半导体可饱和吸收镜（二）在线视频

了解了一下半导体的基本的概念以后

这个半导体

是怎么长出来的呢

就刚才那个大的那个片子

是怎么长出来的

有两种方法

一种用的是叫分子束外延法叫MBE

叫Molecular Beam Epitaxy

取第一个字母叫MBE法

这个它的特点呢

它用的源是一个固体源

因此它可以使得薄层的厚度

就是它可以涉及到这个

最后长出来厚度呢

大概是在纳米的数量级

可以做精确控制

但是它的缺点呢

就是它长的量比较小

一般的来说长1到3片

现在可能有的长得也比较多了

但是也只是几片的数量级

它还有一个特点

就是它的衬底的温度可以做的比较低

大概是在200度左右

还有一种生长方法呢叫MOCVD法

叫做金属有机化学气相沉积法

叫Metal organic chemical vapor deposition

它的特点呢是气体源

因此呢就是气体流过衬底的时候

介质就会跟衬底结合

这样子它就可以

一次做很做很多片

适合于大规模的生产

它还有一个特点

就是它的这个衬底的温度

主要的比较高一般是大于500度的

这个是半导体的生长方法

这个是一个分子束外延的

一个实际装置的照片儿

长半导体

这个就不讲它了

好长出来的半导体材料

就是刚才说的有一个衬底层

然后有一个DBR反射层

还有一个可饱和吸收区

另外上面还有一个帽层

这个长出来的

这个SESAM有什么宏观特性呢

拿它来怎么用

拿它来怎么用

就要知道它的宏观特性

这个宏观特性呢

有这几个量就是一个叫调制深度

一个叫非饱和损耗

一个是饱和通量

一个是饱和光强

还有一个就是脉冲响应时间

或者叫饱和恢复时间

这些宏观特性决定了

被动锁模脉冲激光器的特性

左边这个图呢

就是它的可饱和吸收曲线

大家看一下就是这个曲线呢

它是一个非线性的

横轴对应的是入射脉冲的

脉冲光通量

纵轴对应的是反射率

因为可饱和吸收镜是

光是把它打进去然后再反射回来

当做一个反射镜用来的

因此给的是反射率

从这个曲线中呢

大家看一下

就是刚才说的有几个宏观特性

一个是当这个入射光脉冲的通量

比较小的时候

它的反射率是比较低的

最左边这一端

然后随着入射光通量的增加

它的透过率逐渐逐渐增加

在涨到一定程度之后呢

就不变了

就刚才说的饱和了这个时候

这个介质对于入射的光不再吸收

它的这个反射率就达到了最大值

反射率达到最大值

这个最小值和

这个最大值之间的这个差

就叫做调制深度

就是说这个反射率是可以调的

可以从一个低反射率调到一个高反射率

它是可以通过入射的光强

或叫入射的光脉冲的通量来调节

因此管它就叫调制深度

这个是一个很关键的一个特性

在这个可饱和吸收体这个饱和了以后

大家看这个饱和的

个反射率不是百分之百

在这个图中大概是在96%左右

再往上那一部分呢叫做非饱和损耗

这个损耗就来自于各种损耗

这个是没有用的

希望它这个损耗越小越好

还有一个特征参量呢

当这个从低反射率

到高反射率反射的这个过渡的过程中

其中定义某一个参量

就是在这个参量之后

就认为这个材料饱和了

在这个参量之下就认为它没饱和

这个值对应的就是饱和通量

在这个图中

就是给的这个

虚线部分的这个饱和通量

这个饱和通量就是由几种不同的定义方式

有的是说比方说降到这个

总的饱和反射率

90%的时候定义一个值

有的是降到一半的时候

定义为饱和通量

也有的定义为

是它这条曲线的这个斜率

最大的那个点作为饱和通量

所以这个大家读论文的时候

要注意一下这个问题

不管怎么说呢

这个饱和通量描述的是这个

材料开始饱和时候的那个特性

饱和通量大

说明这个饱和速度快

饱和通量小

说明这个慢慢慢慢的它才能饱和

这是几个特征材料

对应的饱和通量呢

有时候用饱和光强来表示

所以这个横轴有时候也用饱和光强

来表示

另外呢就是这个恢复时间的问题

大家知道这个脉冲它如果

对于进来这个时候

如果这个材料它的恢复时间快

就说明脉宽就可以做的比较短

如果这个恢复时间慢呢

那第二个脉冲都来了

就恢复时间还没恢复过来就不能用了

所以这个恢复时间

也是一个很关键的一个参量

我们总结一下呢

就是这个调制深度

就是它的定义是当脉冲的通量

远大于饱和吸收通量时的

那个反射率的变化

就叫做调制深度

就刚才说的那个最低

和最高端之间的这个

变化量叫调制深度

非饱和损耗呢

就是除了可饱和吸收损耗以外的

就是那些没用的损耗

就叫非饱和损耗

包括什么呢

包括底层的反射镜反射率不足

包括这个表面粗糙造成的散射损耗

还包括这个材料里头的缺陷和杂质的

这个吸收损耗以及非线性损耗等

还有就是饱和通量

饱和通量定义为

这个上面hν是光子的能量

下面这个σA呢是吸收截面

饱和光强跟饱和通量的关系

也是差一个恢复时间

最后给一个饱和吸收恢复时间

饱和吸收恢复时间

有两个时间

一个是带内热平衡造成的

这个快速响应时间

还有一个是带间跃迁造成的慢响应时间

通常来说这两个时间呢

都有用

对于这个带间跃迁的这个慢恢复时间

一般的来说是

产生自调Q脉冲的这个原因

而这个对于快饱和时间

如果在这个

固体锁模激光器

就是克尔锁模激光器中

其实它呢

只是起一个自启动元件

它不影响脉冲输出特性

但是如果拿它当做一个可调制器

来做这个元件的话

它就影响脉冲输出特性了

所以这个前面讲这个

传统孤子锁模

传统孤子锁模就是

比方说钛宝石激光器锁模

就是传统孤子锁模

它里头也会有可饱和吸收元件

但是知道那个方程中

是跟可饱和吸收是没关系的

它在里头只起一个启动的作用

它不影响脉冲传输特性

但是在后面章节中

会发现它是影响脉冲传输特性

这个可饱和吸收器

对应的这个恢复时间

就对设计的要求有一个

有一个要求就是

要设计的这个带间的弛豫时间

要使它远小于谐振腔的往复时间

就刚才说的这个粒子数

泵浦到上能级了

它又从上能级要跃迁下来

这个门儿才关掉

前面讲这个可饱和恢复时间

就是先开个门好脉冲过去

然后这个门还得关掉

然后等着下一个脉冲来了以后

再把门开开

然后再关

那如果关门的时间太慢的话

那等于第二个脉冲都来

门还没关

那就形不成这个脉冲串了

因此它的这个弛豫时间呢

要远小于这个谐振腔的往复时间

这是它的这个设计的要求

怎么样能够让它远小于

这个谐振腔的往复时间呢

可以改变它的生长条件

就让半导体生长的过程中

处于一个低温生长状态刚才说了

低温生长会导致它的这个晶格

会有一些缺陷缺陷对于

有的时候用的时候

不希望它缺陷

好这个是不好的

但是现在可饱和吸收体

它其实是就是为了要陷落

叫俘获这些电子

因此它需要一些缺陷

所以它生长过程是一个低温生长

但是也说过了

低温生长呢

优点就是说这个带间的跃迁时间

就可以做的很短可是呢

它会带来缺陷

带来非饱和损耗因此这个SESAM的

这个生长时间

一般是在300到500度的这个范围内

这个是可饱和恢复时间

这个调制深度

对于锁模脉冲的影响

这个是如果只拿它

作为真正的这个锁模元器件来说的话

它对这个脉冲输出就会有影响了

这个就是它跟这个调制深度的影响呢

q0的β次方的反比关系

也就是说如果调制深度越大

它产生的脉冲的宽度呢

就会越窄

但是它的缺点是说

这个容易产生自调Q现象

并且非饱和损耗肯定会过大

这个就是调制深度对于锁模脉冲的影响

如果是用SESAM

作为可饱和吸收体来用的

就是作为一个锁模元件来用的

这个可饱和吸收体呢

它的这个锁模建立时间

就跟这个饱和状态有关

如果是处于弱饱和状态的话

损耗叫低就会产生近似

或者小于这个吸收体的

恢复时间的脉冲宽度那这个时候呢

这个脉冲就是

它从这个很小的这个噪声中就会起伏

最后就相当于是一个幅度调制了

就产生一个脉冲系列

这个是它的锁模建立过程

锁模建立过程呢

建立的时间与反射率的这个斜率

是成反比的

就是这个反射率的斜率越大

建立时间越短

反之这个建立时间越长

这个是锁模建立的时间

下面看一下这个SESAM的参数测量

就是SESAM它的这个几个参数的测量

其实主要的是调制深度

还有一个就是它的透过率

这个SESAM的测量

可以用这个装置来进行测量

测谁呢

测的是这个非线性的吸收曲线

这个非线性的吸收曲线

就是刚才说的横轴

是它的这个光脉冲的通量

纵轴是反射率

就可以测出来一个

它在低通量的时候

它的反射率是比较低的

就是这个时候入射的这个光就被吸收了

然后随着入射的光逐渐逐渐

在被吸收这个饱和通量在增加的时候

反射率就逐渐的在提高

最后就到达一个饱和状态

上面的这个最低的反射率

和最高的反射率之间的这个值

就是调制深度

最高的那个反射率和一之间的那个差别

就是非饱和吸收损耗

中间的这个变化呢

就是饱和通量

这个就是几个值

就可以从这条曲线上来获得

这个有个问题

就是这个说过这个半导体材料

因为它本身做SESAM的时候

它是有缺陷的

所以有的时候也会被打坏

就是它的这个损伤域不是太高

所以时间长了以后

它会有一个时间积累

就慢慢慢的就把这个材料打坏了

这个是一个打坏的这个图

这个就是半导体可饱和吸收镜的

基本的特性

那拿这个半导体可饱和吸收镜呢

就可以做可饱和吸收元件

去做它的这个自启动元件也好

或者是做可饱和吸收锁模元件也行