據(jù)中國(guó)激光雜志社網(wǎng)，于2025年12月02日?qǐng)?bào)道，三年時(shí)光，如激光一閃而過(guò)。SESAM（半導(dǎo)體可飽和吸收鏡）項(xiàng)目，終于迎來(lái)了結(jié)題的時(shí)刻。回望這段布滿挑戰(zhàn)的科研旅程，實(shí)驗(yàn)室里流淌的光陰、失敗中沉淀的智慧，都凝結(jié)成了永久珍藏的記憶。在此，我想從一個(gè)側(cè)面，講述其中的故事。
壹 短皮秒要求更高的調(diào)制深度
這是半導(dǎo)體所馬老師牽頭的項(xiàng)目。項(xiàng)目重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一，是用于光纖激光器皮秒鎖模的 SESAM——它必須同時(shí)具備高調(diào)制深度、短恢復(fù)時(shí)間與高損傷閾值。在皮秒鎖模中，這枚小小的神奇的半導(dǎo)體片子堪稱“最簡(jiǎn)器件”：只需將其置入光路作為反射鏡，便能立即輸出超短脈沖。我國(guó)每年生產(chǎn)的數(shù)千臺(tái)皮秒激光器，很大一部分都因它的“魔力”而迸發(fā)出超短光脈沖。
與固體激光器不同，光纖激光器對(duì) SESAM 的調(diào)制深度要求極高。通常10%–20% 的調(diào)制深度已能滿足多數(shù)鎖模需求。但面向激光加工的“短皮秒”光纖激光器，要求脈寬小于 10 ps，調(diào)制深度必須高達(dá) 50%。長(zhǎng)期以來(lái)，這類器件大部分依賴進(jìn)口。
我自三十年前涉足 SESAM 研制，二十多年前曾與半導(dǎo)體所馬老師團(tuán)隊(duì)合作。十年前，我們便開(kāi)始嘗試高調(diào)制深度 SESAM，卻始終未能突破 50% 的瓶頸，而破壞閾值不夠高，也是我心中的痛。
貳 高調(diào)制深度帶來(lái)困擾
高調(diào)制深度意味著什么？它意味著飽和吸收層必須更厚；若采用量子阱結(jié)構(gòu)，則量子阱層數(shù)需大幅增加。不是普通的“多”，而是“非常之多”。即便有應(yīng)變補(bǔ)償層支撐，過(guò)多的層數(shù)仍會(huì)導(dǎo)致晶格缺陷激增——正如蓋樓，只要一層歪斜，整棟建筑便可能“崩塌”。晶格缺陷不僅顯著增加非飽和吸收，也嚴(yán)重降低破壞閾值。
叁 追求短的飽和恢復(fù)時(shí)間
然而，缺陷并非總是“敵人”。恰到好處的不完美——例如低溫生長(zhǎng)引入的缺陷——反而能加速飽和恢復(fù)，幫助我們捕捉更短暫的脈沖。這真是一種美妙的悖論：我們仿佛行走在刀刃之上，既要保留低溫生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，又要避免量子阱在低溫下的脆弱。多少次，我們眼見(jiàn)激光器初現(xiàn)希望之光，轉(zhuǎn)眼間，那如“九層妖塔”般的結(jié)構(gòu)便轟然倒下，希望的脈沖也隨之熄滅。
肆 放棄量子阱結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向體材料
林楠是半導(dǎo)體研究所馬老師組的。十年前我們合作時(shí)，他還是個(gè)瘦瘦的博士生，說(shuō)話略帶口音。而在這個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，短短幾年間，他已發(fā)福到我?guī)缀跽J(rèn)不出。
這次，林楠依然負(fù)責(zé) SESAM 的外延材料生長(zhǎng)。起初我們?nèi)匝赜枚嗔孔于褰Y(jié)構(gòu)，卻發(fā)現(xiàn)效果不佳：要么脈寬無(wú)法壓至 10 ps 以下，要么 SESAM 極易損壞。
經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次討論，林楠與我決定告別量子阱的老路。但新的方向在哪兒？
我們逐漸傾向于放棄量子阱，改用體材料（即厚吸收層）。但即便在體材料結(jié)構(gòu)中，十年前我們也未能實(shí)現(xiàn) 50% 的調(diào)制深度。
伍 諧振型——林楠的堅(jiān)持
自 Ursula Keller 開(kāi)創(chuàng)“量子阱+反諧振”結(jié)構(gòu)以來(lái)，該方案一直是行業(yè)燈塔，指引研究者數(shù)十年。對(duì)于固體激光器所需的小調(diào)制深度 SESAM，這無(wú)疑是最佳選擇；但面對(duì)光纖激光器的高調(diào)制深度需求，50% 仍是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的目標(biāo)。
難道要繼續(xù)增加體材料厚度嗎？那座曾經(jīng)崩塌的“九層妖塔”仍在警示我們。
就在此時(shí)，林楠大膽提出：用諧振結(jié)構(gòu)！
我對(duì)諧振結(jié)構(gòu)一直持懷疑態(tài)度。諧振結(jié)構(gòu)在諧振波長(zhǎng)附近帶寬較窄，控制不當(dāng)易偏離工作波長(zhǎng)；此外，吸收材料內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度更高，可能導(dǎo)致?lián)p傷閾值下降、非飽和損耗上升。
但林楠并未被我說(shuō)服。他決定自行嘗試諧振型體材料。
陸 戴口罩的女孩
項(xiàng)目中負(fù)責(zé)測(cè)試的是杰普特公司的年輕工程師黃少茹。她個(gè)子不高，常扎馬尾，疫情以來(lái)始終戴著口罩，以至于我至今回想不起她的面容。但她做事極為認(rèn)真，默默堅(jiān)持、細(xì)致測(cè)試每一個(gè)樣品，記錄脈寬、功率、穩(wěn)定性與壽命等數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)優(yōu)良性能，她及時(shí)報(bào)告；發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，她也立即“抱怨”。
通過(guò)對(duì)多種結(jié)構(gòu)、不同性能參數(shù)的 SESAM 樣品進(jìn)行大量測(cè)試，她逐漸摸清各參數(shù)如何影響激光輸出：調(diào)制深度與飽和通量若不匹配，不僅無(wú)法啟動(dòng)鎖模，還可能引發(fā)瞬時(shí)損傷；調(diào)制深度不足，則只能輸出不穩(wěn)定的調(diào) Q 脈沖；較高的吸收損耗發(fā)熱，更會(huì)導(dǎo)致性能衰退，影響輸出穩(wěn)定性與器件壽命。
她測(cè)試了一系列諧振型量子阱結(jié)構(gòu) SESAM，部分樣品雖能實(shí)現(xiàn) 10 ps 以下脈寬，但壽命短、穩(wěn)定性差。而表面加鍍介質(zhì)保護(hù)層的樣品，壽命則顯著提高。
柒 神秘的58號(hào)樣品
林楠根據(jù)少茹的反饋，一次次調(diào)整結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)條件與鍍膜工藝。
測(cè)試樣品編號(hào)一路增至 60 多號(hào)，最終，第 58 號(hào)樣品脫穎而出——它不僅具備足夠的調(diào)制深度，在穩(wěn)定性、自啟動(dòng)可靠性上表現(xiàn)最佳，壽命也最長(zhǎng)。
隨后，杰普特公司將其封裝為集成器件，性能更上一層樓。至今，那枚 58 號(hào) SESAM 仍在不知疲倦地工作，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間早已突破 2000 小時(shí)大關(guān)。
捌 好吧，就諧振型
有了少茹的實(shí)驗(yàn)結(jié)果背書(shū)，林楠信心倍增。
他向我展示計(jì)算與測(cè)試結(jié)果，堅(jiān)定地說(shuō)：“不諧振，就達(dá)不到 50% 的調(diào)制深度。”“性能最佳的 58 號(hào)片子，正是諧振型體材料！”
在事實(shí)面前，我無(wú)話可說(shuō)。我終于明白，他所說(shuō)的諧振型，并非傳統(tǒng)“兩面高反膜夾吸收體”的結(jié)構(gòu)，而是僅利用半導(dǎo)體表面反射作為上層反射鏡，反射系數(shù)遠(yuǎn)低于高反鏡，諧振帶寬卻很寬。關(guān)鍵在于，諧振模式下，飽和吸收體無(wú)需過(guò)厚，結(jié)構(gòu)不會(huì)如高樓般易塌。我認(rèn)可了這一方案。
后來(lái)，林楠雖也試制了編號(hào) 60 以后的量子阱諧振型樣品，但少茹測(cè)試后反饋：都不如 58 號(hào)。
玖 魔鏡之光，明亮而恒久
項(xiàng)目雖暫告一段落，但產(chǎn)業(yè)化之路依然艱巨。要實(shí)現(xiàn)大面積推廣，仍需持續(xù)努力。
回望這三年，我們走過(guò)彎路、歷經(jīng)失敗，最終馴服了這面“魔鏡”。
我始終記得，林楠是項(xiàng)目當(dāng)之無(wú)愧的脊梁——他的智慧與堅(jiān)持，為 SESAM 指明了方向；少茹則是發(fā)現(xiàn)美的眼睛——她的細(xì)致與執(zhí)著，讓優(yōu)秀的設(shè)計(jì)得以顯現(xiàn)。這段研制 SESAM 的故事，正如那枚 58 號(hào)樣品所發(fā)出的激光——恒久而明亮。
