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
飽和吸收體一般可以快速及慢速飽和吸收體兩種，所謂的快速及慢速是依據 飽和吸收體的回復時間與脈衝寬度做比較。圖 2.5 為快速及慢速飽和吸收體脈衝產 生機制的示意圖。
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圖 2.5 (a)快速 (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的飽和吸收體有半導體飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)、奈米碳管及石墨烯。以下將簡介其基本特性及 工作原理。
1. 半導體飽和吸收鏡：典型的半導體飽和吸收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制深度等飽和 吸收體參數可精確調控，但因此元件須利用分子束磊晶製程，製程複雜且 成本昂貴[16]。
圖 2.6 半導體飽和吸收鏡結構示意圖
2. 奈米碳管：單壁奈米碳管可以在室溫下並且經由簡單的濕製程生產，並且 可以藉由調整不同的奈米碳管內徑來匹配雷射操作波長，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
(a) (b)
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體，其回復時間(recovery time)小於脈衝寬度，因此不需要借助增益介質之 增益飽和和動態響應即可產生脈衝光，輸出脈衝之脈衝寬度可以達到飛秒 等級[17]。
圖 2.7 奈米碳管各種結構[18]
3. 石墨烯：石墨烯飽和吸收體可以藉由化學氣相沉積法、氧化還原法或撥離 石磨法等方式製成[19]，其結構如圖 2.8 所示。石墨烯具有快速的回復時間，
因其特殊的能帶結構，不同於奈米碳管會因為不同的內徑而有不同的吸收 頻譜，石墨烯的吸收波段可涵蓋可見光到近紅外光波段。石墨烯亦屬於快 速飽和吸收體，其輸出脈衝寬度最短可達到~100 fs[20]。
圖 2.8 以 SP2鍵結所形成之石墨烯結構示意圖[21]
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其中α0是代表線姓吸收係數(linear absorption coefficient)，表示飽和吸收體未飽和 時的損耗，αns為非飽和吸收的吸收係數(nonsaturable absorption coefficient)，為材 料本身的線性光學損耗，Isat為飽和吸收強度。根據 Beer-Lambert law，雷射共振腔 中光波穿透飽和吸收體的透射比例可以用 2.14 式表示：
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光學穿透損耗值，故當本質損耗愈大時，達到鎖模所需之功率也就需要跟著提高 接續上一段，不分段因此如圖 2.10 所示，當雷射光的脈衝中心部分因光牆較大在 經過飽和吸收體時衰減較小，脈衝兩側部分因光牆較小而有較高的吸收，如此反 覆地在共振腔當中經過飽和吸收體之後，就可以得到被壓縮至極限的脈衝。
圖 2.9 飽和吸收體之光波入射強度對照透射比例關係圖
圖 2.10 飽和吸收體之脈衝塑形示意圖[23]