▲SESAM集成模块

▲未切割的SESAM

半导体可饱和吸收镜（SESAM），这个对于许多非专业人士而言有些生硬甚至拗口的名词，对于我们所熟悉的超短脉冲（皮秒激光、飞秒激光等）的产生而言，意义非凡。最近，北京大学教授张志刚及中国科学院半导体研究所研究员马骁宇团队，就因国产高破坏阈值高性能SESAM的研制成功大大缓解了该器件对国外产品的依赖而备受业界关注。

SESAM是什么？它有哪些用途？它的研制存在什么样的难度？近日，《中国科学报》通过专访张志刚，试图揭开SESAM的神秘面纱。

产生超短脉冲“最简单可靠”

“SESAM是产生皮秒和飞秒脉冲的核心器件，不仅是光纤激光器，固体激光器也可以用，而且最早是在固体激光器中用起来的。”张志刚向《中国科学报》介绍说，20世纪90年代，人们发现了钛宝石激光器新的锁模技术，可以比较容易地产生超短脉冲激光。但是，这种脉冲不能自己从连续光状态过渡到脉冲状态——也就是不能自己启动，需要一个机制，比如打它一下，踢它一脚，而SESAM就是这样一个理想的启动器。

张志刚解释说，SESAM本质上是利用半导体的高速可饱和吸收特性，在激光器噪声系列中选出能量最高的脉冲。具体的原理是，给高能量脉冲以较高的反射率，让其放大并在激光腔内占据主导；给低能量的脉冲以低的反射率，让其逐渐损耗掉。他告诉记者，除了SESAM，超短脉冲尤其是皮秒激光的产生，还有别的方法，“但SESAM是最简单可靠的一种”。

张志刚进而介绍道，SESAM的主要结构是在半导体布拉格反射镜结构上面“生长”出一个或几个量子阱。从半导体专业的角度来看，它的结构并不复杂；但在激光研究者看来，SESAM很多参数都需要设计和控制，例如饱和通量、饱和恢复时间、调制深度、非饱和损耗、非线性吸收系数、破坏阈值等。

“这些参数和结构设计及生长条件有关。”张志刚说，不同的激光器要求的参数也不同，但不管哪种SESAM，都是在半导体衬底上外延生长的，因此要实现晶格匹配，而量子阱并不都与衬底匹配。

“比如要在GaAs衬底上生长吸收波长长于860纳米的量子阱的话，问题就来了——因为晶格不匹配了，生长质量就不好了。而且，吸收波长要求越长，掺杂就越多，晶格失配就越大，由此带来一系列问题，包括容易被激光‘打坏’。”张志刚说，这就需要通过材料选择和特殊技术来解决。

张志刚介绍说，除了SESAM之外，还有很多可饱和吸收体，如碳纳米管、石墨烯、二维拓扑材料、黑磷等，都可以在锁模激光器上起到类似的效果，我国科研人员在这些新材料上做了很多高水平的工作。但是，在材料制备和性能控制、破坏阈值、长期稳定性等方面，SESAM仍然独具优势，无可替代。

以解决国家急需为己任

飞秒激光、皮秒激光等超短脉冲的主要用途是科学研究、精密测量和激光精密加工。常提到的用激光做近视眼矫正手术，用到的就是飞秒激光；而在工业上，飞秒或皮秒激光器常用于手机玻璃切割、液晶面板打孔、柔性线路板切割等。张志刚告诉记者，这些工业需求虽然谈不上特别高精尖，却是我国产业升级的需要。

在国际市场上，外国公司生产的高性能SESAM价格高昂，成本只几百元的SESAM片，售价约四五千元。“我们自己做的话，对于降低激光器成本是非常有好处的。当然，加上高破坏阈值这一条优点，性价比会更高。”

而在一些特殊用途的激光器上，国外还会拿SESAM来“卡脖子”。张志刚举例说，中科院某研究所用的星载测距用的、用SESAM调Q的微片皮秒激光器，以前是有国外公司出售的，但现在“断货”了。“不管什么原因，不卖了你就没的用，没米下锅。一下子没有了供应源，你说急人不急人？现在我们有了这种SESAM，就可以做自己的微片式皮秒激光器了，这就解决了国家的急需。”

记者了解到，近年来，张志刚通过与中科院半导体研究所研究员马骁宇等的合作，研制出用于光纤激光器锁模及微片激光器调Q的高调制深度SESAM（调制深度12%）和用于固体激光器锁模的低调制深度SESAM（调制深度1%），通过材料选择和应变补偿，使SESAM破坏阈值达8兆焦耳每平方厘米以上。通过提供给公司、研究所和高等院校试验，结果证明，这些SESAM完全可以满足光纤激光器锁模、微片激光器调Q和固体激光器锁模的要求，并在破坏阈值和锁模动态范围等方面好于国外产品。

对此，张志刚告诉《中国科学报》，目前用在光纤激光器上、自主研发的SESAM看起来比外国的产品要好。外国某公司用SESAM锁模的光纤激光器，每开关一次机，都要把SESAM自动换个位置，为的是不让SESAM被激光打坏；用自主研发的SESAM的激光器则不用换位置，经得起时间的考验，不用担心被打坏。

“这在工业应用上是很关键的，因为一旦SESAM被打坏，加工生产线就要停摆，这和科研用的激光器是不一样的。从这个意义上说，是比外国的产品先进的。”不过，张志刚同时表示，在用于几百瓦功率的锁模固体激光器的SESAM上，国外如瑞士联邦工业大学的产品仍然遥遥领先，“所以不能下结论说什么器件都比外国的强”。

希望迅速把实验装置变成产品

在采访中，张志刚自言，从1982年起，除了博士期间，他一直在超短激光脉冲领域摸爬滚打。而谈起从事SESAM的相关研究，其中还有一段因缘。

1988年，张志刚赴澳大利亚留学，在他面前有两个选择：新南威尔士大学的“半导体薄膜的光学性质”研究方向和莫纳什大学“小型铜蒸汽紫外激光器”方向。当时他的硕士生导师建议他选择跟其硕士专业更相近的后者，但张志刚表示“当时‘半导体薄膜的光学性质’这个似懂非懂的概念就像种子一样种在了我的心里”。

1992年博士毕业后张志刚赴日本做博士后研究工作，回到了刚刚发展起来的飞秒激光的领域。一期结束之后，合作导师把他介绍到电子技术综合研究所，给的题目是“半导体超晶格器件的超高速光学性质”。“当时我眼前一亮：这不就是半导体薄膜的光学性质吗？8年前埋下的种子，该发芽了。”于是他毫不犹豫地去了那里，追寻这个似懂非懂的梦。

在张志刚30多年科研历程中，他告诉《中国科学报》，自己一直对科研成果如何尽快转化为应用感触比较深刻。“如果只是做几个片子，做几个实验，发表几篇论文就完了，那意义就不大了。”

从日本回国之前，有人告诉他，做工业界有用的1微米波长的SESAM会更有前途。“但是回国后，我看不到应用的场景，也没努力开拓工业应用。直到最近几年，工业界逐渐接受了皮秒激光加工，外国的激光器逐渐占领了中国市场，我才醒悟过来，感到了做这件事的紧迫性和重要性，才把多年的技术积累又捡起来。”张志刚略显自责地说道，“这都是因为我眼界太窄，只看到科研应用的小市场。”

2016年，张志刚再次与马骁宇合作，用MOCVD（金属有机化合物沉积）来生长SESAM结构。他们把SESAM片做成微片激光器后，效果不错，测量了各种参数，包括破坏阈值都提高不少。2017年春节前，张志刚利用相关技术指导广东华快光子公司做出了锁模光纤激光器成品，并将脉宽降低到5皮秒。

“2018年，这种皮秒激光器就卖出了几十台。预计2019年会有几百台的量产，我们自己做的SESAM这才有了真正的用武之地。”张志刚说，自己多年来最有感触的就是，要迅速把实验装置变成产品。“谁不希望自己的技术和器件被广泛应用呢？”

超短脉冲不能自己从连续状态过渡到脉冲状态，也就是不能自己启动，总是需要一个机制，比如“打它一下”“踢它一脚”，而SESAM就是这样一个理想的启动器。

■本报记者 赵广立