[激光原理与应用-206]：光学器件 - SESAM - 基本结构与工作原理
在激光器中，SESAM（半导体可饱和吸收镜）是一种用于激光锁模的关键光学器件，通过结合半导体可饱和吸收体与反射镜，实现超短脉冲激光输出。以下是对SESAM的详细介绍：
一、SESAM的核心结构
SESAM由半导体可饱和吸收体与反射镜复合构成，形成法布里-珀罗腔结构。其底层为半导体布拉格反射镜，上层生长可饱和吸收薄膜（如量子阱结构），最外层可能附加反射层或利用半导体-空气界面反射。通过调节吸收体厚度和反射率，可精准控制调制深度与带宽。
二、SESAM的工作原理
SESAM利用半导体材料的非线性吸收特性实现锁模：
- 饱和吸收效应：当激光入射时，低光强下吸收体对光吸收较强；随着光强增大，吸收作用减弱，达到饱和阈值后光全部透过。
- 脉冲窄化机制：在激光谐振腔内，SESAM对高能量脉冲提供高反射率，使其放大并占据主导；对低能量脉冲提供低反射率，使其逐渐损耗。通过反复循环，脉冲宽度被压缩，最终形成超短脉冲激光输出。
三、SESAM的关键性能参数
- 波长范围：覆盖800nm至3.2μm（以德国BATOP公司产品为例），适用于不同波段的激光器。
- 弛豫时间：
- 带内热平衡：100-200fs，负责脉冲压缩和锁模稳定性。
- 带间跃迁：几ps至几百ps，提供锁模自启动机制。
- 调制深度：影响激光器的锁模阈值和输出稳定性。
- 损伤阈值：决定SESAM能承受的最大光功率，影响激光器的可靠性。
- 能量饱和密度：反映SESAM的储能能力，影响脉冲能量输出。
四、SESAM在激光器中的应用
- 飞秒/皮秒激光器：SESAM是实现被动锁模的核心元件，通过其带间跃迁特性确保锁模自启动，带内热平衡缩短脉冲宽度并维持稳定性。例如，在光纤激光器中，SESAM可通过封装为裸片、光纤尾端或水冷模块等形式集成。
- 调Q激光器：当SESAM的调制深度较大时，可作为调Q器件使用，实现高能量脉冲输出。
- 自锁模激光器辅助启动：SESAM可辅助自锁模激光器启动，广泛应用于飞秒脉冲产生。
五、SESAM的优势与局限性
- 优势：
- 结构简单：SESAM可作为激光谐振腔中的反射镜使用，简化了激光器设计。
- 性能稳定：半导体材料具有高损伤阈值和良好的热稳定性，适用于高功率激光器。
- 波长可调：通过选择不同材料、掺杂浓度和吸收层厚度，可控制中心波长。
- 局限性：
- 成本较高：SESAM的制造工艺复杂，尤其是高性能产品价格昂贵。
- 设计难度大：SESAM的参数（如饱和通量、调制深度等）需精确设计，以满足不同激光器的需求。
六、SESAM的典型应用场景
- 工业加工：SESAM锁模激光器用于手机玻璃切割、液晶面板打孔、柔性线路板切割等精密加工领域。
- 医疗领域：飞秒激光器用于近视眼矫正手术，具有精度高、恢复快等优点。
- 科学研究：SESAM锁模激光器为超快光谱学、非线性光学等研究提供稳定、高能量的超短脉冲光源。
七、激光器中的SESAM换点
在激光器中，SESAM（半导体可饱和吸收体）的换点主要涉及通过技术手段更换SESAM的工作点，以延长其使用寿命、降低成本并提高激光器性能。以下是关于SESAM换点的详细解释：
1、SESAM换点的背景与意义
SESAM作为激光锁模的核心元件，在长时间运行后，其工作点可能会因激光脉冲的持续照射而受损，导致性能下降。由于SESAM的工作面积通常大于光脉冲损伤面积，因此通过更换SESAM的工作点，可以避开受损区域，从而延长SESAM的使用寿命。
2、SESAM换点的技术实现
基于多芯光纤扇入扇出模块和光开关的SESAM换点装置：
- 该装置包括多芯光纤扇入扇出模块、光开关和半导体可饱和吸收镜。
- 由外部光纤激光系统激发激光进入光开关，激光经由光开关从扇入端选择一个单模光纤进入多芯光纤扇入扇出模块。
- 多芯光纤扇入扇出模块将激光从扇出端的多芯光纤中的一个纤芯导入半导体可饱和吸收镜上对应的工作点。
- 1×N光开关可以通过计算机操作选择SESAM合适的工作点，实现SESAM工作点的快速更换。
利用位置调整机构对SESAM和SESAM前反射镜的反射角度进行调节：
- 每次更换工作点只需要SESAM转动第一角度和SESAM前反射镜转动第二角度即可。
- 操作简单、不需要打开激光器就可实现SESAM工作点的更换，保证激光器内部器件的洁净度。
3、SESAM换点的优势
- 延长SESAM使用寿命：通过更换SESAM的工作点，可以避开受损区域，从而显著延长SESAM的使用寿命。
- 降低成本：SESAM是激光器中的核心元件之一，其成本较高。通过换点技术，可以减少SESAM的更换频率，从而降低激光器的运行成本。
- 提高激光器性能：SESAM的性能直接影响激光器的输出性能。通过换点技术，可以确保SESAM始终工作在最佳状态，从而提高激光器的输出性能和稳定性。
八、技术指标
在激光器中，SESAM（半导体可饱和吸收体）的关键性能指标包括调制深度、损伤阈值、饱和通量、恢复时间、非饱和损耗、弛豫时间、中心波长与高反射带宽，这些指标直接影响激光器的锁模性能、输出稳定性及使用寿命。以下是对这些指标的详细解释：
- 调制深度（ΔR）：
- 定义：SESAM吸收率的变化量，即未饱和吸收与饱和吸收之间的差值。
- 影响：调制深度越大，锁模越容易实现，脉宽越窄。但过大的调制深度会导致吸收过多、非饱和损耗过大，降低SESAM的损伤阈值。脉宽越窄，单脉冲的能量密度越大。
- 损伤阈值：
- 定义：SESAM能够承受的最大光功率密度或能量密度，超过此值会导致器件永久性损坏。
- 影响：损伤阈值越高，SESAM的抗损伤能力越强，使用寿命越长。在保证正常锁模的情况下，损伤阈值越高越好。
- 饱和通量（Fsat）：
- 定义：SESAM达到饱和吸收时所需的光通量，即单位面积上的光能量。在到到饱和通量前，激光器是没有发光，是空闲状态，不出光，一旦达到饱和状态，激光器导通，激光器出光，形成脉冲！！！
- 影响：低饱和通量使锁模更易于实现，但过低的饱和通量可能导致SESAM在低功率下即达到饱和，限制激光器的输出功率。
- 恢复时间（驰豫时间）：
- 定义：SESAM从饱和状态恢复到未饱和状态所需的时间，分为带内热平衡弛豫时间（100-200 fs）和带间跃迁弛豫时间（几ps至几百ps）。
- 影响：带内热平衡弛豫时间决定脉冲压缩能力，带间跃迁弛豫时间决定锁模自启动能力。恢复时间越短，激光器的重复频率上限越高。
- 非饱和损耗（Ans）：
- 定义：SESAM在饱和状态下仍存在的吸收损耗。
- 影响：非饱和损耗越小，SESAM的能量效率越高，输出功率越大。
- 中心波长与高反射带宽：
- 定义：SESAM的高反射中心波长及其反射带宽范围。
- 影响：中心波长需与激光器的工作波长匹配，高反射带宽越宽，SESAM对波长漂移的容忍度越高，激光器的稳定性越好。
九、什么是SESAM锁模?
SESAM锁模是一种利用半导体可饱和吸收体（SESAM）实现激光脉冲压缩和稳定输出的技术，广泛应用于超快激光器（如飞秒、皮秒激光器）中。以下是其核心原理、关键组件、工作过程及技术优势的详细解释：
1、核心原理
SESAM锁模基于半导体材料的非线性吸收特性：
- 低光强时：SESAM对光吸收强（暂时存储能量），透过率低（不发光），表现为高损耗。
- 高光强时：SESAM被“漂白”，吸收减弱，透过率增至接近100%（发光），表现为低损耗。
- 锁模机制：在激光谐振腔中，SESAM对高能量脉冲提供高反射率（使其放大），对低能量脉冲提供低反射率（使其损耗）。通过反复循环，脉冲宽度被压缩，最终形成超短脉冲激光输出（皮秒或飞秒量级）。形成输出稳定周期、稳定脉冲长度的光信号的状态，就是锁模。
2、关键组件
- SESAM器件：
- 结构：由半导体布拉格反射镜（底层）、可饱和吸收层（如InGaAs量子阱）和顶层反射镜（或半导体-空气界面）组成，形成法布里-珀罗腔。
- 功能：提供可饱和吸收效应，实现脉冲选择与压缩。
- 激光谐振腔：
- 包含SESAM、增益介质（如掺镱光纤、钛宝石晶体）和输出耦合镜等。
- SESAM通常作为端镜或插入腔内，与增益介质共同构成反馈回路。
3、工作过程
- 初始噪声脉冲：激光谐振腔内自发辐射产生随机噪声脉冲。
- 脉冲选择：SESAM对高能量脉冲提供高反射率，使其优先通过并放大；低能量脉冲被损耗。
- 脉冲压缩：高能量脉冲在腔内多次往返时，SESAM的饱和效应使其脉宽逐渐压缩。
- 稳定锁模：当脉冲能量达到阈值时，SESAM的弛豫时间（带内热平衡和带间跃迁）确保脉冲稳定，形成连续锁模输出。
4、技术优势
- 结构简单：SESAM可集成为激光谐振腔镜的一端，无需复杂调制器件。
- 性能稳定：
- 高损伤阈值：典型值达300 MW/cm²，适用于高功率应用。
- 宽波长范围：覆盖800 nm至3.2 μm，满足多种激光波段需求。
- 自启动能力：SESAM的带间跃迁弛豫时间提供锁模自启动机制，无需外部触发。
- 商业化成熟：SESAM是目前市场主流的可饱和吸收体，占据被动锁模激光器核心地位。