第二章 脈衝雷射
2.3 被動鎖模雷射
2.3.1 飽和吸收體光學特性
飽和吸收體一般分為快速及慢速飽和吸收體兩種，快速與慢速飽和吸收體的回 復時間(recovery time)做比較。當回復時間小於脈衝寬度時，定義為快速飽和吸收 體；當回復時間大於脈衝寬度時，則定義為慢速飽和吸收體。圖 2.5 為快速及慢速 飽和吸收體脈衝產生機制的示意圖。
圖 2.5 (a)快速與(b)慢速飽和吸收體脈衝產生機制示意圖[15]
2.3.1.1 飽和吸收體簡介
常用於被動鎖模雷射系統中之飽和吸收體，其基本特性及工作原理簡介如 下：
1. 半導體飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)：典型的半 導體飽和吸收體鏡結構是將布拉格反射鏡及量子井結構生長在基板上如圖 2.6 所示，利用量子井的非線性光學吸收特性作為飽和吸收體。其操作波長、半導 體材料載子生命期及調製深度等飽和吸收體參數可精確調控，但因此元件必須 使用複雜製程製作並且大幅提高所需成本[16]。
(a) (b)
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圖 2.6 半導體飽和吸收鏡結構示意圖
2. 奈米碳管：單壁式奈米碳管可以在室溫下藉由簡單的製程製作，但須藉由調整 奈米碳管內徑大小來匹配雷射操作波段，從圖 2.7 中可以看到奈米碳管擁有許 多結構型態。奈米碳管飽和吸收體屬於快速飽和吸收體，其回復時間(recovery time)小於脈衝寬度，因此不需要藉助增益介質之增益飽和與動態響應即可產生 脈衝光，輸出脈衝之脈衝寬度可達飛秒等級。[12]
圖 2.7 奈米碳管各種結構[17]
3. 石墨烯：石墨烯飽和吸收體可以藉由化學氣象沉積法、氧化還原法或剝離石墨 法等方式製成[18]，其結構如圖 2.8 所示。石墨烯因其特殊的能帶結構，有別 於奈米碳管會因為不同內徑而有不同的吸收頻譜，其吸收波段涵蓋範圍由可見 光至紅外光波段，屬寬頻吸收，並具有極快的回復時間，亦屬於快速飽和吸收 體，其輸出脈衝寬度最短可達到近 100 飛秒[19]。
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其中，α0為線性吸收係數(linear absorption coefficient)，代表飽和吸收體未達飽和
狀態時的損耗，αns為非飽和吸收的吸收係數(nonsaturable absorption coefficient)，
此乃材料自身的線性光學損耗，Isat為飽和吸收強度。根據 Beer-Lambert law，雷
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由 2.15 式可以得知光波通過飽和吸收體後的強度取決於飽和吸收體之非線性吸收 係數α( )I 以及飽和吸收體之厚度L，並且透過數值軟體作圖可得圖 2.9。由圖 2.9 可以知道，當入射光強度漸增時，會逐漸達到飽和吸收體之入射飽和強度，使其 入射光強度在穿透飽和吸收體時有最小的損耗；反之，當入射光強度未達飽和吸 收體之入射飽和強度Isat時，入射光強度在穿透時幾乎會被飽和吸收體吸收。最高 飽和穿透值到最低飽和吸收穿透值的差定義為調製深度(modulation depth, MD)，而 當調製深度增加時，代表光脈衝經過飽和吸收體時，高能量穿透與低能量穿透的 差也隨之變大，其物理意義為較大的調製深度具有較佳的脈衝塑形能力，也代表 有較佳的脈衝壓縮能力。另外，飽和穿透值與完全穿透值之差距稱為本質損耗 (nonsaturable loss)，其物理意義為飽和吸收體本身存在的線性穿透損耗值，故當本 質損耗愈大時，在達成鎖模時所需泵激功率也隨之提高。如圖 2.10 所示，當雷射 脈衝通過飽和吸收體時，脈衝中心部分因光強度較大，通過飽和吸收體時的吸收 小，而脈衝兩翼光強度較低，通過飽和吸收體有較高的吸收，所以當脈衝在共振 腔中多次經過飽和吸收體之後，脈衝寬度會被壓縮，達成脈衝塑形之效果。
圖 2.9 飽和吸收體之光強度對照穿透比例關係圖
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圖 2.10 飽和吸收體之脈衝塑形示意圖[21]