1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
太赫兹量子级联激光器作为目前产生太赫兹激光的最有效手段之一，如何提升其性能表现一直是科学界所关注的重点。本篇综述将从光电调控的角度，阐述目前太赫兹量子级联激光器的性能进展。从激光器有源区设计原理开始，介绍几种新的有源区设计，再从谐振腔的角度介绍一系列新的结构，并展示他们对于功率和光束质量的提升。最后，阐述了太赫兹量子级联激光器在偏振调控和频率调谐的最新进展。
太赫兹 量子级联激光器 激光功率 光束质量 偏振调控 频率调谐 Terahertz quantum cascade lasers laser power beam quality polarization control tuning
1 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件院重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京100049
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。理论计算表明,掩埋光栅分布反馈结构可以通过改变腐蚀深度,保证激光器稳定单模工作在高频带边模式的同时,调节激光器的阈值增益以及辐射效率。实验和测试结果表明,激光器辐射波长和掩埋光栅的周期成正比,激光器可以在整个动力学范围内稳定单模工作。单模激光器的波长范围可覆盖86.2~91.7 μm的范围,边模抑制比可达25 dB,最大输出功率为9.1 mW。该工作有助于高性能单模太赫兹激光器及锁相耦合激光器阵列的研制。
激光器 太赫兹 量子级联激光器 掩埋光栅 分布反馈 模式竞争
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
对比研究了两种不同结构太赫兹波段的双金属波导一级分布反馈量子级联激光器(THz-DFB-QCL).提出并实现基于衍射光栅耦合输出的THz-DFB-QCL中, 太赫兹波通过衍射光栅而非解理腔面形成出射.计算表明, 优化衍射光栅的结构可实现约70%的激光输出效率和小于1%的反射率, 激光发散角约为10°×50°.极低的反射率可以有效抑制反射波对腔内谐振的干扰, 是获得单模激射的关键.实验上, 利用衍射光栅耦合输出的激光器实现了频率约2.58 THz的稳定单模激光, 边模抑制比达23 dB, 光束分布与理论计算相吻合.得益于较好的衍射效率和光束准直性, 相比于常规的解理腔面边发射激光器, 通过衍射光栅耦合输出显著提升了激光功率.
太赫兹 一级分布反馈 量子级联激光器 衍射光栅 terahertz first-order distributed feedback quantum cascade lasers diffraction grating
中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件院重点实验室, 上海 200083
结合实验和理论计算研究了太赫兹二级分布反馈量子级联激光器中的模式竞争和功率特性.研究表明, 激光器在整个动力学范围内均稳定地工作在横向及纵向的基模.横向基模的产生原因是脊条两侧的吸收边界有效提高了高阶横模的损耗.纵向基模的产生原因主要是谐振腔内基模与高阶纵模的电磁场分布交叠较大, 并且频率接近, 从而有效避免了增益在空间和频域的烧孔效应.此外, 激光器的辐射效率随分布反馈光栅长度的增加而减小, 导致只有在特定的光栅长度才能获得最大的输出功率.该工作有助于高性能单模太赫兹激光器及锁相激光器阵列的研制.
太赫兹 量子级联激光器 单模 模式竞争 Terahertz quantum cascade lasers single mode mode competition
