中科院上海技術物理研究所在太赫茲量子級聯激光器方面的研究進展

太赫茲量子級聯激光器（THz-QCL）是材料科學、能帶工程與微納光子學的完美結合體，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點令其在太赫茲成像、通信、物質檢測、精密光譜分析、近場顯微成像等領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，連續輸出功率已達到10mW量級；77K時的激光頻率連續調諧能力已達到~800GHz；經過穩頻和鎖相技術，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。國內中科院半導體所、微系統所、上海技術物理研究所（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高性能可實用化的THz-QCL激光器和系統，并與國內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范圍內多個頻點的THz-QCL；

2）實現脈沖模式下大峰值功率、高光束質量的單模THz-QCL；

3）獲得較大平均功率的單模THz-QCL；

4）獲得連續激射的單模THz-QCL；

5）實現激光頻率準連續可調的THz-QCL；

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

分別介紹如下：

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2 – 5 THz 范圍內多個頻點的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、波函數以及電子躍遷過程，從而實現對激光頻率的控制。利用分子束外延技術獲得所設計的上千層、每層厚度精度為0.1nm、晶體質量近乎完美的GaAs/AlGaAs超精細材料。課題組實現了多個頻點的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、高光束質量的THz-QCL

為提高激光峰值功率，我們首次實現了THz-QCL激光器和放大器的單片集成。由激光器產生種子光源，經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構。

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小型化激光器系統至關重要。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在天線陣列下方置入反射鏡，將偶極天線激發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。

我們提出的結構可以靈活控制激光輻射效率、提高散熱效率、降低光束發散角。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°。激光器呈現單模激射，邊模抑制比大于20dB。

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連續工作的單模THz-QCL

連續工作的單模THz-QCL可以極大地提高激光頻率和功率的穩定性，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。實現激光器連續工作的關鍵在于降低閾值和功耗。我們在偶極天線陣列的基礎上進一步提出光子異質結諧振腔：

1）減小泵浦區天線陣列的數目以降低功耗；

2）非泵浦區天線陣列比泵浦區有更大的光子禁帶，由泵浦區產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的連續激射的單模THz-QCL，50K時的連續輸出功率達到1.5mW。單模激光的邊模抑制比大于20dB；激光光束為單瓣，遠場發散角14° × 22°。

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頻率連續可調的THz-QCL

THz-QCL在實際應用中面臨的一個關鍵瓶頸是激光頻率范圍窄并難以調諧。與時域光譜（TDS）技術相比，THz-QCL的優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，調諧范圍非常小。

在物質檢測中，每種物質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。而這要求激光頻率可在較大范圍內連續調諧。

我們在偶極天線諧振腔的基礎上，進一步研制出激光頻率連續可調的THz-QCL。我們在天線陣列中引入啁啾結構，通過天線寬度的遞變實現激光頻率遞變。

典型器件的功率-電流-電壓測試結果如圖5所示，器件在77K時峰值功率約為5mW，光束發散角約21°×16°。圖5（a）顯示了單個激光器的出射光譜，激光頻率準連續調諧的范圍達到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以上的頻率連續調諧范圍，相關工作正在進行中。

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

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實用化THz-QCL激光器系統

我們開發了2種制冷形式的THz-QCL激光器系統。第一種是液氮制冷：激光器封裝在液氮杜瓦內，具有成本低、體積小、無機械振動、低噪聲等優點，適合實驗室環境并對光束質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，其優點是無需液氮，機械振動僅約10微米，可在實驗室以外環境使用。我們還研發了THz-QCL激光器專用的脈沖驅動電源和控制軟件。

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

將開發更便于使用、性價比更高的THz-QCL激光器系統。我們熱忱地期待與更多學術界和產業界的朋友合作，為太赫茲科技的發展添磚加瓦。

編輯：jq