量子級聯激光器（Quantum cascade laser, QCL）是一種基于多量子阱子帶間躍遷的單極性半導體光源，其發射波長不受半導體材料自身帶隙限制，通過能帶工程進行裁剪和設計，可以覆蓋中遠紅外至太赫茲（THz）波段，在光電對抗、醫學診斷、精密測量、空間光通信等領域具有廣泛的應用前景。近期，北京量子信息科學研究院（以下簡稱量子院）陸全勇課題組與中國科學院半導體所劉峰奇團隊合作在高亮度電泵浦太赫茲量子級聯激光器研發方面取得新的進展，研究團隊創新性地引入了表面金屬相位工程光子晶體（SM-PEPC）腔的設計，在器件尺寸大幅增大的情況下，仍能實現單一模式、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，相關成果以“High brightness terahertz quantum cascade laser with near-diffraction-limited Gaussian beam”為題發表在Light: Science & Applications。
在1～5 THz激射頻率范圍內，THz QCL是最有效的電泵浦半導體THz輻射源，具有結構緊湊、易集成、輸出功率高和轉換效率高等優點。實現高功率和高光束質量的單模量子級聯激光器是光電子學和激光物理學的終極目標之一。然而，傳統的大功率量子級聯激光器隨著器件尺寸的增大不可避免地會出現多模諧振，從而導致光束質量差、激光亮度降低等問題。因此，開發一種提高電泵浦量子級聯激光器輸出功率和光束質量的設計思路和技術方案至關重要。
近期，研究團隊創新性地引入了表面金屬相位工程光子晶體（SM-PEPC）腔的設計，利用PEPC腔與有源區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，通過調節PC點陣基元間的相位關系和形狀關系得到對腔模和帶邊模損耗的精細調控，在器件尺寸大幅增大的情況下（~1.6 mm×1.6 mm），仍能實現單一模式、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面發射激光器在3.88 THz波段的單模輸出峰值功率超過185 mW，光束發散角僅為 4.4°×4.4°，在不使用任何光學透鏡的情況下，垂直和橫向方向的光束M2因子均達近衍射限的1.4，亮度（正比于輸出功率和光束質量）達到1.6×107 W sr-1m-2，相對目前主流的透鏡矯正后的DFB-THz QCL提高了數倍。
這種晶格基元的相位工程設計能夠在大面積器件上實現穩定和高亮度的表面發射，使其成為大面積 THz QCL的理想光提取器。該研究為實現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激光器在藥品檢測、工業工程、太空觀測等方面有望開展新的應用。
該論文的第一作者為量子院與中國科學院物理所聯合培養博士生李儒頌、中國科學院半導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院半導體所王利軍研究員。該工作得到了國家自然科學基金、北京市科委等項目的支持。
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