太赫茲(zi) 量子級聯激光器(THz-QCL)是材料科學、能帶工程與(yu) 微納光子學的完美結合體(ti) ，是太赫茲(zi) 波段極具競爭(zheng) 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(you) 點令其在太赫茲(zi) 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(jia) 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光頻梳以及超短脈衝(chong) 等方麵的工作也已見諸報道。國內(nei) 中科院半導體(ti) 所、微係統所、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於(yu) 實現高性能可實用化的THz-QCL激光器和係統，並與(yu) 國內(nei) 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）研製出2.5–5.0THz範圍內(nei) 多個(ge) 頻點的THz-QCL；

　　2）實現脈衝(chong) 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）研製出集成THz-QCL、低溫杜瓦或製冷機、驅動電源和控製軟件的可實用化太赫茲(zi) 激光係統。

　　分別介紹如下：

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　　2 – 5 THz 範圍內(nei) 多個(ge) 頻點的THz-QCL

　　借助能帶工程理論，我們(men) 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(cong) 而實現對激光頻率的控製。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(wei) 0.1nm、晶體(ti) 質量近乎完美的GaAs/AlGaAs超精細材料。課題組實現了多個(ge) 頻點的THz-QCL。圖1顯示了不同THz-QCL的激光光譜歸一化後的總和圖。近似覆蓋了2.7 – 4.9 THz的頻率範圍。激光器的最高工作溫度在100K – 140 K之間。

　　圖1：不同THz-QCL激光光譜歸一化後的總和圖。

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　　大峰值功率、高光束質量的THz-QCL

　　為(wei) 提高激光峰值功率，我們(men) 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(chan) 生種子光源，經放大器功率放大後通過光柵耦合器輻射到自由空間。我們(men) 通過光子能帶設計成功抑製了放大器的自激振蕩；提出了放大器的增益飽和機製，並給出降低增益飽和的結構。實驗上獲得了脈衝(chong) 激射的大功率單模THz-QCL。單模激光的邊模抑製比大於(yu) 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(wei) 1 – 3 mW。該器件具有較大的出光孔徑，從(cong) 而提高了光束準直性，光束聚焦後的束斑尺寸低至250um×260um。注：本文報道的激光功率均為(wei) 太赫茲(zi) 絕對功率計（TK power meter）直接測得的功率。

　　圖2：(a) THz-QCL激光器與(yu) 放大器單片集成的原理圖。

　　(b)一組共6個(ge) 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。

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　　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係統至關(guan) 重要。為(wei) 此我們(men) 提出了基於(yu) 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(wei) 激光器的諧振腔。我們(men) 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(chuan) 播的電磁場變成同向幹涉，並控製幹涉相位進而控製輻射效率。我們(men) 提出的結構可以靈活控製激光輻射效率、提高散熱效率、降低光束發散角。圖3為(wei) 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(wei) 4.5°×16°。激光器呈現單模激射，邊模抑製比大於(yu) 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。

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　　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(wei) 太赫茲(zi) 波段的標準光源、外差探測的本振源，也可以應用在太赫茲(zi) 近場光學中作為(wei) 激光光源。實現激光器連續工作的關(guan) 鍵在於(yu) 降低閾值和功耗。我們(men) 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(chan) 生的激光模式得到更好的局域，從(cong) 而降低閾值。實驗上，我們(men) 獲得了最高工作溫度為(wei) 79K的連續激射的單模THz-QCL，50K時的連續輸出功率達到1.5mW。單模激光的邊模抑製比大於(yu) 20dB；激光光束為(wei) 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。

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　　頻率連續可調的THz-QCL

　　THz-QCL在實際應用中麵臨(lin) 的一個(ge) 關(guan) 鍵瓶頸是激光頻率範圍窄並難以調諧。與(yu) 時域光譜（TDS）技術相比，THz-QCL的優(you) 點是在單一頻率下的輻射功率遠超過TDS，但激光頻率範圍遠小於(yu) TDS，而且單個(ge) THz-QCL的激光頻率往往是固定的，調諧範圍非常小。在物質檢測中，每種物質有特定的吸收譜線或者吸收帶，隻有當激光頻率與(yu) 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範圍內(nei) 連續調諧。

　　我們(men) 在偶極天線諧振腔的基礎上，進一步研製出激光頻率連續可調的THz-QCL。我們(men) 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(wei) 5mW，光束發散角約21°×16°。圖5(a)顯示了單個(ge) 激光器的出射光譜，激光頻率準連續調諧的範圍達到60GHz。由於(yu) 單個(ge) 激光器的尺寸非常小（0.8 mm× 1.6 mm），可以將多個(ge) 激光器集成在一個(ge) 模塊上，從(cong) 而“拚接”出幾百GHz乃至1THz以上的頻率連續調諧範圍，相關(guan) 工作正在進行中。相比於(yu) 基於(yu) MEMS技術的頻率可調諧THz-QCL，我們(men) 的器件不包含運動部件，操作更簡單、更易於(yu) 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(ge) 器件頻率調諧範圍達到60GHz。

　　(b)激光器在77K時的峰值功率為(wei) 5mW。

　　（c)光束遠場分布圖。

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　　實用化THz-QCL激光器係統

　　我們(men) 開發了2種製冷形式的THz-QCL激光器係統。第一種是液氮製冷：激光器封裝在液氮杜瓦內(nei) ，具有成本低、體(ti) 積小、無機械振動、低噪聲等優(you) 點，適合實驗室環境並對光束質量要求高的應用場景。第二種是斯特林製冷：激光器封裝在斯特林製冷機內(nei) ，其優(you) 點是無需液氮，機械振動僅(jin) 約10微米，可在實驗室以外環境使用。我們(men) 還研發了THz-QCL激光器專(zhuan) 用的脈衝(chong) 驅動電源和控製軟件。圖6顯示了兩(liang) 種製冷形式的THz-QCL激光器係統。

　　圖6：小型化集成的THz-QCL係統。

　　小結

　　課題組始終致力於(yu) 高性能THz-QCL激光器的研製和應用推廣。將持續提升激光器的關(guan) 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範圍等。將開發更便於(yu) 使用、性價(jia) 比更高的THz-QCL激光器係統。我們(men) 熱忱地期待與(yu) 更多學術界和產(chan) 業(ye) 界的朋友合作，為(wei) 太赫茲(zi) 科技的發展添磚加瓦。

　　致謝：

　　課題組長期與(yu) 國內(nei) 外多個(ge) 研究團隊合作，得到了他們(men) 的鼎力支持。課題研究得到了基金委、科技部和中科院相關(guan) 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).