可饱和吸收镜 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 这 个带宽限制了可以得到的脉冲宽度 例如要从钛宝石激光器中得到10fs以下的脉宽 反射镜的带宽须在200nm以上 而InAlAs InGaAs布拉格反射镜的带宽通常只有几十纳 米 为克服这个缺点 凯勒领导的研究小组设法用金属反射镜代替半导体反射镜 而 吸收体还是半导体 图2 4是这样做成的反射的截面图 具体制作方法是先在半导体基 片上生长一层 2 厚包括吸收体的薄膜 之上蒸镀一层银膜 用环氧树脂把有银的一 面粘到一个硅衬底上 然后再把半导体基片刻蚀掉 镀银镜的反射带宽远远大于半导 体布拉格反射镜的带宽 宽带可饱和吸收镜有很多实际优点 1 大大节省半导体生长时间 布拉格反射镜 的生长时间非常长 需要十几个甚至几十个小时 而成本是按照生长时间计算的 而 且生长时间越长 膜层厚度漂移的可能性就越大 用金属膜做反射镜的可饱和吸收镜 半导体本身的膜层厚度只有几百纳米 生长时间包括准备时间只有几个小时 这样可 以大大减少成本 2 对膜层厚度的要求不苛刻 由于是宽带 膜层厚度的漂移引起的 反射带域的漂移不会对整体反射带有太大的影响 但是镀银镜的反射率在94 左右 远 小于一般布拉格反射镜的反射率 这对钛宝石激光器来说 也许不太重要 但是对于 增益比较小的介质 Cr LiSAF Cr forsterite Cr YAG等 这个插入损耗实在是太大 了 那么为什么反射率会这么低呢 原因可能有两个 一是金属本来就有吸收 而且 其反射率还取决于表面状态 二是半导体与金银等金属的结合力很弱 也影响反射率 Q 另一种高反射率宽带设计是氟化物与半导体混合反射镜 金属氟化物例如氟化钠 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 氟化钙或氟化镁的晶格常数与半导体近似 可以用分子束外延法与III V族半导体混合 生长 由于氟化物有着很低的折射率 1 5左右 与半导体的折射率差很大 所以带宽 可以做得非常宽 例如这种反射镜的反射率在1 1 m至1 7 m区间内保持 99 对 于以800nm为中心的波长域 可采用氟化钙 砷化镓铝构成反射镜 它们均不需要刻蚀 等后加工 但是氟化钙极易风化潮解 所以这种结构很不实用 以上介绍的宽带可饱 和吸收镜属于低精细度型 当然也可以做成高精细度或无谐振型 以上几种基本结构各有优缺点 表2 2总结了各种类型可饱和吸收镜的调制深度 非饱和损耗 带内热平衡时间 带间跃迁时间及饱和通量等参数 高精细度镜的反射 率很高 反射带平坦 但是因为耦合入的能量低 需要较强的光使其饱和 低精细度 镜的总反射率低一些 但耦合到可饱和吸收体中的入射能量很高 易于饱和 无谐振 型完全除去了法布里 珀罗效应 可以增加调制深度 同时带来反射率的降低 布拉格 反射镜型与低精细度镜类似 未列入表 5 低损耗宽带可饱和吸收镜 随着对窄脉冲的要求越来越高 非常需要宽带低损耗可饱和吸收镜 见图2 5 如何提高金属膜SESAM的反射率呢 计算证明 适当选择膜层结构及膜层厚度 整个可 饱和吸收镜的反射率可以高于金属本身的反射率 例如对于1 3 m波长的反射而言 在金膜上先镀一层二氧化硅 SiO2 再长一层四分之一波长InAlAs 暂不包括InGaAs 吸收体 计算出的反射率可达98 这是因为二氧化硅隔离了金属与半导体 同时二 氧化硅与砷化铟铝的折射率差很大 形成了一个高反射膜 这里关键论以推导出一个 二氧化硅膜厚度计算公式 其中nm是金属的折射率的实部 k是金属折射率的虚部 nd是介质膜的折射率 这里是 二氧化硅 但是二氧化硅与金属的结合力很低 很容易脱落 有文献说 三氧化二铝 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 Al2O3 与银的结合力相当强 因此也可以用Al2O3代替SiO2 虽然 Al2O3的折射率比SiO2 略高 并不影响器件的总体反射率 2 2 6 SESAM锁模机理分析 SESAM锁模脉冲形成的物理过程可大致分为两个阶段 1 自启动阶段 开始时自发辐射的荧光以及达到阈值所产生的具有随机相位关系的激光纵模之间 的干涉 导致初始激光脉冲光强度的起伏 脉冲总量很大 当振荡光I0垂直地照射 SESAM时 参见图2 3 将有部分光能量Ic进入半导体可饱和吸收体 不同类型的 SESAM具有不同的反射率 此时半导体内带间跃迁发挥主要作用 对不同强度的光表 现出不同的吸收特性 对强脉冲吸收得少而对弱脉冲吸收得多 从而使从SESAM出来的 光脉冲的强度差更大 然后与顶层反射的光脉冲I1叠加实现对脉冲的调制 而普通的 可饱和吸收体不存在干涉调制 只有吸收调制 脉冲的选择能力较差 光脉冲经过 SESAM吸收和激光增益介质线性放大的联合作用 对振荡的脉冲序列进行有效的选择 2 锁模形成阶段 经过自启动阶段选出的种子脉冲到达SESAM的顶层镀膜处 它的部分光能量进入 SESAM对可饱和吸收体进行作用 在锁模阶段 起主要作用的是SESAM的带内热平衡时 间特性 这一时间特性得以表现的前提是入射光脉冲要足够强 能够对半导体可饱和 吸收体进行漂白 这样在带内热平衡时间内带间跃迁将可以忽略 而前面提到的种子 脉冲是可以达到这一要求 这种漂白特性与普通的可饱和吸收体没有本质的区别 只 是响应时间更短 在带内热平衡时间特性起主要作用与带间跃迁时间特性起主要作用 这两种情况下 SESAM的非线性吸收有较大差别 对于前者来说 首先其响应时间更短 可以有效压缩脉宽 其次非饱和损耗更少 经过非线性吸收的脉冲被SESAM底层反射 回去 与在顶层镜面处反射的脉冲进行干涉叠加 从而实现振幅和相位的同时调制 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 调制后的强脉冲经过增益介质时的损耗 使增益下降 脉冲后沿放大的少 甚至得不 到放大 其结果使前后沿变陡 脉冲变窄 小脉冲几乎完全被抑制 从而输出一系列 强度高脉宽窄的脉冲序 2 3 激光放大技术 6 2 3 1 脉冲放大器理论 2 3 1 1 脉冲强度放大理论 设激光放大器工作物质的长度为 L 光信号脉冲沿着 x 方向入射激光工作物质 如 图 2 6 所示 由于光信号在行进过程中不断被放大 而反转粒子数不断被消耗 所以 单位体积中的光子数和反转粒子数密度都是时间 t 和空间 x 的函数 分别以 x t 和 n x t 表示 图 2 6 放大过程示意图 在单位时间内流过单位横截面积的光子