与非网6月1日讯 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。

 

太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)是太赫兹频段最具竞争力的相干光源之一,在天文观测、空间通讯和精密光谱测量等领域具有潜在的应用价值。同时,THz-QCL是电子和光子能带工程以及分子束外延技术的完美结合,是研究电子微观输运、纳米光子学,以及太赫兹波与物质相互作用的理想载体。

 

2018年上海技物所首次自主研制的太赫兹量子级联激光器成功实现激射。中科院红外成像材料与器件重点实验室的科研人员采用先进的分子束外延技术和半导体微纳加工平台自主完成了太赫兹量子级联激光器的结构设计、材料生长和器件制备。激光器经法国国家科学研究中心基础电子学研究所测试,激光频率为2.5THz,最高工作温度为73K,输出功率为5mW;器件性能与英国剑桥大学研制的同样采用“束缚态至连续态跃迁”有源区设计方案的激光器水平相当。

 

太赫兹量子级联激光器的研制难度大,对结构设计、材料生长和器件工艺均有很高的要求。技物所首次研制的太赫兹量子级联激光器即获得成功激射,并达到国际先进水平;激光器的结构设计、材料的分子束外延,以及器件的微纳加工与封装均由该所自主完成。这标志着上海技物所依靠自主能力在太赫兹量子级联激光器领域进入世界前列。该项成果已经引起了国际同行的高度关注和兴趣,已有多个研究单位表达了与技物所在太赫兹激光领域开展合作的意向。

 

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:

1

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。

 

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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。

 

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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。

 

4

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。

 

5

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。

 

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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。