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| > Energy band gap > GaAs | AlxGa1-xAs | InxGa1-xAs | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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> Refractive index > GaAs | AlAs | AlxGa1-xAs | InxGa1-xAs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| > Devices > Bragg mirror | SAM | RSAM | SANOS | SOC | PCA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
How does a SAM™ work ? |
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| > | Contents | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| > | 1. Aim of SAM | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Passive mode-locking techniques for the generation of ultra-short pulse trains
are preferred over active techniques due to the ease of incorporation of passive
devices into various laser cavities. |
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| > | 2. Parameters | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A SAM consists of a Bragg-mirror on a semiconductor wafer like GaAs, covered
by an absorber layer and a more or less sophisticated top film system, determining
the absorption. |
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| > | 3. Absorption | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| A SAM is a nonlinear optical device. Therefore the absorption A depends on the pulse fluence FP. If the pulse duration τp is shorter than the relaxation time τ of the absorber material, the time dependent absorption is given by | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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with |
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eq. (1) |
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| A(t) | time dependent absorption | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| A0 | small signal absorption (saturable absorption) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| I | time dependent light intensity (measured in W/m2) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| F(t) | time dependent fluence | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fsat | saturation fluence | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The effective absorption A of a pulse is the result of an averaging over the fluence F(t) of a pulse: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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eq. (2) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| FP | pulse fluence | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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The small signal absorption A0 is proportional to the square of the electric field strength of the standing wave at the position of the absorber layer. Therefore the saturable absorption of the SAM can be adjusted by the design. A typical value for the saturation fluence Fsat is 50 µJ/cm2. |
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| > | 4. Modulation depth ΔR | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The modulation depth ΔR is smaller than the absorption A0 because of non-saturable losses Ans: ΔR = A0 -Ans. The main reason for the non-saturable losses are the crystal defects, which are needed for the fast relaxation of the excited carriers. The modulation depth increases with increasing relaxation time t. Typical values for ΔR are
The pulse fluence dependent reflection R(Fp) of a saturable absorber mirror is governed by the effective absorption according to eq.(2). For high pulse fluences FP the two photon absorption decreases the reflection and therefore also the effective moulation depth. This effect depends on the two-photon absorption parameter FTPA, which is material dependent. |
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eq. (3) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| > | 5. Relaxation time |
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The saturable absorber layer consists of a semiconductor material with a direct
band gap slightly lower than the photon energy. During the absorption electron-hole
pairs are created in the film. The relaxation time t
of the carriers has to be a little bit longer than the pulse duration. In
this case the back side of the pulse is still free of absorption, but during the
hole period between two consecutive pulses the absorber is non saturated and
prevents Q-switched mode-locking of the laser.
The parameters to adjust the relaxation time in both technologies are the growth temperature in case of LT-MBE and the ion dose in case of implantation. Typical values of the relaxation time t of SAMs are between 500 fs and 10 ps. Because of the different relaxation processes in most cases the relaxation of the excited carriers cannot be described by a single time constant. As is shown in the pump-probe measurement of a slow SAM below, the real relaxation can be characterized by two time constants. |
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| > | 6. Saturation fluence Fsat | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The saturation fluence depends on the semiconductor material parameters and on the
optical design of the SAM. To prevent the SAM from unwanted degradation and destruction
due to high pulse fluences, the saturation fluence must be low. |
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| > | 7. Reflection and absorption bandwidth | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 7.1 Time-bandwidth product (TBWP) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
From Heisenberg's
uncertainty principle for the conjugated variables pulse width
Dt and photon energy E = h.
nthe TBWP of a laser pulse is limited to about D
t.Dn
>1/(2p).
The minimum TBWP for a Sech2pulse is Dt.Dn = 0.32 . Most people do not work with frequency n but prefer wavelength l. Using the relation c=l.n the frequency interval Dn is related to the wavelength interval Dl by Dn = - c. Dl/l2. c = 2.988 . 108 m/s is the speed of light in the vacuum. |
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| Numerical values for the minimum bandwidth Dn as a function of pulse duration Dt | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Numerical values for the minimum bandwidth in nm as a function of pulse duration Dt | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 7.2 Reflection bandwidth | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
The reflection bandwidth of the SAM has to be larger than the pulse bandwidth.
In case of a SAM with an underlying Bragg-mirror the reflection bandwidth is
determined by the ratio of the refractive indices nH/nL
of the layers in the thin film stack.
More about Bragg-mirrors ... |
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| 7.3 Absorption bandwidth | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
An ideal SAM has a constant saturable absorption for all wavelengths of the pulse spectrum. Because of the wavelength dependence of the absorption in a semiconductor material above the band gap, the absorption increases with decreasing wavelength. In case of a resonant SAM this dependency may be changed by the standing waves inside the cavity in such a way, that the maximum absorption is at the resonance wavelength of the SAM. |
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