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：
1
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。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。
2
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。如圖2所示，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。
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。
3
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。圖3為激光器原理圖和代表性測試結果。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。
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的平均輸出功率。
(c)激光器的遠場光束分布圖。
4
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°，典型結果如圖4所示。
圖4：連續工作時的激光器性能。
（a）激光光譜。
（b）激光輸出功率。
（c）遠場光束分布。
5
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。
圖5：頻率連續調諧THz-QCL的典型測試結果。
(a)單個器件頻率調諧范圍達到60GHz。
(b)激光器在77K時的峰值功率為5mW。
（c)光束遠場分布圖。
6
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。圖6顯示了兩種制冷形式的THz-QCL激光器系統。
圖6：小型化集成的THz-QCL系統。
小結
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。
致謝：
課題組長期與國內外多個研究團隊合作，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項目支持。在此衷心感謝！
部分已發表結果：
[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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