摘要
太赫兹辐射在化学和生物传感、成像、无损检测、光谱学等诸多领域有着巨大的应用潜力。为了产生可靠的太赫兹辐射，需要一种紧凑、低成本、高效的相干源。太赫兹量子级联激光器(Terahertz quantum cascade laser,THz QCL)由于其子带间单极跃迁和独特的波导结构，具有小体积、低功耗、电光转化效率高等特点，是非常理想的太赫兹固体辐射源。近十几年来，太赫兹量子级联激光器的性能高速发展，在输出功率、工作温度、光束质量和单模及单模可调谐等方面都取得了许多成果。本文在本组之前的工作基础上对低温下太赫兹量子级联激光器的功率性能进行了进一步的优化提高，在不同的波段取得了如下成果: 一.设计了基于高Al组分和斜跃迁的有源区结构 1.提出了基于高Al组分的四阱斜跃迁有源区结构，有效抑制载流子泄漏使得器件具有较低的阈值电流，在此基础上将有源区级联数增加为300个周期。通过热激活能模型验证了高Al组分对载流子泄漏到连续态通道的抑制作用，为降低器件阈值条件提供了理论依据。利用该结构在同一晶圆上生长制备了可以在脉冲和连续模式下都具有大功率输出的太赫兹量子级联激光器，实现了在液氦温度下单面1.03 W、双面1.57 W的脉冲输出功率和单面256 mW的连续输出功率，器件功率转换效率为1.18％。激光器激射频率覆盖3.8-4.05 THz,脉冲最高工作温度为119K。 2.设计双离轴抛物面镜合束系统实现了双面光束耦合输出，在液氦工作温度下实现了中心频率为4.3 THz波段的单管脉冲峰值功率达2 W，双管达3.5 W,达到国际先进水平。 二.设计了基于束缚态到束缚态跃迁(Bound to bound,BTB)结构的连续波激光器 1.设计了 BTB和共振声子抽取的混合有源区结构，有效减少了激射能级和寄生能级之间的寄生通道，采用高Al组分减少了热激活载流子到连续态的泄漏几率，有利于形成更高的增益和更低的阈值条件。 2.在BTB混合有源区设计基础上利用SISP波导工艺制备了 F-P激光器，器件在连续模式下单管输出功率为312mW,为目前最高记录。器件阈值电流密度为0.11 kA/cm2,阈值注入功率密度为0.8 kW/mm3,相较于之前文献类似工作的报导结果减少了 70％。器件激射中心频率为3.9THz。 三.设计实现了频率超过5THz的太赫兹量子级联激光器的连续波模式工作 1.提出了一种基于GaAs/Al0.18Ga0.82As材料体系的由四个量子阱的重复周期组成的束缚态到连续态跃迁(Bound to continuum,BTC)和共振声子抽取混合设计的有源区结构，通过优化调整注入势垒的厚度，减少激射态和寄生态之间的耦合来显著抑制电流泄漏通道，实现低阈值工作的同时确保激光器有足够的增益。 2.基于四阱耦合混合有源区结构和SISP波导工艺制备了一系列F-P器件，激光器阈值电流低至0.11～0.13kA/cm2,脉冲模式下输出功率最高为单面220 mW,连续最高功率为79 mW,器件最高激射频率可达5.26 THz。 3.设计了梯度采样光栅DFB结构，实现了两端腔面光场分布的非对称调控，提高了激光器光输出面功率提取效率。制备了第一个频率超过5 THz并且能在连续模式下工作的单模边发射太赫兹量子级联激光器。器件在15 K时激射频率为5.13 THz,输出功率最高为48 mW,边模抑制比为24 dB。
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