中科院上海技術(shù)物理研究所在太赫茲量子級聯(lián)激光器方面的研究進展

太赫茲量子級聯(lián)激光器（THz-QCL）是材料科學、能帶工程與微納光子學的完美結(jié)合體，是太赫茲波段極具競爭力的緊湊型激光源。THz-QCL所特有的高功率、小型化以及易集成等優(yōu)點令其在太赫茲成像、通信、物質(zhì)檢測、精密光譜分析、近場顯微成像等領(lǐng)域具有重要的應用價值。

國際上，THz-QCL的最高工作溫度已接近室溫（250K）；液氮溫度（77K）THz-QCL的峰值功率已達到1W以上，連續(xù)輸出功率已達到10mW量級；77K時的激光頻率連續(xù)調(diào)諧能力已達到~800GHz；經(jīng)過穩(wěn)頻和鎖相技術(shù)，激光線寬已壓縮至1 Hz量級；THz-QCL光頻梳以及超短脈沖等方面的工作也已見諸報道。國內(nèi)中科院半導體所、微系統(tǒng)所、上海技術(shù)物理研究所（上海技物所）以及工程物理研究院等單位也在THz-QCL領(lǐng)域取得令人振奮的進展。

上海技物所徐剛毅課題組致力于實現(xiàn)高性能可實用化的THz-QCL激光器和系統(tǒng)，并與國內(nèi)外同行合作推廣該激光器的實際應用。目前已取得的進展包括：

1）研制出2.5–5.0THz范圍內(nèi)多個頻點的THz-QCL；

2）實現(xiàn)脈沖模式下大峰值功率、高光束質(zhì)量的單模THz-QCL；

3）獲得較大平均功率的單模THz-QCL；

4）獲得連續(xù)激射的單模THz-QCL；

5）實現(xiàn)激光頻率準連續(xù)可調(diào)的THz-QCL；

6）研制出集成THz-QCL、低溫杜瓦或制冷機、驅(qū)動電源和控制軟件的可實用化太赫茲激光系統(tǒng)。

分別介紹如下：

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2 – 5 THz 范圍內(nèi)多個頻點的THz-QCL

借助能帶工程理論，我們在GaAs/AlGaAs多量子阱中通過精確設計勢阱/勢壘層的厚度、勢壘高度以及外加電場，精細設計電子能級、波函數(shù)以及電子躍遷過程，從而實現(xiàn)對激光頻率的控制。利用分子束外延技術(shù)獲得所設計的上千層、每層厚度精度為0.1nm、晶體質(zhì)量近乎完美的GaAs/AlGaAs超精細材料。課題組實現(xiàn)了多個頻點的THz-QCL。不同THz-QCL的激光光譜歸一化后的總和圖。近似覆蓋了2.7 – 4.9 THz的頻率范圍。激光器的最高工作溫度在100K – 140 K之間。

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大峰值功率、高光束質(zhì)量的THz-QCL

為提高激光峰值功率，我們首次實現(xiàn)了THz-QCL激光器和放大器的單片集成。由激光器產(chǎn)生種子光源，經(jīng)放大器功率放大后通過光柵耦合器輻射到自由空間。我們通過光子能帶設計成功抑制了放大器的自激振蕩；提出了放大器的增益飽和機制，并給出降低增益飽和的結(jié)構(gòu)。

實驗上獲得了脈沖激射的大功率單模THz-QCL。單模激光的邊模抑制比大于20dB，激光頻率可控。液氮溫度（77K）時最高峰值功率達245mW，平均輸出功率為 1 – 3 mW。

該器件具有較大的出光孔徑，從而提高了光束準直性，光束聚焦后的束斑尺寸低至250um×260um。注：本文報道的激光功率均為太赫茲絕對功率計（TK power meter）直接測得的功率。

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低功耗、大平均功率的THz-QCL

提高激光器的平均輸出功率、降低器件的功耗對實現(xiàn)小型化激光器系統(tǒng)至關(guān)重要。為此我們提出了基于偶極天線陣列的THz-QCL諧振腔。單純的偶極天線具有極高的輻射損耗，無法作為激光器的諧振腔。我們利用芯片鍵合技術(shù)在天線陣列下方置入反射鏡，將偶極天線激發(fā)的反向傳播的電磁場變成同向干涉，并控制干涉相位進而控制輻射效率。

我們提出的結(jié)構(gòu)可以靈活控制激光輻射效率、提高散熱效率、降低光束發(fā)散角。77K時的激光平均功率可達約6 mW。器件具有良好的單瓣光束，半高全寬為4.5°×16°。激光器呈現(xiàn)單模激射，邊模抑制比大于20dB。

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連續(xù)工作的單模THz-QCL

連續(xù)工作的單模THz-QCL可以極大地提高激光頻率和功率的穩(wěn)定性，可以作為太赫茲波段的標準光源、外差探測的本振源，也可以應用在太赫茲近場光學中作為激光光源。實現(xiàn)激光器連續(xù)工作的關(guān)鍵在于降低閾值和功耗。我們在偶極天線陣列的基礎(chǔ)上進一步提出光子異質(zhì)結(jié)諧振腔：

1）減小泵浦區(qū)天線陣列的數(shù)目以降低功耗；

2）非泵浦區(qū)天線陣列比泵浦區(qū)有更大的光子禁帶，由泵浦區(qū)產(chǎn)生的激光模式得到更好的局域，從而降低閾值。

實驗上，我們獲得了最高工作溫度為79K的連續(xù)激射的單模THz-QCL，50K時的連續(xù)輸出功率達到1.5mW。單模激光的邊模抑制比大于20dB；激光光束為單瓣，遠場發(fā)散角14° × 22°。

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頻率連續(xù)可調(diào)的THz-QCL

THz-QCL在實際應用中面臨的一個關(guān)鍵瓶頸是激光頻率范圍窄并難以調(diào)諧。與時域光譜（TDS）技術(shù)相比，THz-QCL的優(yōu)點是在單一頻率下的輻射功率遠超過TDS，但激光頻率范圍遠小于TDS，而且單個THz-QCL的激光頻率往往是固定的，調(diào)諧范圍非常小。

在物質(zhì)檢測中，每種物質(zhì)有特定的吸收譜線或者吸收帶，只有當激光頻率與吸收線/帶重合時才能特異性地檢出被測物質(zhì)。而這要求激光頻率可在較大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧。

我們在偶極天線諧振腔的基礎(chǔ)上，進一步研制出激光頻率連續(xù)可調(diào)的THz-QCL。我們在天線陣列中引入啁啾結(jié)構(gòu)，通過天線寬度的遞變實現(xiàn)激光頻率遞變。

典型器件的功率-電流-電壓測試結(jié)果如圖5所示，器件在77K時峰值功率約為5mW，光束發(fā)散角約21°×16°。圖5（a）顯示了單個激光器的出射光譜，激光頻率準連續(xù)調(diào)諧的范圍達到60GHz。

由于單個激光器的尺寸非常小（0.8 mm× 1.6 mm），可以將多個激光器集成在一個模塊上，從而“拼接”出幾百GHz乃至1THz以上的頻率連續(xù)調(diào)諧范圍，相關(guān)工作正在進行中。

相比于基于MEMS技術(shù)的頻率可調(diào)諧THz-QCL，我們的器件不包含運動部件，操作更簡單、更易于維護，而且頻率穩(wěn)定性更好。

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實用化THz-QCL激光器系統(tǒng)

我們開發(fā)了2種制冷形式的THz-QCL激光器系統(tǒng)。第一種是液氮制冷：激光器封裝在液氮杜瓦內(nèi)，具有成本低、體積小、無機械振動、低噪聲等優(yōu)點，適合實驗室環(huán)境并對光束質(zhì)量要求高的應用場景。第二種是斯特林制冷：激光器封裝在斯特林制冷機內(nèi)，其優(yōu)點是無需液氮，機械振動僅約10微米，可在實驗室以外環(huán)境使用。我們還研發(fā)了THz-QCL激光器專用的脈沖驅(qū)動電源和控制軟件。

課題組始終致力于高性能THz-QCL激光器的研制和應用推廣。將持續(xù)提升激光器的關(guān)鍵性能，如激光器工作溫度、激光功率、光束質(zhì)量、光譜純度、激光頻率的穩(wěn)定性以及調(diào)諧范圍等。

將開發(fā)更便于使用、性價比更高的THz-QCL激光器系統(tǒng)。我們熱忱地期待與更多學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的朋友合作，為太赫茲科技的發(fā)展添磚加瓦。

編輯：jq