重大！太赫兹量子级联激光器研究获系列进展

太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)是材料科学、能带工程与微纳光子学的完美结合体，是太赫兹波段极具竞争力的紧凑型激光源。THz-QCL所特有的高功率、小型化以及易集成等优点令其在太赫兹成像、通信、物质检测、精密光谱分析、近场显微成像等领域具有重要的应用价值。国际上，THz-QCL的最高工作温度已接近室温（250K）；液氮温度（77K）THz-QCL的峰值功率已达到1W以上，连续输出功率已达到10mW量级；77K时的激光频率连续调谐能力已达到~800GHz；经过稳频和锁相技术，激光线宽已压缩至1 Hz量级；THz-QCL光频梳以及超短脉冲等方面的工作也已见诸报道。国内中科院半导体所、微系统所、上海技术物理研究所（上海技物所）以及工程物理研究院等单位也在THz-QCL领域取得令人振奋的进展。
上海技物所徐刚毅课题组致力于实现高性能可实用化的THz-QCL激光器和系统，并与国内外同行合作推广该激光器的实际应用。目前已取得的进展包括：

1）研制出2.5–5.0THz范围内多个频点的THz-QCL；
2）实现脉冲模式下大峰值功率、高光束质量的单模THz-QCL；
3）获得较大平均功率的单模THz-QCL；
4）获得连续激射的单模THz-QCL；
5）实现激光频率准连续可调的THz-QCL；
6）研制出集成THz-QCL、低温杜瓦或制冷机、驱动电源和控制软件的可实用化太赫兹激光系统。

分别介绍如下：
2 – 5 THz 范围内多个频点的THz-QCL
借助能带工程理论，我们在GaAs/AlGaAs多量子阱中通过精确设计势阱/势垒层的厚度、势垒高度以及外加电场，精细设计电子能级、波函数以及电子跃迁过程，从而实现对激光频率的控制。利用分子束外延技术获得所设计的上千层、每层厚度精度为0.1nm、晶体质量近乎完美的GaAs/AlGaAs超精细材料。课题组实现了多个频点的THz-QCL。图1显示了不同THz-QCL的激光光谱归一化后的总和图。近似覆盖了2.7 – 4.9 THz的频率范围。激光器的最高工作温度在100K – 140 K之间。

图1：不同THz-QCL激光光谱归一化后的总和图。
大峰值功率、高光束质量的THz-QCL
为提高激光峰值功率，我们首次实现了THz-QCL激光器和放大器的单片集成。如图2所示，由激光器产生种子光源，经放大器功率放大后通过光栅耦合器辐射到自由空间。我们通过光子能带设计成功抑制了放大器的自激振荡；提出了放大器的增益饱和机制，并给出降低增益饱和的结构。实验上获得了脉冲激射的大功率单模THz-QCL。单模激光的边模抑制比大于20dB，激光频率可控。液氮温度（77K）时最高峰值功率达245mW，平均输出功率为 1 – 3 mW。该器件具有较大的出光孔径，从而提高了光束准直性，光束聚焦后的束斑尺寸低至250um×260um。注：本文报道的激光功率均为太赫兹绝对功率计（TK power meter）直接测得的功率。

图2：(a) THz-QCL激光器与放大器单片集成的原理图。 (b)一组共6个激光器的激光光谱图。 (c)-(d)典型器件的峰值功率和激光束斑。
低功耗、大平均功率的THz-QCL
提高激光器的平均输出功率、降低器件的功耗对实现小型化激光器系统至关重要。为此我们提出了基于偶极天线阵列的THz-QCL谐振腔。单纯的偶极天线具有极高的辐射损耗，无法作为激光器的谐振腔。我们利用芯片键合技术在天线阵列下方置入反射镜，将偶极天线激发的反向传播的电磁场变成同向干涉，并控制干涉相位进而控制辐射效率。我们提出的结构可以灵活控制激光辐射效率、提高散热效率、降低光束发散角。图3为激光器原理图和代表性测试结果。77K时的激光平均功率可达约6 mW。器件具有良好的单瓣光束，半高全宽为4.5°×16°。激光器呈现单模激射，边模抑制比大于20dB。

图3：(a)偶极天线阵列THz-QCL示意图。 (b)激光器在不同工作温度时的平均输出功率。 (c)激光器的远场光束分布图。
连续工作的单模THz-QCL
连续工作的单模THz-QCL可以极大地提高激光频率和功率的稳定性，可以作为太赫兹波段的标准光源、外差探测的本振源，也可以应用在太赫兹近场光学中作为激光光源。实现激光器连续工作的关键在于降低阈值和功耗。我们在偶极天线阵列的基础上进一步提出光子异质结谐振腔：1）减小泵浦区天线阵列的数目以降低功耗；2）非泵浦区天线阵列比泵浦区有更大的光子禁带，由泵浦区产生的激光模式得到更好的局域，从而降低阈值。实验上，我们获得了最高工作温度为79K的连续激射的单模THz-QCL，50K时的连续输出功率达到1.5mW。单模激光的边模抑制比大于20dB；激光光束为单瓣，远场发散角14° × 22°，典型结果如图4所示。

图4：连续工作时的激光器性能。（a）激光光谱。（b）激光输出功率。（c）远场光束分布。
频率连续可调的THz-QCL
THz-QCL在实际应用中面临的一个关键瓶颈是激光频率范围窄并难以调谐。与时域光谱（TDS）技术相比，THz-QCL的优点是在单一频率下的辐射功率远超过TDS，但激光频率范围远小于TDS，而且单个THz-QCL的激光频率往往是固定的，调谐范围非常小。在物质检测中，每种物质有特定的吸收谱线或者吸收带，只有当激光频率与吸收线/带重合时才能特异性地检出被测物质。而这要求激光频率可在较大范围内连续调谐。
我们在偶极天线谐振腔的基础上，进一步研制出激光频率连续可调的THz-QCL。我们在天线阵列中引入啁啾结构，通过天线宽度的递变实现激光频率递变。典型器件的功率-电流-电压测试结果如图5所示，器件在77K时峰值功率约为5mW，光束发散角约21°×16°。图5(a)显示了单个激光器的出射光谱，激光频率准连续调谐的范围达到60GHz。由于单个激光器的尺寸非常小（0.8 mm× 1.6 mm），可以将多个激光器集成在一个模块上，从而“拼接”出几百GHz乃至1THz以上的频率连续调谐范围，相关工作正在进行中。相比于基于MEMS技术的频率可调谐THz-QCL，我们的器件不包含运动部件，操作更简单、更易于维护，而且频率稳定性更好。

图5：频率连续调谐THz-QCL的典型测试结果。 (a)单个器件频率调谐范围达到60GHz。 (b)激光器在77K时的峰值功率为5mW。（c)光束远场分布图。
实用化THz-QCL激光器系统
我们开发了2种制冷形式的THz-QCL激光器系统。第一种是液氮制冷：激光器封装在液氮杜瓦内，具有成本低、体积小、无机械振动、低噪声等优点，适合实验室环境并对光束质量要求高的应用场景。第二种是斯特林制冷：激光器封装在斯特林制冷机内，其优点是无需液氮，机械振动仅约10微米，可在实验室以外环境使用。我们还研发了THz-QCL激光器专用的脉冲驱动电源和控制软件。图6显示了两种制冷形式的THz-QCL激光器系统。

图6：小型化集成的THz-QCL系统。
小结
课题组始终致力于高性能THz-QCL激光器的研制和应用推广。将持续提升激光器的关键性能，如激光器工作温度、激光功率、光束质量、光谱纯度、激光频率的稳定性以及调谐范围等。将开发更便于使用、性价比更高的THz-QCL激光器系统。我们热忱地期待与更多学术界和产业界的朋友合作，为太赫兹科技的发展添砖加瓦。
致谢：课题组长期与国内外多个研究团队合作，得到了他们的鼎力支持。课题研究得到了基金委、科技部和中科院相关项目支持。在此衷心感谢！
部分已发表结果：[1] Huan Zhu, et al, “Terahertz master-oscillator power-amplifier quantum cascade lasers”, Appl. Phys. Lett. 109, 231105 (2016).[2] Huan Zhu, et al, “Terahertz master-oscillator power-amplifier quantum cascade laser with a grating coupler of extremely low reflectivity”, Optics Express, Vol. 26, 1942, (2018).[3] Chenren Yu, et al, “Highly efficient power extraction in terahertz quantum cascade laser via a grating coupler”, Appl. Phys. Lett. 113, 121114 (2018).[4] Haiqing Zhu, “Modeling and improving the output power of terahertz master-oscillator power-amplifier quantum cascade lasers”, Optics Express, Vol. 28, 23239, (2020).[5] Haiqing Zhu, et al, “Terahertz master-oscillator power-amplifier quantum Cascade laser with controllable polarization”, Appl. Phys. Lett. 117, 021103 (2020).

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