實(shí)現(xiàn)高性能可實(shí)用化的THz-QCL激光器和系統(tǒng)

太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器(THz-QCL)是材料科學(xué)、能帶工程與微納光子學(xué)的完美結(jié)合體，是太赫茲波段極具競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)令其在太赫茲成像、通信、物質(zhì)檢測(cè)、精密光譜分析、近場(chǎng)顯微成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)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(dá)到1W以上，連續(xù)輸出功率已達(dá)到10mW量級(jí)；77K時(shí)的激光頻率連續(xù)調(diào)諧能力已達(dá)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(jí)；THz-QCL光頻梳以及超短脈沖等方面的工作也已見諸報(bào)道。國(guó)內(nèi)中科院半導(dǎo)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(jìn)展。

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

1）研制出2.5–5.0THz范圍內(nèi)多個(gè)頻點(diǎn)的THz-QCL；

2）實(shí)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(shí)現(xiàn)激光頻率準(zhǔn)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(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制軟件的可實(shí)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(gè)頻點(diǎn)的THz-QCL

借助能帶工程理論，我們?cè)贕aAs/AlGaAs多量子阱中通過精確設(shè)計(jì)勢(shì)阱/勢(shì)壘層的厚度、勢(shì)壘高度以及外加電場(chǎng)，精細(xì)設(shè)計(jì)電子能級(jí)、波函數(shù)以及電子躍遷過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率的控制。利用分子束外延技術(shù)獲得所設(shè)計(jì)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(xì)材料。課題組實(shí)現(xiàn)了多個(gè)頻點(diǎn)的THz-QCL。圖1顯示了不同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。

圖1：不同THz-QCL激光光譜歸一化后的總和圖。

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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(shí)現(xiàn)了THz-QCL激光器和放大器的單片集成。如圖2所示，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(shè)計(jì)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(jī)制，并給出降低增益飽和的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)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(shí)最高峰值功率達(dá)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(zhǔn)直性，光束聚焦后的束斑尺寸低至250um×260um。注：本文報(bào)道的激光功率均為太赫茲絕對(duì)功率計(jì)（TK power meter）直接測(cè)得的功率。

圖2：(a) THz-QCL激光器與放大器單片集成的原理圖。

(b)一組共6個(gè)激光器的激光光譜圖。

(c)-(d)典型器件的峰值功率和激光束斑。

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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(duì)實(shí)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(chǎng)變成同向干涉，并控制干涉相位進(jìn)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。圖3為激光器原理圖和代表性測(cè)試結(jié)果。77K時(shí)的激光平均功率可達(dá)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。

圖3：(a)偶極天線陣列THz-QCL示意圖。

(b)激光器在不同工作溫度時(shí)的平均輸出功率。

(c)激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布圖。

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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(biāo)準(zhǔn)光源、外差探測(cè)的本振源，也可以應(yīng)用在太赫茲近場(chǎng)光學(xué)中作為激光光源。實(shí)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?cè)谂紭O天線陣列的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)的連續(xù)輸出功率達(dá)到1.5mW。單模激光的邊模抑制比大于20dB；激光光束為單瓣，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角14° × 22°，典型結(jié)果如圖4所示。

圖4：連續(xù)工作時(shí)的激光器性能。

（a）激光光譜。

（b）激光輸出功率。

（c）遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布。

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頻率連續(xù)可調(diào)的THz-QCL

THz-QCL在實(shí)際應(yīng)用中面臨的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸是激光頻率范圍窄并難以調(diào)諧。與時(shí)域光譜（TDS）技術(shù)相比，THz-QCL的優(yōu)點(diǎn)是在單一頻率下的輻射功率遠(yuǎn)超過TDS，但激光頻率范圍遠(yuǎn)小于TDS，而且單個(gè)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(cè)中，每種物質(zhì)有特定的吸收譜線或者吸收帶，只有當(dāng)激光頻率與吸收線/帶重合時(shí)才能特異性地檢出被測(cè)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?cè)谂紭O天線諧振腔的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制出激光頻率連續(xù)可調(diào)的THz-QCL。我們?cè)谔炀€陣列中引入啁啾結(jié)構(gòu)，通過天線寬度的遞變實(shí)現(xiàn)激光頻率遞變。典型器件的功率-電流-電壓測(cè)試結(jié)果如圖5所示，器件在77K時(shí)峰值功率約為5mW，光束發(fā)散角約21°×16°。圖5(a)顯示了單個(gè)激光器的出射光譜，激光頻率準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧的范圍達(dá)到60GHz。由于單個(gè)激光器的尺寸非常小（0.8 mm× 1.6 mm），可以將多個(gè)激光器集成在一個(gè)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(jìn)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(yùn)動(dòng)部件，操作更簡(jiǎn)單、更易于維護(hù)，而且頻率穩(wěn)定性更好。

圖5：頻率連續(xù)調(diào)諧THz-QCL的典型測(cè)試結(jié)果。

(a)單個(gè)器件頻率調(diào)諧范圍達(dá)到60GHz。

(b)激光器在77K時(shí)的峰值功率為5mW。

（c)光束遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。

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實(shí)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(jī)械振動(dòng)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，適合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境并對(duì)光束質(zhì)量要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。第二種是斯特林制冷：激光器封裝在斯特林制冷機(jī)內(nèi)，其優(yōu)點(diǎn)是無需液氮，機(jī)械振動(dòng)僅約10微米，可在實(shí)驗(yàn)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(dòng)電源和控制軟件。圖6顯示了兩種制冷形式的THz-QCL激光器系統(tǒng)。

圖6：小型化集成的THz-QCL系統(tǒng)。

小結(jié)

課題組始終致力于高性能THz-QCL激光器的研制和應(yīng)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(jià)比更高的THz-QCL激光器系統(tǒng)。我們熱忱地期待與更多學(xué)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。

致謝：

課題組長(zhǎng)期與國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，得到了他們的鼎力支持。課題研究得到了基金委、科技部和中科院相關(guān)項(xiàng)目支持。在此衷心感謝！

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