室温太赫兹激光器的关键技术研究

Compact room temperature terahertz (THz) coherent light source is indispensible for most THz application such as sensing, imaging and communication. Conventional quantum cascade lasers (QCLs) with output power above 1 W at 10 K have been achieved, but the operating temperature is still below 200 K, which inhibits their implement in most THz applications. Based on our prevenient achievements on room temperature operated QCLs, this project will focus on the study of difference-frequency generation (DFG) from mid-Infrared dual-wavelength QCLs. (1) The room temperature operated dual-wavelength QCLs will be achieved by precise controlling of layers thickness, interfaces quality, strain, composition, modulated doping, and combined with tunneling epitaxy. (2) The waveguide structure parameters will be optimized, and then the waveguide loss of QCLs both in the mid infrared and THz waves is reduced simultaneously. (3) Several new schemes such as single-core active region and coupling ridge waveguide will be adopted to increase the pump power and the nonlinear coefficient. The intracavity losses of THz wave and mid-IR to THz conversion efficiency will be improved by the study of cerenkov radiation and THz wave extraction from substrate. The mode selection of THz wave by distributed feedback (DFB) grating structure will be investigated. This project will solve the basic problem of single mode and width band emission of THz DFG-QCL and break their power limitation at room temperature.

室温大功率紧凑型1-5太赫兹（THz）相干光源在THz传感、成像、通讯等领域有重要的应用需求。传统的THz量子级联激光器（QCL）经过十多年的努力已实现低温1W以上的输出功率，但是工作温度仍然无法突破200K。目前室温大功率THz激光器已经成为THz科学和技术领域的一个瓶颈问题。本项目拟在原有QCL的基础上，注入新的物理思想，开展基于双波长中红外QCL腔内差频（DFG）的室温THz QCL研究。（1）发展双波长中红外QCL材料能带理论和可控制备技术，奠定高功率THz DFG-QCL的材料基础；（2）设计波导结构参数，同时减小中红外和THz波的波导损耗；（3）研究耦合脊波导结构对中红外QCL泵浦光的放大效应，利用Cerenkov辐射和衬底衍射光栅提高THz波的抽取效率，研究DFB光栅结构对THz波的模式选取。本项目最终实现室温工作的高功率单模发射和宽带发射的THz DFG-QCL器件。

室温大功率紧凑型1-5太赫兹（THz）相干光源在THz传感、成像、通讯等领域有重要的应用需求。传统的THz量子级联激光器（QCL）经过十多年的努力已实现低温1W以上的输出功率，但是工作温度仍然无法突破250K。目前室温大功率THz激光器已经成为THz科学和技术领域的一个瓶颈问题。本项目在原有QCL的基础上，注入新的物理思想，开展基于双波长中红外QCL腔内差频（DFG）的室温THz QCL研究。（1）发展了双波长、宽带单核有源区的中红外QCL材料能带理论和可控制备技术，奠定了高功率THz DFG-QCL的材料基础；（2）设计了波导结构参数，同时减小中红外和THz波的波导损耗；（3）研究了耦合脊波导结构对中红外QCL泵浦光的放大效应，利用Cerenkov辐射和衬底衍射光栅提高THz波的抽取效率，研究了DFB光栅结构对THz波的模式选取。本项目最终实现室温工作的高功率THz DFG-QCL器件。通过材料生长、光栅设计、半绝缘工艺、倒焊键合等系统优化，差频太赫兹源在功率输出等性能上得到了显著的改善。在室温下，基于双有源区设计的器件A160太赫兹脉冲峰值功率达到200μW，辐射频率约3THz，基于双上能级有源区设计的器件（G1825）实现连续双波长激射，功率达到3.5μW的太赫兹辐射，辐射频率约2.8THz，国际最好水平为西北大学的5μW。同时，通过在半绝缘衬底背面制备衍射光栅，获得了超过3.5μW的差频太赫兹表面发射，有效提高了太赫兹辐射的抽取效率。未来这些太赫兹源的不断优化显示了它们在天文、医疗领域等诸多领域的应用潜力。本项目获得了多项有意义的成果，发表了SCI论文22篇，部分结果发表在Applied Physics Letter、IEEE Photonics Technology Letter、Photonics Research等国际著名杂志上，器件指标达到了国内领先水平，申请国家发明专利7项，培养毕业生4人。