量子級聯(lián)激光器(Quantum cascade laser, QCL)是一種基于多量子阱子帶間躍遷的單極性半導(dǎo)體光源,其發(fā)射波長不受半導(dǎo)體材料自身帶隙限制,通過能帶工程進(jìn)行裁剪和設(shè)計(jì),可以覆蓋中遠(yuǎn)紅外至太赫茲(THz)波段,在光電對抗、醫(yī)學(xué)診斷、精密測量、空間光通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近期,北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡稱量子院)陸全勇課題組與中國科學(xué)院半導(dǎo)體所劉峰奇團(tuán)隊(duì)合作在高亮度電泵浦太赫茲量子級聯(lián)激光器研發(fā)方面取得新的進(jìn)展,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了表面金屬相位工程光子晶體(SM-PEPC)腔的設(shè)計(jì),在器件尺寸大幅增大的情況下,仍能實(shí)現(xiàn)單一模式、單一THz光斑輸出,使高亮度THz激光輸出成為可能。2024年8月16日,相關(guān)成果以“High brightness terahertz quantum cascade laser with near-diffraction-limited Gaussian beam”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。
在1~5 THz激射頻率范圍內(nèi),THz QCL是最有效的電泵浦半導(dǎo)體THz輻射源,具有結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、輸出功率高和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量的單模量子級聯(lián)激光器是光電子學(xué)和激光物理學(xué)的終極目標(biāo)之一。然而,傳統(tǒng)的大功率量子級聯(lián)激光器隨著器件尺寸的增大不可避免地會(huì)出現(xiàn)多模諧振,從而導(dǎo)致光束質(zhì)量差、激光亮度降低等問題。因此,開發(fā)一種提高電泵浦量子級聯(lián)激光器輸出功率和光束質(zhì)量的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方案至關(guān)重要。
近期,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了表面金屬相位工程光子晶體(SM-PEPC)腔的設(shè)計(jì),利用PEPC腔與有源區(qū)之間的具有可控的厄米和非厄米耦合作用來抑制高階模式的振蕩,通過調(diào)節(jié)PC點(diǎn)陣基元間的相位關(guān)系和形狀關(guān)系得到對腔模和帶邊模損耗的精細(xì)調(diào)控,在器件尺寸大幅增大的情況下(~1.6 mm×1.6 mm),仍能實(shí)現(xiàn)單一模式、單一THz光斑輸出,使高亮度THz激光輸出成為可能。該新型太赫茲量子級聯(lián)面發(fā)射激光器在3.88 THz波段的單模輸出峰值功率超過185 mW,光束發(fā)散角僅為 4.4°×4.4°,在不使用任何光學(xué)透鏡的情況下,垂直和橫向方向的光束M2因子均達(dá)近衍射限的1.4,亮度(正比于輸出功率和光束質(zhì)量)達(dá)到1.6×107 W sr-1m-2,相對目前主流的透鏡矯正后的DFB-THz QCL提高了數(shù)倍。
這種晶格基元的相位工程設(shè)計(jì)能夠在大面積器件上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高亮度的表面發(fā)射,使其成為大面積 THz QCL的理想光提取器。該研究為實(shí)現(xiàn)高亮度太赫茲激光器鋪平了道路,相信在不久的將來,這種新型高性能的太赫茲量子級聯(lián)激光器在藥品檢測、工業(yè)工程、太空觀測等方面有望開展新的應(yīng)用。
該論文的第一作者為量子院與中國科學(xué)院物理所聯(lián)合培養(yǎng)博士生李儒頌、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所博士生許云飛和量子院工程師張世晨,通訊作者為量子院陸全勇研究員和中國科學(xué)院半導(dǎo)體所王利軍研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科委等項(xiàng)目的支持。
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