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(diǎn)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(yīng)用價(jià)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(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:
2 – 5 THz 范圍內(nèi)多個(gè)頻點(diǎn)的THz-QCL
借助能帶工程理論,我們在GaAs/AlGaAs多量子阱中通過精確設(shè)計(jì)勢阱/勢壘層的厚度、勢壘高度以及外加電場,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。
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功率計(jì)(TK power meter)直接測得的功率。
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。
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(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)場光束分布圖。
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、外差探測的本振源,也可以應(yīng)用在太赫茲近場光學(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。我們在偶極天線陣列的基礎(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)場光束分布。
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(jìn)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(shí)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(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?。?.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)場分布圖。
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)境并對光束質(zhì)量要求高的應(yīng)用場景。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:
課題組長期與國內(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!
部分已發(fā)表結(jié)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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