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文檔簡介
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(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)SESAM進(jìn)行合理設(shè)計(jì),及對(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)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(shí),SESAM損傷率降低,但激光光斑尺寸
4、增大的同時(shí)也會(huì)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(duì)比了表面介質(zhì)保護(hù)層數(shù)對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)影響SESAM微觀特性的幾個(gè)關(guān)鍵因素。
通過泵浦-探測實(shí)驗(yàn)測量了幾個(gè)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(shí)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—?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)特性,即SESAM反射率隨延遲時(shí)間的變化,所觀察的SESAM的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間可分為三個(gè)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(shí)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(duì)
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(duì)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(duì)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(duì)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(shí),雖然SESAM的損傷幾率可以降低,但同時(shí)超快激光器的穩(wěn)定性也會(huì)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(duì)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(gè)周期SiO2/Ti2O5介質(zhì)層時(shí),照射到SESAM第—個(gè)量子阱吸收層上的光功率為降低為小于原來的50%。同時(shí)鍍制介質(zhì)保護(hù)層后的SESAM和原來一樣不會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)直接影響其對(duì)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生非線性變化,當(dāng)入射光能量密度極高(>1400μJ/cm2)時(shí)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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