中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室，上海 200050
太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器都是基于子带间电子跃迁的半导体器件，具有体积小、频率可调、响应速度快等优点。其工作波长位于微波波长和红外波长之间，其光谱涵盖了众多气体分子、化合物以及凝聚态物质的频谱特征，在天文观测、公共安全、生物医药等领域中有重大应用前景。近年来，太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的性能有了显著提高，其应用也受到关注。回顾了太赫兹量子级联激光器和量子阱探测器的发展历程，简述了其工作原理和器件结构，介绍了器件性能在工作温度、光谱范围等方面的最新进展及其在高分辨光谱、太赫兹成像、无线宽带通信等方面的应用，并在此基础上分析了目前存在的问题和研究热点，对其未来发展进行了展望。
光学器件 太赫兹技术 量子级联激光器 量子阱探测器
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Beijing100083, China
2 Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing100083, China
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Sharing the advantages of high optical power, high efficiency and design flexibility in a compact size, quantum cascade lasers (QCLs) are excellent mid-to-far infrared laser sources for gas sensing, infrared spectroscopic, medical diagnosis, and defense applications. Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) is an important technology for growing high quality semiconductor materials, and has achieved great success in the semiconductor industry due to its advantages of high efficiency, short maintenance cycles, and high stability and repeatability. The utilization of MOCVD for the growth of QCL materials holds a significant meaning for promoting the large batch production and industrial application of QCL devices. This review summarizes the recent progress of QCLs grown by MOCVD. Material quality and the structure design together determine the device performance. Research progress on the performance improvement of MOCVD-grown QCLs based on the optimization of material quality and active region structure are mainly reviewed.
quantum cascade lasers continuous wave high optical power metal organic chemical vapor deposition broad gain Journal of Semiconductors
2023, 44(12): 121901
强激光与粒子束
2023, 35(12): 121003
1 北京量子信息科学研究院 量子材料与器件研究部，北京 100193
2 中国科学院物理研究所 北京凝聚态物理国家实验室，北京 100190
3 中国科学院大学 物理学院，北京 100049
4 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室，北京 100083
作为一种新型半导体激光器，量子级联激光器因其独特的子带间跃迁机制，具有高速响应、高非线性、输出波长大范围可调等特点。近年来随着输出光功率和电光转化效率等性能指标的快速提升，量子级联激光器已成为中红外至太赫兹波段（波长约为3~300 μm）的主流激光光源，在大气污染监控、气体检测、太赫兹成像、生物医疗以及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。本文阐释了量子级联激光器的发展历程以及工作原理；分别重点讨论了中红外量子级联激光器在高效率、大功率、波长可调谐以及片上传感的应用等方面的研究进展，并对基于中红外量子级联激光器差频太赫兹光源和光频梳的发展进行叙述，最后进行了简要总结与展望。
量子级联激光器 片上传感 光频梳 太赫兹 Quantum cascade lasers On-chip sensing Optical frequency comb Terahertz 光子学报
2023, 52(10): 1052409
1 海南师范大学物理与电子工程学院，海南省激光技术与光电功能材料重点实验室，海南省院士团队创新中心，海南 海口 571158
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
设计了一种基于双增益芯片合束的超宽带可调谐中红外激光器，该激光器以Littrow结构为基础，采用中心波长分别为4.0 μm和4.6 μm的两个量子级联增益芯片提供光增益，通过4.2 μm低通高反分束片合束后，将增益光入射到300 lines/mm的闪耀光栅形成光反馈，两个量子级联增益芯片通过交替互补的工作方式实现了3~5 μm的超宽谱调谐。在25 ℃温控和303 mA注入电流下，该激光器在34.54°~46.50°的闪耀光栅旋转角度下工作，波长调谐范围为3779~4836 nm（包括179 nm波长调谐空白区间），最大输出光功率为14.12 mW，边模抑制比为20 dB。该激光器具有结构紧凑、调谐范围超宽的优点，可为研制便携式模块化的中红外激光器提供参考。
激光器 量子级联激光器 闪耀光栅 可调谐 Littrow 光学学报
2023, 43(11): 1114003
基于传输矩阵理论及多模速率方程，研究了宽谱太赫兹量子级联激光器在不同光反馈强度下的自混合动力学特性。研究发现，在弱反馈下光场自混合对激光器光谱特性影响很小；反射物位置移动时的自混合信号呈正弦规律变化，同时自混合信号幅度随反射物位置的变化表现出周期性调制现象。宽谱量子级联激光器在弱反馈下可以应用于测距、成像及光谱测量。在强反馈下，宽谱激光器光谱受自混合影响显著，并有新的模式在原自由运行模式附近出现；但随着反射物移动，自混合信号波峰个数同弱反馈条件下一致，可正确描述反射物的移动规律。因此，强反馈下宽谱量子级联激光器仍可在一定条件下实现微米级的测距和成像技术。这一研究将有助于发展基于宽谱太赫兹量子级联激光器自混合现象的传感器应用。
太赫兹 量子级联激光器 自混合 宽谱激光器 传输矩阵 terahertz quantum cascade lasers self-mixing interference broadband lasers transition matrix 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(4): 297
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 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 太赫兹固态技术实验室，上海 200050
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
太赫兹量子阱探测器具有皮秒级的响应时间和1 GHz以上的高速调制性能，是太赫兹快速成像和高速无线通信应用领域非常有前景的探测器。文章综述了太赫兹量子阱探测器的探测原理和设计方法、器件主要性能指标和基于该探测器的应用技术研究进展。研究表明，基于太赫兹量子阱探测器的快速成像系统可以获得物体的细节信息，有望用于安全检查和无损检测领域；太赫兹量子阱探测器还可用于高速无线通信的探测端，为未来6G高速无线通信应用提供了有效的技术途径。
太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 太赫兹成像 terahertz quantum well photodetectors terahertz quantum cascade lasers terahertz communication terahertz imaging
1 空军装备部驻北京地区军事代表局驻天津地区第三军事代表室, 天津
2 华北光电技术研究所固体激光技术重点实验室, 北京
回顾了量子级联激光器( quantum cascade lasers, QCL)的发展历史, 以中红外、长波红外和太赫兹等典型波段的量子级联激光器为例描述了材料和器件技术的研究进展, 介绍了量子级联激光器在物质成分探测、自由空间光通信、定向红外对抗等领域的应用研究情况, 归纳了量子级联激光器技术的发展趋势。
量子级联激光器 物质成分探测 自由空间光通信 定向红外对抗 quantum cascade lasers (QCL) composition detection free space optical communication direc. tional infrared countermeasure (DIRCM)
