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应用半导体可饱和吸收反射镜（Semiconductor Saturable Absorber Mirror或SESAM）的一个主要原因在于它可以不受谐振腔腔形设计的影响,可以在较宽的范围内对其线性、非线性光学特性进行控制,这使其在特定谐振腔中的应用具有更大的自由度。另外,由于它的大吸收截面,和由此产生的小饱和通量可以很好地抑制Q调制不稳定性,所以半导体可饱和吸收体是用于固态激光器被动锁模的理想器件。半导体材料,经过适当的生长法生长和合理的结构设计,可在较宽的范围内获得较理想的性能,因此半导体可饱和吸收镜几乎适用于所有的固态激光器。而如何对SESAM进行合理设计,及对它的特性（例如饱和通量、调制深度、非饱和吸收、和恢复时间等）进行正确测量与表征也变得非常重要。国外设计和生长SESAM已比较成熟,国内近年来也开展了SESAM的研制工作,但还处于起步阶段。本论文主要开展了关于SESAM的设计及其超快光谱（即动态响应特性）测试的研究,具体工作如下:理论分析给出了SESAM内部量子阱吸收层的厚度与吸收的中心波长之间的函数关系;定义了SESAM中量子阱吸收层的介电函数,并通过计算模拟比较分析了吸收层位置的变化对其电场分布、调制深度、反射光谱等参数的影响;在实验研究工作中,通过超快激光器中SESAM的热成像和高功率超快激光对SESAM的损伤,研究了SESAM的损伤机制,给出了激光光斑尺寸与热损伤和激光器稳定性之间的关系。发现当激光光斑尺寸增大时,SESAM损伤率降低,但激光光斑尺寸增大的同时也会使激光器的稳定性下降。在此基础上,为保护超快激光器中SESAM不受损伤,又保证激光器的稳定运行,分析对比了表面介质保护层数对内部电场分布、调制深度等性能参数的影响,并采用镀制介质保护层的方法来控制量子阱吸收层附近的驻波场强以提高SESAM的损伤阈值;在国内首次采用飞秒激光泵浦探测实验研究了SESAM的动态响应特性,并获得了SESAM的超快光谱,在极高泵浦激光能量密度（能量密度高于1400μJ/cm2）时观察到了SESAM中的双光子吸收现象,这在国内尚属首次。全文共分为七章,各章的主要内容如下。第一章系统介绍了锁模技术的发展,锁模技术中极具发展潜力的器件—SESAM的发展历程、优点与应用,在此基础上综述了SESAM锁模激光器的发展状况。为了研究SESAM在超快激光脉冲照射下其内部载流子的动态响应过程,先介绍了半导体在超快激光作用下的基本超快瞬态过程,然后介绍了研究SESAM超快瞬态过程的飞秒激光泵浦探测技术。第二章在对半导体可饱和吸收镜技术的工作原理、能带理论、结构类型等方面进行系统综述的基础上,研究了SESAM微观特性与SESAM设计之间的关系,说明了在设计SESAM时影响SESAM微观特性的几个关键因素。通过泵浦-探测实验测量了几个实际SESAM样品反射率随入射光通量之间的变化,其实验曲线与理论计算曲线有比较明显的差异,由分析得出实验与理论曲线之间的差异主要是由SESAM工作时所产生的非线性效应,如双光子吸收效应（TPA）引起的。利用泵浦探测实验表征了SESAM样品的主要宏观特性----动态响应特性,即SESAM反射率随延迟时间的变化,所观察的SESAM的响应恢复时间可分为三个过程:带内热平衡过程、热载流子冷却过程和带间复合过程。第三章通过光学薄膜原理、半导体能带理论及半导体量子阱材料的相关知识设计了单量子阱低精细度反谐振法-珀可饱和吸收镜,用禁带理论计算得出吸收层厚度和吸收中心波长之间的函数关系,由此函数关系计算得出中心波长1060nm所对应的吸收层厚度为19.5nm;利用Tauc-Lorentz模型、克拉默斯-克罗尼格关系（KKR）和二维态密度定义了吸收层的介电函数;通过模拟计算分析SESAM的内部电场分布,选择吸收层的插入位置,使吸收层恰好位于其驻波场波峰处,从而实现了对工作波长光的有效吸收。通过模拟计算所设计SESAM的反射光谱得出其吸收的中心波长在1060nm附近,调制深度3%左右,与设计要求相符。第四章随着超快激光器向高功率、高脉冲能量发展,SESAM的损伤机制和高阈值SESAM的研究必不可少。本章通过对高功率飞秒激光器系统中的SESAM进行热成像,和利用高功率飞秒激光对SESAM进行表面损伤来研究SESAM的损伤机制。在实验中观察到当激光在SESAM上的模尺寸增大时,虽然SESAM的损伤几率可以降低,但同时超快激光器的稳定性也会随着激光光斑尺寸的增大而降低。第五章为了即保证SESAM锁模的高功率超快激光器的运行稳定,又不使SESAM受到损伤,采用了在SESAM表面镀制介质层的方法,即提高SESAM的精细度。论文通过研究镀制SiO2/Ti2O5介质层数所对应的SESAM的内部电场分布、调制深度来控制量子阱吸收层附近的场强,得出当镀制2个周期SiO2/Ti2O5介质层时,照射到SESAM第一个量子阱吸收层上的光功率为降低为小于原来的50%。同时镀制介质保护层后的SESAM和原来一样不会产生O调制不稳定性。第六章半导体可饱和吸收镜在激光照射下其内部动态响应会直接影响其对超快激光脉冲的整形作用。论文通过泵浦探测实验技术测试了半导体可饱和吸收镜的动态响应过程,得出了不同泵浦功率下SESAM的超快光谱、相同泵浦功率SESAM表面不同位置处的超快光谱、SESAM非线性反射率随入射光能量密度的变化,以及高功率飞秒激光照射下SESAM的超快光谱。得出随着入射光功率的增大,SESAM的超快光谱会产生非线性变化,当入射光能量密度极高（＞1400μJ/cm2）时在SESAM的超快光谱中观察到了双光子吸收现象。第七章最后一章对全文的工作做了一个总结,归纳了全文的创新点,总结了本文得出的结论,并从不同角度指出了一些将来的研究方向。