國產高性能SESAM技術對超快激光意味著什么?

來源:科技日報    關鍵詞:SESAM, 飛秒激光器, 超快激光器,    發布時間:2019-06-04

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▲SESAM集成模塊


▲未切割的SESAM



半導體可飽和吸收鏡(SESAM),這個對于許多非專業人士而言有些生硬甚至拗口的名詞,對于我們所熟悉的超短脈沖(皮秒激光、飛秒激光等)的產生而言,意義非凡。最近,北京大學教授張志剛及中國科學院半導體研究所研究員馬驍宇團隊,就因國產高破壞閾值高性能SESAM的研制成功大大緩解了該器件對國外產品的依賴而備受業界關注。


SESAM是什么?它有哪些用途?它的研制存在什么樣的難度?近日,《中國科學報》通過專訪張志剛,試圖揭開SESAM的神秘面紗。


產生超短脈沖“最簡單可靠”

“SESAM是產生皮秒和飛秒脈沖的核心器件,不僅是光纖激光器,固體激光器也可以用,而且最早是在固體激光器中用起來的。”張志剛向《中國科學報》介紹說,20世紀90年代,人們發現了鈦寶石激光器新的鎖模技術,可以比較容易地產生超短脈沖激光。但是,這種脈沖不能自己從連續光狀態過渡到脈沖狀態——也就是不能自己啟動,需要一個機制,比如打它一下,踢它一腳,而SESAM就是這樣一個理想的啟動器。


張志剛解釋說,SESAM本質上是利用半導體的高速可飽和吸收特性,在激光器噪聲系列中選出能量最高的脈沖。具體的原理是,給高能量脈沖以較高的反射率,讓其放大并在激光腔內占據主導;給低能量的脈沖以低的反射率,讓其逐漸損耗掉。他告訴記者,除了SESAM,超短脈沖尤其是皮秒激光的產生,還有別的方法,“但SESAM是最簡單可靠的一種”。


張志剛進而介紹道,SESAM的主要結構是在半導體布拉格反射鏡結構上面“生長”出一個或幾個量子阱。從半導體專業的角度來看,它的結構并不復雜;但在激光研究者看來,SESAM很多參數都需要設計和控制,例如飽和通量、飽和恢復時間、調制深度、非飽和損耗、非線性吸收系數、破壞閾值等。


“這些參數和結構設計及生長條件有關。”張志剛說,不同的激光器要求的參數也不同,但不管哪種SESAM,都是在半導體襯底上外延生長的,因此要實現晶格匹配,而量子阱并不都與襯底匹配。


“比如要在GaAs襯底上生長吸收波長長于860納米的量子阱的話,問題就來了——因為晶格不匹配了,生長質量就不好了。而且,吸收波長要求越長,摻雜就越多,晶格失配就越大,由此帶來一系列問題,包括容易被激光‘打壞’。”張志剛說,這就需要通過材料選擇和特殊技術來解決。


張志剛介紹說,除了SESAM之外,還有很多可飽和吸收體,如碳納米管、石墨烯、二維拓撲材料、黑磷等,都可以在鎖模激光器上起到類似的效果,我國科研人員在這些新材料上做了很多高水平的工作。但是,在材料制備和性能控制、破壞閾值、長期穩定性等方面,SESAM仍然獨具優勢,無可替代。


以解決國家急需為己任

飛秒激光、皮秒激光等超短脈沖的主要用途是科學研究、精密測量和激光精密加工。常提到的用激光做近視眼矯正手術,用到的就是飛秒激光;而在工業上,飛秒或皮秒激光器常用于手機玻璃切割、液晶面板打孔、柔性線路板切割等。張志剛告訴記者,這些工業需求雖然談不上特別高精尖,卻是我國產業升級的需要。


在國際市場上,外國公司生產的高性能SESAM價格高昂,成本只幾百元的SESAM片,售價約四五千元。“我們自己做的話,對于降低激光器成本是非常有好處的。當然,加上高破壞閾值這一條優點,性價比會更高。”


而在一些特殊用途的激光器上,國外還會拿SESAM來“卡脖子”。張志剛舉例說,中科院某研究所用的星載測距用的、用SESAM調Q的微片皮秒激光器,以前是有國外公司出售的,但現在“斷貨”了。“不管什么原因,不賣了你就沒的用,沒米下鍋。一下子沒有了供應源,你說急人不急人?現在我們有了這種SESAM,就可以做自己的微片式皮秒激光器了,這就解決了國家的急需。”


記者了解到,近年來,張志剛通過與中科院半導體研究所研究員馬驍宇等的合作,研制出用于光纖激光器鎖模及微片激光器調Q的高調制深度SESAM(調制深度12%)和用于固體激光器鎖模的低調制深度SESAM(調制深度1%),通過材料選擇和應變補償,使SESAM破壞閾值達8兆焦耳每平方厘米以上。通過提供給公司、研究所和高等院校試驗,結果證明,這些SESAM完全可以滿足光纖激光器鎖模、微片激光器調Q和固體激光器鎖模的要求,并在破壞閾值和鎖模動態范圍等方面好于國外產品。


對此,張志剛告訴《中國科學報》,目前用在光纖激光器上、自主研發的SESAM看起來比外國的產品要好。外國某公司用SESAM鎖模的光纖激光器,每開關一次機,都要把SESAM自動換個位置,為的是不讓SESAM被激光打壞;用自主研發的SESAM的激光器則不用換位置,經得起時間的考驗,不用擔心被打壞。


“這在工業應用上是很關鍵的,因為一旦SESAM被打壞,加工生產線就要停擺,這和科研用的激光器是不一樣的。從這個意義上說,是比外國的產品先進的。”不過,張志剛同時表示,在用于幾百瓦功率的鎖模固體激光器的SESAM上,國外如瑞士聯邦工業大學的產品仍然遙遙領先,“所以不能下結論說什么器件都比外國的強”。


希望迅速把實驗裝置變成產品

在采訪中,張志剛自言,從1982年起,除了博士期間,他一直在超短激光脈沖領域摸爬滾打。而談起從事SESAM的相關研究,其中還有一段因緣。


1988年,張志剛赴澳大利亞留學,在他面前有兩個選擇:新南威爾士大學的“半導體薄膜的光學性質”研究方向和莫納什大學“小型銅蒸汽紫外激光器”方向。當時他的碩士生導師建議他選擇跟其碩士專業更相近的后者,但張志剛表示“當時‘半導體薄膜的光學性質’這個似懂非懂的概念就像種子一樣種在了我的心里”。


1992年博士畢業后張志剛赴日本做博士后研究工作,回到了剛剛發展起來的飛秒激光的領域。一期結束之后,合作導師把他介紹到電子技術綜合研究所,給的題目是“半導體超晶格器件的超高速光學性質”。“當時我眼前一亮:這不就是半導體薄膜的光學性質嗎?8年前埋下的種子,該發芽了。”于是他毫不猶豫地去了那里,追尋這個似懂非懂的夢。


在張志剛30多年科研歷程中,他告訴《中國科學報》,自己一直對科研成果如何盡快轉化為應用感觸比較深刻。“如果只是做幾個片子,做幾個實驗,發表幾篇論文就完了,那意義就不大了。”


從日本回國之前,有人告訴他,做工業界有用的1微米波長的SESAM會更有前途。“但是回國后,我看不到應用的場景,也沒努力開拓工業應用。直到最近幾年,工業界逐漸接受了皮秒激光加工,外國的激光器逐漸占領了中國市場,我才醒悟過來,感到了做這件事的緊迫性和重要性,才把多年的技術積累又撿起來。”張志剛略顯自責地說道,“這都是因為我眼界太窄,只看到科研應用的小市場。”


2016年,張志剛再次與馬驍宇合作,用MOCVD(金屬有機化合物沉積)來生長SESAM結構。他們把SESAM片做成微片激光器后,效果不錯,測量了各種參數,包括破壞閾值都提高不少。2017年春節前,張志剛利用相關技術指導廣東華快光子公司做出了鎖模光纖激光器成品,并將脈寬降低到5皮秒。


“2018年,這種皮秒激光器就賣出了幾十臺。預計2019年會有幾百臺的量產,我們自己做的SESAM這才有了真正的用武之地。”張志剛說,自己多年來最有感觸的就是,要迅速把實驗裝置變成產品。“誰不希望自己的技術和器件被廣泛應用呢?”


超短脈沖不能自己從連續狀態過渡到脈沖狀態,也就是不能自己啟動,總是需要一個機制,比如“打它一下”“踢它一腳”,而SESAM就是這樣一個理想的啟動器。

■本報記者 趙廣立

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