摘要
自2002年，太赫兹量子级联激光器(TerahertzQuantumCascadeLaser,THz-QCL)问世以来，由于其能量转换率高、紧凑、轻便、易于集成等优点，成为了THz辐射源研究领域中的焦点。经过近20年的发展，THz-QCL在输出功率、最高工作温度、远场光斑、单模性质以及调谐范围等性能上得到了很大的提高。这些进步不仅得益于量子级联有源区的设计和外延生长技术的提高，同时也得益于人们对THz-QCL波导结构和谐振腔结构的探索。本文以设计出优异的谐振腔结构，以提高THz-QCL输出功率、远场光斑质量以及单模性质关键性能为目的，分别对THz-QCL锁相耦合阵列和双金属波导偶极天线阵列进行了研究。 围绕锁相耦合THz-QCL阵列技术路线，以成倍地提高单模激光器的最高输出功率为目的，研究结果如下: 1)结合理论和实验研究了掩埋光栅一级分布反馈太赫兹量子级联激光器(1st-DFB-THz-QCL)中的模式竞争和功率特性。理论计算得到掩埋光栅腐蚀深度与两个带边模式的波导损耗、光学限制因子、辐射损耗以及辐射效率的关系。实验和测试表明，激光器辐射波长和掩埋光栅的周期呈正比，激光器可在整个动力学范围内均实现稳定地单模工作。 2)结合上述工作，基于倏逝波耦合机制获得了包含有两个1st-DFB-THz-QCLs的锁相耦合激光器。在理论上探究了锁相耦合结构中同相耦合以及反相耦合的阈值条件和模式竞争。从实验上获得了稳定工作的单模输出锁相耦合激光器阵列，其最高输出功率为8.06mW，是单元器件的1.72倍。光谱以及远场测试结果分别验证了锁相耦合激光器处于稳定地锁相状态，并且通过调节阵列中的单元器件的泵浦电流，实现了对锁相耦合器件一维远场的电调控，其中远场光斑最强点的角度可从-10°到10°连续地电致扫描。 围绕双金属波导偶极天线阵列THz-QCL技术路线，以获得高散热性能、高质量远场、高辐射效率、宽频率电调谐等优点为一体的THz-QCL谐振腔为目标，研究结果如下: 3)运用偶极天线理论，探讨了单个线性偶极天线以及偶极天线阵列的原理基础，探讨了天线结构的辐射场的辐射角度、辐射损耗等特性。将偶极天线结构和THz双金属波导结构相结合，研究了双金属波导偶极模式的电场分布和功率流特性，进而研究了双金属波导偶极阵列结构中的同相模式和反相模式的特性，揭示了两个模式不能直接用于THz-QCL谐振腔的原因。 4)基于同相模式，并采用聚苯丙环丁烯(BCB)介质层和金属反射镜面，设计了新型THz-QC-VCSELs谐振腔结构。该结构利用双向辐射偶极天线的特性，结合双向辐射天然的反相关系，经金属镜将反相位的光场反射回偶极天线的顶部，显著降低谐振腔的辐射效率，实现THz辐射的激射。计算表明，该结构可灵活地控制激射频率以及辐射损耗，并且具有单瓣的远场辐射光斑，模拟得到远场光斑的半高全宽可低至6.5°×8°。提出了新型的谐振腔边界条件——辐射边界条件（RadiationBoundaryCondition，RBC），计算表明，它可减少器件的功耗，提升器件的最高工作温度。探索了GaAs基的BCB键合固化工艺，构建精确厚度的BCB介质层和反射镜，设计并摸索了THz-QC-VCSELs的工艺流程。 5)基于反相模式，设计了非均匀偶极天线垂直表面发射的THz-QCL谐振腔。通过模拟数值分析，获得了结构参数和激射频率、辐射损耗的关系。模拟中发现，该谐振腔同时具有高质量远场、窄脊条、辐射损耗大范围可调等优点。在实验上获得了单模、垂直表面激射的THz-QCL，器件远场光斑的半高全宽可低至4.5°×16°。实验上探究了非均匀偶极天线THz-QCL的结构调谐以及功率特性，获得了最高输出功率为33.2mW，功率斜率效率为77.2mW/A，电光转换效率为0.14％的器件。 最后，对进一步提高非均匀偶极天线垂直表面发射的THz-QCL的性能，最终实现连续流模式下，具有高输出功率、高质量远场光斑、宽的电调谐范围性能的THz-QCL做出展望和设想。
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