▲SESAM集成模塊

▲未切割的SESAM

半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM），這個對于許多非專業(yè)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(chǎn)生而言，意義非凡。最近，北京大學(xué)教授張志剛及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員馬驍宇團(tuán)隊，就因國產(chǎn)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(chǎn)品的依賴而備受業(yè)界關(guān)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(xué)報》通過專訪張志剛，試圖揭開SESAM的神秘面紗。

產(chǎn)生超短脈沖“最簡單可靠”

“SESAM是產(chǎn)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?！睆堉緞傁颉吨袊茖W(xué)報》介紹說，20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)了鈦寶石激光器新的鎖模技術(shù)，可以比較容易地產(chǎn)生超短脈沖激光。但是，這種脈沖不能自己從連續(xù)光狀態(tài)過渡到脈沖狀態(tài)——也就是不能自己啟動，需要一個機(jī)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(zhì)上是利用半導(dǎo)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(nèi)占據(jù)主導(dǎo)；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(chǎn)生，還有別的方法，“但SESAM是最簡單可靠的一種”。

張志剛進(jìn)而介紹道，SESAM的主要結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)上面“生長”出一個或幾個量子阱。從半導(dǎo)體專業(yè)的角度來看，它的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜；但在激光研究者看來，SESAM很多參數(shù)都需要設(shè)計和控制，例如飽和通量、飽和恢復(fù)時間、調(diào)制深度、非飽和損耗、非線性吸收系數(shù)、破壞閾值等。

“這些參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計及生長條件有關(guān)?！睆堉緞傉f，不同的激光器要求的參數(shù)也不同，但不管哪種SESAM，都是在半導(dǎo)體襯底上外延生長的，因此要實(shí)現(xiàn)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?yàn)榫Ц癫黄ヅ淞?，生長質(zhì)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(shù)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?fù)洳牧稀⒑诹椎?，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(wěn)定性等方面，SESAM仍然獨(dú)具優(yōu)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(xué)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(shù)，用到的就是飛秒激光；而在工業(yè)上，飛秒或皮秒激光器常用于手機(jī)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(yè)需求雖然談不上特別高精尖，卻是我國產(chǎn)業(yè)升級的需要。

在國際市場上，外國公司生產(chǎn)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?！拔覀冏约鹤龅脑挘瑢τ诮档图す馄鞒杀臼欠浅Ｓ泻锰幍?。當(dāng)然，加上高破壞閾值這一條優(yōu)點(diǎn)，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(diào)Q的微片皮秒激光器，以前是有國外公司出售的，但現(xiàn)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(yīng)源，你說急人不急人？現(xiàn)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(dǎo)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(diào)Q的高調(diào)制深度SESAM（調(diào)制深度12%）和用于固體激光器鎖模的低調(diào)制深度SESAM（調(diào)制深度1%），通過材料選擇和應(yīng)變補(bǔ)償，使SESAM破壞閾值達(dá)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(yàn)，結(jié)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(diào)Q和固體激光器鎖模的要求，并在破壞閾值和鎖模動態(tài)范圍等方面好于國外產(chǎn)品。

對此，張志剛告訴《中國科學(xué)報》，目前用在光纖激光器上、自主研發(fā)的SESAM看起來比外國的產(chǎn)品要好。外國某公司用SESAM鎖模的光纖激光器，每開關(guān)一次機(jī)，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(fā)的SESAM的激光器則不用換位置，經(jīng)得起時間的考驗(yàn)，不用擔(dān)心被打壞。

“這在工業(yè)應(yīng)用上是很關(guān)鍵的，因?yàn)橐坏㏒ESAM被打壞，加工生產(chǎn)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(chǎn)品先進(jìn)的?！辈贿^，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(lián)邦工業(yè)大學(xué)的產(chǎn)品仍然遙遙領(lǐng)先，“所以不能下結(jié)論說什么器件都比外國的強(qiáng)”。

希望迅速把實(shí)驗(yàn)裝置變成產(chǎn)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(lǐng)域摸爬滾打。而談起從事SESAM的相關(guān)研究，其中還有一段因緣。

1988年，張志剛赴澳大利亞留學(xué)，在他面前有兩個選擇：新南威爾士大學(xué)的“半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)性質(zhì)”研究方向和莫納什大學(xué)“小型銅蒸汽紫外激光器”方向。當(dāng)時他的碩士生導(dǎo)師建議他選擇跟其碩士專業(yè)更相近的后者，但張志剛表示“當(dāng)時‘半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)性質(zhì)’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(yè)后張志剛赴日本做博士后研究工作，回到了剛剛發(fā)展起來的飛秒激光的領(lǐng)域。一期結(jié)束之后，合作導(dǎo)師把他介紹到電子技術(shù)綜合研究所，給的題目是“半導(dǎo)體超晶格器件的超高速光學(xué)性質(zhì)”。“當(dāng)時我眼前一亮：這不就是半導(dǎo)體薄膜的光學(xué)性質(zhì)嗎？8年前埋下的種子，該發(fā)芽了?！庇谑撬敛华q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(xué)報》，自己一直對科研成果如何盡快轉(zhuǎn)化為應(yīng)用感觸比較深刻?！叭绻皇亲鰩讉€片子，做幾個實(shí)驗(yàn)，發(fā)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(yè)界有用的1微米波長的SESAM會更有前途?！暗腔貒?，我看不到應(yīng)用的場景，也沒努力開拓工業(yè)應(yīng)用。直到最近幾年，工業(yè)界逐漸接受了皮秒激光加工，外國的激光器逐漸占領(lǐng)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(shù)積累又撿起來。”張志剛略顯自責(zé)地說道，“這都是因?yàn)槲已劢缣?，只看到科研?yīng)用的小市場?！?

2016年，張志剛再次與馬驍宇合作，用MOCVD（金屬有機(jī)化合物沉積）來生長SESAM結(jié)構(gòu)。他們把SESAM片做成微片激光器后，效果不錯，測量了各種參數(shù)，包括破壞閾值都提高不少。2017年春節(jié)前，張志剛利用相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)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(yù)計2019年會有幾百臺的量產(chǎn)，我們自己做的SESAM這才有了真正的用武之地?！睆堉緞傉f，自己多年來最有感觸的就是，要迅速把實(shí)驗(yàn)裝置變成產(chǎn)品?！罢l不希望自己的技術(shù)和器件被廣泛應(yīng)用呢？”

超短脈沖不能自己從連續(xù)狀態(tài)過渡到脈沖狀態(tài)，也就是不能自己啟動，總是需要一個機(jī)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