YAG激光器被动锁模.pdf

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1、第2 5 卷第8 期 2 0 0 4 年8 月 半导体学报 C H I N E S EJ O U R N A L0 FS E M I C O N D U C T O R S V 0 1 2 5 ，N o 8 A u g ，2 0 0 4 表面态型半导体可饱和吸收镜实现 Y b ：Y A G 激光器被动锁模 王勇月0 1 马骁宇1 居桂方2张志刚2 ( 1 中国科学院半导体研究所，北京 1 0 0 0 8 3 ) ( 2 天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光实验室，天津3 0 0 0 7 2 摘要：制作了一种新型的半导体可饱和吸收镜：表面态型半导体可饱和吸收镜用表面态型半导体可饱和吸收镜作

2、为被动锁模吸收体，实现了半导体端面泵浦Y b ；Y A G 激光器被动连续锁模在泵浦功率为1 0 W 时，获得了连续 锁模脉冲序列，重复频率2 0 0 M H z ，锁模脉冲平均输出功率为7 0 m W 在未加任何色散补偿的情况下，脉冲宽度为 4 3 5 p s 关键词：半导体可饱和吸收镜；表面态；被动连续锁模；Y b ：Y A G 激光器 P A C C ：4 3 3 0 B 中田分类号：T N 2 4 8 1文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 4 1 7 7 ( 2 0 0 4 ) 0 8 1 0 0 0 0 4 l引言 2 0 世纪8 0 年代以来，超短脉冲激光技术得到 了迅猛发展，

3、在分子反应动力学、激光测距、生物学、 医学、显示以及新材料领域有广泛应用超短脉冲激 光可以进行精密加工，加工时热影响区比聚焦区更 小，可以达到几个微米，且不易使材料因产生热应力 而破裂生物医学专家已将它作为超精密外科手术 刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留 下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术由飞 秒激光可以产生X 射线，可用于激光核聚变，产生 几百次以上的高阶谐波，其波长短于3 n m 用皮秒 或飞秒脉冲激光照射金属或半导体光阴极材料产生 微电子束团，作为自由电子激光器的重要前级设备 皮秒脉冲激光也可用于激光卫星测距，显微技术等 目前，实用化程度最高的皮秒脉冲激光器是掺钕系

4、列的Y A G ，Y L F 等激光器利用半导体饱和吸收镜 ( s e m i c o n d u c t o r s a t u r a b l e a b s o r p t i o n m i r r o r ， S E S A M ) 作为饱和吸收体直接进行固体激光器被动 锁模，可以轻易地获得皮秒级超短脉冲半导体可饱 和吸收镜加在自锁模( s e l f m o d e l o c k e d ) 固体激光 器中，可以产生自启动( s e l f s t a r t i n g ) 的效果，解决 自锁模固体激光器稳定性不好的问题1 9 9 2 年， K e l l e r 1 1 等在

5、腔内引入反共振的法布里一帕罗标准具 有可饱和吸收体( a n t i r e s o n a n tF a b r y P e r o ts a t u r a b l ea b s o r b e r ，a F P S A ) ，实现了N d ：Y L F 自启 动的被动锁模，脉宽3 3 p s ，泵浦源为钛宝石激光 器现在，几乎所有主要的固体激光器和光纤激光器 都实现了用半导体可饱和吸收镜进行被动锁模或调 Q 2 4 | 超短激光脉冲由于具有脉宽短、峰值功率高、带 宽大等特点，在科研和生产中有着广泛的应用传统 的T i ：s a p p h i r e 超短脉冲激光系统多采用倍频后 的掺钕

6、激光器或氩离子激光器泵浦，成本高，体积 大特别是它的市场价格动辄几百万元，这严重限制 了它的应用所以低成本、紧凑型的全固化超短脉冲 激光系统近年来成为研究热点这其中，由于Y b 抖 介质具有很多优良的特点而被广泛地研究它的输 出波长在1 0 3 0 1 0 6 0 n m 之间，可以作为N d ：g l a s s 放大器的振荡级；它具有比N d 3 + 更宽的发射谱线， 能支持更短的锁模脉冲；同时它还具有量子缺陷小、 王勇刚男，1 9 7 3 年出生，博士研究生。主要从事固体激光器及光纤激光器锁模和调Q 用吸收体( 半导体可饱和吸收镜，G a A s 等) 的研制 E m a 订：w y g

7、 x j w c h i n a v i p s j n 丑c o m 2 0 0 3 一0 8 2 2 收到，2 0 0 3 1 0 一3 1 定稿2 0 0 4 中国电子学会 万方数据 8 期王勇刚等：表面态型半导体可饱和吸收镜实现Y b ：Y A G 激光器被动锁模 掺杂浓度高等优点但由于Y b 3 + 是准三能级运转机 制，这种机制会造成对振荡光严重地再吸收，所以良 好的冷却和较强的泵浦是保证激光器运转的必要条 件 传统的半导体可饱和吸收镜基本上都采用分子 束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，M B E ) 或金属有 机化学气相外延(

8、 m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o re p i t a x y ，M O C V D ) 方法低温生长吸收镜的最关键部分 非线性吸收区由于低温生长，伴随产生了很大 的非饱和损耗，使得增益小的C r ：S A F 等激光器使 用半导体可饱和吸收镜后很难出光或输出功率仅有 毫瓦级；同时，也使得器件的寿命很难提高，难以实 现产品化用常温生长吸收区，再用离子注入的办法 制作非线性吸收区也存在类似的问题本文中，我 们用自己研制的表面态型半导体可饱和吸收镜实现 了Y b ：Y A G 激光器被动锁模，得到了连续锁模脉 冲序列由于所用的泵源光束质量不

9、好，锁模平均输 出功率只有7 0 m W ，脉冲宽度为4 3 5 p s ，脉冲重复 频率2 0 0 M H z 采用表面态型半导体可饱和吸收镜 大大降低了非饱和损耗，虽然Y b ：Y A G 的激光阈 值很高，我们仍然能够在泵源光束质量不好的情况 下观察到锁模现象，迸一步的研究还在进行中 2 表面态型半导体可饱和吸收镜基本 原理 通常用于1 0 6 0 n m 波长附近的半导体可饱和吸 收镜采用G a A s 为衬底，其上生长由G a A s 和A l A s 交错构成的半导体布拉格反射镜( d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r ，

10、D B R ) ，反射率高达9 9 以上布拉格反 射镜的上面是I n 。2 。G a 。7 。A s G a A s 量子阱，其中 I n 呲；G a 。，。A s 层是采用低温生长或离子注入的，一 方面，可以吸收波长短于1 0 6 0 n m 的入射光，产生电 子和空穴载流子；另一方面，低温生长或离子注入形 成的A s G 。和V G 。可以作为载流子的快速弛豫陷阱， 弛豫时间在几皮秒到几十皮秒这两个因素共同实 现对入射光按照光强大小进行非线性吸收，从而实 现被动锁模但是，低温生长或离子注入会带来很大 的非饱和损耗，非饱和损耗会降低脉冲激光输出功 率，并且降低器件使用寿命 基于上述原因，我们

11、制作了表面态型半导体可 饱和吸收镜与低温型半导体可饱和吸收镜不同之 处在于整个材料都采用正常温度生长晶体质量很 好，大大减少了非饱和损耗将吸收区I n o z 。G a 。，。A s 紧紧靠在空气表面，两者之间只有2 n m 厚的G a A s 相隔，使得表面态和体态有相当地重叠，以保证光入 射后吸收区I n 。G a 。A s 产生的载流子能够很快 地通过表面向空气中放电而弛豫 3表面态型半导体可饱和吸收镜设计 与制作 我们采用M O C V D 方法生长表面态型半导体 可饱和吸收镜，如图1 所示生长温度为7 0 0 ，对 M O C V D 生长的G a A s 系材料来说为正常温度 D

12、B R 是2 2 对G a A s A l A s 组成的，反射率可高达 9 9 以上 图1表面态型半导体可饱和吸收镜生长结构图 F i g 1 G r o w t hs c h e m eo fs u r f a c et y p es e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o r 图2 为吸收体的光反射谱垂直轴并不代表绝 对反射率，数值大小与测试系统有关可以看到，其 带宽约6 0 n m ，高反带从1 0 2 0 n m 到1 1 8 0 n m 对于皮 秒级锁模，反射谱通常只有几个n m 的宽

13、度就足够 了 4 表面态型半导体可饱和吸收镜实现 Y b ：Y A G 激光器被动调Q 锁模实 验 本实验装置如图3 所示采用X 一型四镜折迭像 散补偿腔，目的是产生单束脉冲激光输出，实验中选 用的泵浦源为A p o l l o 公司生产的F 1 5 9 4 0 一1 半导 体激光器，发射中心波长为9 4 0 n m ，泵浦功率l o W ， 激光器总的腔长为7 5 c m 左右实验装置的像散补 万方数据 半导体学报 2 5 卷 1 5 1 0 5 0 9 9 5 01 0 0 01 0 5 0 1 1 0 01 1 5 01 2 W a v e l e n g t l 妇m 图2 表面态型半

14、导体可饱和吸收镜的反射谱 F i g 2 R e f l e c t i o ns p e c t r u mo fs u r f a c et y p es e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o r 偿角为9 。，获得了7 0 m W 的连续锁模脉冲激光输 出在此之前，我们采用制作的几种低温吸收区的半 导体可饱和吸收镜( 单量子阱，双量子阱和三量子阱 分别在4 0 0 ，4 5 0 ，5 0 0 和5 5 0 生长) ，都只能实现调 Q 锁模，这归因于腔内的功率密度太低，具体而言是 因为低温吸

15、收区式的半导体可饱和吸收镜的非饱和 损耗太大图4 为由示波器观察到的连续锁模脉冲 序列，锁模脉冲间隔为5 n s ，脉冲重复频率为 2 0 0 M H z ，对应的平均输出功率为7 0m W 根据傅里 叶变换关系式，可以推算出理论上激光器能够支持 约4 0 0 f s 脉冲宽度由于没有进行色散补偿，脉冲有 较强的啁啾，测得脉冲宽度为4 3 5 p s 图5 是由示 波器观察到的自相关曲线 M 图3用半导体可饱和吸收镜来实现Y b ：Y A G 激光器被动 锁模实验装置 F i g 3E x p e r i m e n ts c h e m eo fp a s s i v em o d e l

16、o c k e dY b ：YA Gl a s e rw i t hs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o n 5结论 用M O C V D 设备生长了一种表面态类型的新 型半导体可饱和吸收镜，它具有优于国外常见的半 喜 重 9IlIlJ44i IliII l t ，n s 图4用半导体可饱和吸收镜实现Y b ：Y A G 激光器被动 锁模的锁模脉冲序列 F i g 4M o d e l o c k i n gp u l s es e q u e n c eo fp a s s i v em o d e I o c

17、 k i n gY b ：Y A Gl a s e rw i t hs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o r D e l a y 血啤舾 图5自相关仪显示的锁模脉冲宽度为4 3 5p s F i g 5M o d e l o c k i n gp u l s ed u r a t i o ni s4 3 5p s ， w h i c hi ss h o w nb ya u t o c o r r e l a t i o r 导体可饱和吸收镜的性质：非饱和损耗小我们用自 己研制的表面态型半导体

18、可饱和吸收镜实现了 1 0 W 端面泵浦Y b ：Y A G 激光器被动连续锁模，得 到了连续锁模脉冲序列，锁模平均输出功率7 0 m w ， 脉冲重复频率2 0 0 M H z 我们将设法进行色散补偿， 提高泵浦光束质量，并对此做进一步的研究 参考文献 1 K e l l e ru ，M i l l e rDAB ，B o y dGD ，e ta 1 s o l i d s t a t e1 0 w l o s s i n t r a c a v i t ys a t u r a b i ea b s o r b e rf o rN d fY L F1 a s e r s ：8 nA F P

19、 S A 0 p tL e t t ，1 9 9 2 ，1 7 ( 7 ) ：5 0 5 2 w a n gY 。n g g a n g ，M aX i a o y u ，L ic h u n y o n g ，e ta 1 P a s s i v e m o d e l o c k e dd i o d e e n d p u m p e dN dY A Gw i t hs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o rg r o w nb ym e t a lo 。g a n i cc h e m

20、 i c a lv a p o rd e p o s i t i o n C h i n e s eP h y s i c sL e t t e r s ，2 0 0 3 ，2 0 ( 1 1 ) ： 1 9 6 0 3 D a n a i l o vM B ，C e r u l I oG ，M 8 9 n iV ，e ta 1 D i o d e p u m p e d1 0 0 一 f sp a s s i v e l ym o d e l o c k e dC r ：L i S A F1 a s e rw i t ha nA F P S A 0 p tL e t t ，1 9 9 4 ，

21、1 9 ( 1 1 ) ：7 9 2 万方数据 8 期 王勇刚等：表面态型半导体可饱和吸收镜实现Y b ：Y A G 激光器被动锁模1 0 0 3 4 w a n gY o n g g a n g ，“c h a o y a n g ，M ax i a o y u ，e ta l IP a s s i v eQ s w i c h i n go ff l a s h p u m p e dN dY A Gl a s e rw i t hi o n i m p l a n t e dG a A s C h i n e s eJ o u r n a lo fS e m i c o n d u c

22、t o r s ，2 0 0 4 ，2 5 ( 2 ) 1 4 8 P a s s i V eM o d e l o c k i n gD i o d e E n d P u m p e dY b ：Y A GL a s e rw i t hS u r f a c e S t a t e T y p eo fS e m i c O n d u c t o rS a t u r a b l eA b s o r p t i O nM i r r O r W a n gY o n g g a n g1 ，M aX i a o y u 1 ，J uG u i f a n 9 2a n dZ h a

23、n gZ h i g a n 9 2 ( 1 ，”s f i “担0 ，S 绷i f o ”d “c o m7 kC i n e 即4 c 口如打拶0 ，& i 删c P s ，B e 啊n g l o 0 0 8 3 ，吼抽口) ( 2 ，Z f 阳，口“厶s P r 上以6 0 r n t o u ，S 如州o ，P ，e c i s i D n ，H j f r “m 耵口雄d 6 f o F 如c f r D “ 站5E n g i H 卵r i n g ，( ，n 而e r s 幻q 厂T l 口n “n 。7 1 口”，f n 3 0 0 0 7 2 ，C i n 口) A b s

24、 t r a c t ：An e wt y p eo fs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o r ，s u r f a c e s t a t es e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o n m i r r o r ， i si n t r o d u c e dw i t hw h i c hp a s s i V ec o n t i n u o u sw a v em o d e l o c k i n go

25、 f d i o d e e n d p u m p e dY b ：Y A Gl a s e ri sr e a l i z e d A tt h e10 W o fp u m p i n gp o w e r c o n t i n u 。u sw a V em o d e l o c k i n gs e r i e si s o b t a i n ，w h i c hh a s7 0 m wa v e r a g eo u t p u ta n d2 0 0 M H zf r e q u e n c y W i t h o u ta n yd i s p e r s ec o m p

26、 e n s a t i o n ，t h ep u l s ed u r a t i o ni s4 3 5 p s K e yw o r d s ： s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o r ； s u r f a c es t a t e ；c o n t i n u o u sw a v em o d e l o c k i n g ；Y b ：Y A Gl a s e r P A C C ：4 3 3 0 B A r t i c I eI D ：0 2 5 3 4 1 7 7 (

27、2 0 0 4 ) 0 8 1 0 0 0 一0 4 W a n gY o “g g a “g w a sb o r ni n1 9 7 3 P h Dc a n d i d a t e H ei s e “9 8 9 e di nt h er e s e a r c ho na b s o r b e r s ( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r p t i o nm i r r o r s a n dG a A s ) f o rt h em o d e l o c k i n ga n dQ s w i t c h i n go f 奢o l i d s t a t eI a s e r s E m a i l ：w y g x j w c h i n a v i p s i n a c o m R e c e i V e d2 2A u g u s t2 0 0 3 r e V i s e dm a n u s c r i p tr e c e i v e d3 1O c t o b e r2 0 0 4 2 0 0 4T h eC h i n e s eI n s t i t u t eo fE I e c t r o n i c s 万方数据