被動鎖模技術(shù)由于便于組裝， 操作簡單等優(yōu)點， 已被人們廣泛的應(yīng)用于各類激光腔中來產(chǎn)生超短脈沖串。被動鎖模器件：可飽和吸收鏡（SAM） ，可被安裝在寬譜激光腔中進(jìn)行模式鎖定。通過可飽和吸收體的損耗機(jī)制，連續(xù)激光器中雜亂的多脈沖可以被調(diào)制成有規(guī)律的超短脈沖串。可飽和吸收體在強(qiáng)光下被漂白，可以使大部分腔內(nèi)能量通過可飽和吸收體到達(dá)反射鏡，并再次反射回激光腔中；在弱光下，表現(xiàn)為吸收未飽和的特性，吸收掉所有入射光，有效的把這部分弱光從激光腔中去除掉，表現(xiàn)了調(diào) Q 鎖模的抑制作用。而且由于吸收掉了脈沖前沿部分，脈沖寬度在反射過程中會逐漸變窄。
2，可飽和吸收鏡SAM主要參數(shù)
Eachwave推出的SAM包含一個布拉格反射鏡（Bragg-mirror）生長在基底上（如GaAs晶圓），然后可飽和吸收層做在布拉格反射鏡上。盡管半導(dǎo)體可飽和吸收鏡已經(jīng)被廣泛的用于各種激光腔中進(jìn)行模式鎖定，但是SAM的應(yīng)用還是要根據(jù)具體情況被精確地設(shè)計，如不同的激光器具有不同損耗，增益譜，腔內(nèi)功率等等，可飽和吸收體的參數(shù)都需要跟這些參數(shù)相匹配。對于一塊SAM，其重要的參數(shù)如下：
√ 吸收率: A
√ 調(diào)制深度：△R
√ 弛豫時間：τ
√ 飽和通量：Fsat
√ 反射帶寬以及吸收帶寬
3，吸收率 A
可飽和吸收鏡SAM屬于非線性光學(xué)元件。所以其對光的吸收率A1和光能量F相關(guān)。如果脈沖寬度τp比吸收材料中載流子的弛豫時間τ短，那么光能量依賴的吸收率可表示如下：
A0 小信號的飽和吸收率
F(r) 高斯脈沖徑向依賴的輻射通量
Fsat 吸收材料的飽和吸收通量
F0 脈沖能量平均值
r 光斑半徑（距離光束軸的距離）
r0 高斯光束半徑
高斯光束的有效吸收率A源自于平均后徑向依賴的輻射通量F(r):
下圖根據(jù)方程（1）、（2）給出了可飽和吸收材料的吸收特性。對于弱光而言F
小信號的吸收率A0正比于吸收層中電磁波電場強(qiáng)度的平方。所以SAM的飽和吸收可以通過設(shè)計得到調(diào)節(jié)。屹持光電典型的飽和吸收通量值Fsat=50uJ/cm2對于短脈沖,雙光子ATPA吸收也會使飽和吸收體的吸收有所增加：
β 雙光子吸收效率
I 脈沖強(qiáng)度
d 飽和吸收體層厚度
F 脈沖能量
Tp 脈沖寬度
屹持光電推出的可飽和吸收鏡（SAM）其反射比R取決于材料的吸收率A即R=1-A。調(diào)制深度△R小于小信號吸收率A0，這是由于非飽和損耗所造成的 Ans：△R=A0-Ans。引起非飽和損耗的主要原因有晶體缺陷，這些缺陷可以保證超快的載流子恢復(fù)速度。調(diào)制深度會隨著載流子弛豫時間τ的增加而增加。
調(diào)制深度△R典型值
快速飽和 τ~500 fs：△R~0.5 A0；Ans~0.5 A0
慢速飽和 τ~ 30 ps：△R~0.8 A0；Ans~0.2 A0
脈沖通量依賴的SAM的反射率R(F)，可以通過有效吸收率來控制eq.(2)。對于短脈沖和高脈沖能量，雙光子吸收減少了反射以及有效調(diào)制深度eq.(3)。所以Eachwave的SAM的反射率R可以如下表示：
計算出來的SAM反射率R可以表示為脈沖通量F的方程 eq. (4)，如下圖所示，圖中三條曲線分別表示不同的脈沖寬度：
5，弛豫時間
飽和吸收層包括一塊直接帶隙略低于光子能量的半導(dǎo)體材料。光照被吸收時，薄膜內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對。載流子的弛豫時間會比脈沖寬度略長一些。這種情況下，脈沖后沿是不被吸收的，然而經(jīng)過兩相鄰脈沖之間的一個周期時間后，飽和吸收體又會恢復(fù)到非飽和狀態(tài)對下一個脈沖進(jìn)行同樣的調(diào)制。
由于直接帶隙半導(dǎo)體中的自發(fā)輻射載流子弛豫時間大約為1ns，因此必須有預(yù)防措施來*的減小這個值。這就需要給飽和吸收層中引入晶格缺陷使載流子進(jìn)行不輻射弛豫，Eachwave推出SESAM主要基于以下技術(shù)：
—— 低溫分子束外延技術(shù)（LT-MBE）
—— 正離子注入技術(shù)
兩種技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)都是生長溫度。通常情況下，SAM的弛豫時間τ一般在500 fs-10ps之間。
泵浦-探針法測量出來的弛豫時間τ如下圖所示：
飽和通量依賴于半導(dǎo)體的材料參數(shù)以及SAM的光學(xué)設(shè)計。為了預(yù)防SAM在強(qiáng)光下不被損傷且功能不會減退，飽和通量一定要比較低才行。
為了得到一個小的飽和通量值，一般半導(dǎo)體吸收層的厚度在10nm左右。這種情況下，垂直于SAM吸收層會發(fā)生電子能量和動量的量子化現(xiàn)象，這也會造成它的態(tài)密度比常規(guī)緊湊半導(dǎo)體低的結(jié)果。所以SAM中的飽和吸收層可以看作是一個帶隙比兩邊小的量子阱。如果SAM需要一個更大的吸收光通量，那么可以通過增加量子阱的數(shù)量達(dá)到此目的，而非用一塊厚度大的單個吸收層。
SAM中布拉格反射鏡前面的電場強(qiáng)度是一個周期性的函數(shù)，擁有節(jié)點和腹點。吸收層量子阱的位置一般處于腹點處從而可以獲得一個低的飽和通量值。布拉格反射鏡和半導(dǎo)體-空氣界面的菲涅爾反射一起構(gòu)成了一個類似于法布里-珀羅的諧振器，其中包含有量子阱。這兩個反射層之間的半導(dǎo)體厚度決定了腔內(nèi)會形成諧振或者反諧振。由于腔內(nèi)場的增強(qiáng)，諧振情況下SAM的飽和通量比反諧振時要低。
飽和吸收體將一部分入射光能量轉(zhuǎn)化為熱能。這部分熱能在脈沖經(jīng)過時快速將飽和吸收體內(nèi)溫度升高，然后熱量經(jīng)過基底傳輸?shù)交缀竺娴纳崞魃稀Ｈ?/span>GaAs基底，它具有非常良好的熱導(dǎo)率，即使微不足道的熱量也能很快散到空氣里。
在脈沖激光作用下，飽和吸收體的溫度會隨著激光重復(fù)頻率的改變而周期性的變化。不斷的熱能從吸收體流到散熱器上形成一個固定的吸收體溫度上升量△Tstat。在脈沖激光照射下，可飽和吸收體的熱傳輸方程包含有一個時間依賴的動態(tài)部分△Tdyn 和一個靜態(tài)部分△Tstat。比較重要的參數(shù)有脈沖寬度tp和飽和吸收體中的載流子弛豫時間τ。溫度上升量△T可表示如下：
△T 溫度上升量
A 吸收率
F 脈沖通量
λth 吸收材料熱導(dǎo)系數(shù) （55W/mK for GaAs）
a 吸收材料熱擴(kuò)散率 （3.1×10-5m2/sfor GaAs）
tp 光脈沖寬度
T 吸收體載流子弛豫時間
r 吸收體上的光斑半徑
f 光脈沖重復(fù)頻率
下面兩張數(shù)據(jù)圖分別表示：靜態(tài)溫度上升量△Tstat與光斑半徑r之間的關(guān)系，以及動態(tài)溫度上升量△Tdyn與吸收體中載流子弛豫時間的關(guān)系。根據(jù)eq. (5)，固態(tài)典型參數(shù)吸收率 A=0.03，光纖中典型參數(shù)吸收率A=0.3。
下圖為光照后時間依賴的吸收體溫度變化曲線：
根據(jù)海森堡不確定原理，共軛變量脈寬△T和光子能量E=hv，脈沖的時間帶寬積應(yīng)該受不等式△t?△v≥1/(2π)所限制。
h=6.626?10-34 Js 是普朗克常量
v 為脈沖平均頻率
△v 為脈沖帶寬
精確地計算顯示，高斯脈沖的小時間帶寬積為△t?△v=0.44(脈沖寬度(s)×脈沖帶寬(Hz)≥0.44)。雙曲正割Sech2脈沖的時間帶寬積為△t?△v=0.32。大多數(shù)人并不習(xí)慣用頻率v而選擇波長λ。根據(jù)關(guān)系c=λ?v，那么頻率間隔△v與波長間隔的關(guān)系為：
△v=-c?△λ/λ2。C=2.988×108m/s，為真空中的光速。
小譜寬△v（Hz）與脈沖寬度△t的關(guān)系
小譜寬（波長λ(nm)）與脈沖寬度△t的關(guān)系
| Pulse duration Δt | Gaussian bandwidth (nm) | Sech2 bandwidth (nm) | ||||||
| @ 800 nm | @ 1200 nm | @ 1600 nm | @ 2000 nm | @ 800 nm | @ 1200 nm | @ 1600 nm | @ 2000 nm | |
| 5 fs | 188 nm | 424 nm | 752 nm | 1180 nm | 137 nm | 308 nm | 547 nm | 858 nm |
| 10 fs | 94 nm | 212 nm | 377 nm | 590 nm | 68 nm | 154 nm | 274 nm | 429 nm |
| 20 fs | 47 nm | 106 nm | 188 nm | 295 nm | 34 nm | 77 nm | 137 nm | 214 nm |
| 50 fs | 19 nm | 42 nm | 75 nm | 118 nm | 13 nm | 31 nm | 55 nm | 86 nm |
| 100 fs | 9.4 nm | 21 nm | 38 nm | 59 nm | 6.8 nm | 15 nm | 27 nm | 43 nm |
| 200 fs | 4.7 nm | 10.6 nm | 18.8 nm | 29.5 nm | 3.4 nm | 7.7 nm | 13.7 nm | 21.4 nm |
| 500 fs | 1.9 nm | 4.2 nm | 7.5 nm | 11.8 nm | 1.4 nm | 3.1 nm | 5.5 nm | 8.6 nm |
| 1 ps | 0.94 nm | 2.12 nm | 3.77 nm | 5.90 nm | 0.69 nm | 1.54 nm | 2.74 nm | 4.29 nm |
| 2 ps | 0.47 nm | 1.06 nm | 1.88 nm | 2.95 nm | 0.34 nm | 0.77 nm | 1.37 nm | 2.14 nm |
SAM的反射帶寬需要比脈沖激光的帶寬寬。對于布拉格反射鏡上的SAM，其反射帶寬取決于布拉格薄膜堆中各層之間的折射率之比nH/nL。詳情請參考布拉格反射鏡……
傳統(tǒng)的的半導(dǎo)體薄膜堆（AlAs/GaAs）中高反射區(qū)域的相對譜寬w=△λ/λ大約為0.1。因此中心波長為1000nm的AlAs/GaAs布拉格反射鏡高反射區(qū)的帶寬約為100nm。根據(jù)上面的圖表，這種情況可以得到的小脈寬為20fs。對于更短的脈沖需要其他反射鏡，例如介質(zhì)膜或金屬的反射鏡。
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