基于太赫兹量子级联激光器的相关研究

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太赫兹(THz)波是指频率从0.1~10 THz、介于毫米波与红外光之间的电磁波，具有安全性、宽带性、指纹谱特性和穿透性等特点，在国家安全、航空航天、生物医学、材料科学等众多领域都有潜在的重大应用价值。太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的基本原理是基于人为设计的子带结构形成周期，利用上百个这样的周期通过量子隧穿耦合形成量子级联能级结构，在静电场的驱动下实现载流子占有数反转，进而辐射出太赫兹激光。THz QCL作为一种紧凑的、相干的固体连续辐射源，其辐射频率可通过能带和波函数设计进行调控，具有响应速度快、体积小、便于集成等优点。该器件在材料科学、生物医学、航空航天、国家防卫与安全等众多领域都有潜在的重大应用价值。到目前，THz QCL的性能指标大幅度提高，已经实现了辐射频率范围0.68~4.9 THz，连续波工作模式下的最高激射温度为117 K、最大输出功率为138 mW，脉冲工作模式下最高激射温度为200 K、最大输出功率超过1 W。但是，遗憾的是这些令人高兴的参数并不来自于同一个器件，因此需要进一步研究。

经过不断摸索与创新，THz QCL的研究取得了多项突破：提出并实现了源炉温度非线性调控、高能电子衍射频谱精确分析、材料生长初期动力学过程控制、透镜聚焦光束整形等新思想和方法，进而完成了THz QCL有源区超高质量材料的制备、微纳器件加工、输出光束整形等核心技术。器件实现了2.5，2.9，3.1 THz和3.3 THz多频点的太赫兹波输出。2.5 THz QCL连续波输出功率大于6.0 mW，3.1 THz QCL连续波输出功率大于200 mW。在此基础上，基于THz QCL的全息成像仪分辨率达到100 mm，初步证明了THz QCL的应用价值。

1  2.9 THz QCL的研制

采用半绝缘GaAs为衬底材料，生长面为(001)面。有源区基于束缚态到连续态跃迁结构，多量子阱结构为90个周期，周期结构为3.8/14/0.6/9/0.6/15.8/1.5/12.8/1.8/12.2/2/12/2/11.4/2.7/11.3/3.5/11.6 nm，其中，粗体表示Al_0.15Ga_0.85As势垒层，普通字体表示GaAs层，下划线字体表示掺杂层，掺杂浓度为1.6×10¹⁶ cm^-3。图1(a)是THz QCL 有源区的高分辨X射线衍射曲线。根据X射线衍射理论可计算出，周期厚度为128.5 nm，与理论设计值128.6 nm偏差小于1‰，表明材料生长上对有源区厚度的控制非常精确。波导结构采用半绝缘等离子体波导。器件完成工艺后的高分辨光学照片如图1(b)所示。

 图2是器件连续波模式下、工作温度为10 K的光功率-电流-电压(L-I-V)特性曲线，其中，插图是对应的激射谱。通过I-V曲线，可以看到，该器件的阈值电压为3.69 V，对应电场强度为3.2 kV/cm，阈值电流密度为156 A/cm²。从激射谱图中可以看出，器件为单模激射，激射频率为2.93 THz。器件在10 K时的最大输出光功率为7.84 mW，对应电流为410 mA。

2  2.5 THz QCL的研制

有源区基于束缚态到连续态跃迁结构，多量子阱结构为90个周期，周期结构为3.5/15.0/0.55/9.6/0.55 /16.9/1.4/13.7/1.7/13.1/1.9/12.8/1.9/12.2/2.5/12.1/3.2/12.4 nm，其中，粗体表示Al_0.15Ga_0.85As势垒层，普通字体表示GaAs层，下划线字体表示掺杂层，掺杂浓度为1.6×10¹⁶ cm^-3。波导结构采用半绝缘等离子体波导。将封装完成的THz QCL器件出光端紧密配合安装Winston光锥以提高收集效率。图3(a)为器件工艺后的扫描电镜照片。图3(b)(c)是不同工作温度下的功率输出特性和通过Si透镜聚焦后THz阵列相机测得的光斑。从图中可以看出，随着温度的增加，器件的输出功率逐渐下降，特别是温度升高到40 K以后，下降非常明显，器件最高工作温度可达到60 K。

3  3.1 THz QCL大功率器件的研制

有源区基于束缚态到连续态跃迁结构，多量子阱结构为200个周期，周期结构为52/103/17/107.5 /36/88/39.5/172 nm，其中，粗体表示Al_0.15Ga_0.85As势垒层，普通字体表示GaAs层，下划线字体表示掺杂层，掺杂浓度为3.0×10¹⁶ cm^-3。波导结构采用半绝缘等离子体波导。将封装完成的THz QCL器件出光端紧密配合安装Winston光锥以提高收集效率。图4(a)(b)分别为器件的激射谱和连续波输出功率、光斑随阈值电流的变化。从图4中可以看出，器件的输出频率为3.11 THz，连续波输出功率大于200 mW。

4  基于THz QCL的全息成像

在THz QCL输出光稳定控制技术、光束整形技术、太赫兹波传输技术等基础上，研制出移动式QCL THz全息成像仪，条形分辨率板的测试结果表明，该仪器的分辨率达到100 mm。同时，基于该系统成功获得了金属样品、生物样品、半导体材料微结构的全息再现图，如图5所示。