太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输

针对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与传输存在的阻抗不匹配问题,设计并提出了一种输入阻抗为20Ω、输出阻抗为50Ω的渐变微带线结构,研究了该结构的准TEM模电场分布,并根据S参数建立了相应的LC等效电路模型分析其物理机理。实验中,将渐变微带线结构应用于太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与测试,以验证渐变微带线传输射频信号效果,成功测量得到太赫兹量子级联激光器重复频率,其线宽为3.7 kHz,信噪比达到60 dB,在注入电流为700~900 mA范围内重复频率表现为稳定的单模信号,测量得到的最大保持和幅度艾伦方差结果同样表现出重复频率的稳定性。实验结果表明,所设计的渐变微带线具有良好的阻抗匹配效果,能够实现对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号稳定的提取和传输。

基于布拉格反射镜的单模太赫兹量子级联激光器

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。

太赫兹量子级联激光器有源区有限元模拟

采用有限元分析法解决了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区模拟问题。由于InP基差频THz QCL有源区为千层纳米结构,无法拆分实验探索,因此模拟分析显得尤为必要。首先列出有源区量子结构的薛定谔方程,而后采用Galerkin有限元法改写薛定谔方程,再根据连续性和边界条件,得到本征值矩阵方程,最后采用Matlab写出运算程序求解本征值矩阵方程,求出波函数。针对不同有源区量子结构,设定材料、组分、厚度和周期数及外加偏压等参数,即可得到波函数模方、能级、频率和波长等模拟结果。选取InP基差频THz QCL结构进行验证,结果表明此模型切实可行,其拓展应用也可以解决GaAs THz QCL模拟问题。

分布反馈太赫兹量子级联激光器实现高功率单模输出

太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种基于超晶格或耦合多量子阱中电子共振隧穿和子带间跃迁的单极光源,其辐射频率可通过能带和波函数设计进行调控,具有响应速度高、体积小、便于集成等优点。近年来,国际上多个科研团队展开了对THz QCL的密集研究,器件性能取得了显著的进展。针对THz QCL的实际应用,目前急切需要解决两个方面的问题:第一方面,受限于严重的大气衰减、光束合成等困难,急需解决THz QCL功率输出提升的问题。第二方面,研制窄线宽、高功率单模输出的太赫兹本振源。

共振声子太赫兹量子级联激光器研究(英文)

本文综述了共振声子太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)载流子输运及其光电特性的研究结果。我们采用Monte Carlo方法模拟了不同有源区结构的共振声子THz QCL,如四阱有源区和三阱有源区结构等,优化了THz QCL的器件参数。计算表明,器件的增益依赖于注入势垒的宽度、掺杂浓度和声子抽运能级间隔等参数。单阱注入的THz QCL可以获得低的激射频率,而三阱有源区结构的THz QCL具有更高的工作温度。我们数值模拟了这两种器件结构在不同寄生电压下的电子输运、增益以及温度特性等。同时,我们实验测量了THz QCL的发射谱偏压和温度效应,计算结果与实验相吻合。研究结果表明,随着偏压增加发射谱出现了明显的频率蓝移,多模激射仅出现在大电流注入情形。与偏压的密切依赖关系不同,激射频率对温度的变化并不敏感。

太赫兹量子级联激光器注入区结构研究

主要研究了THz量子级联激光器注入区结构的隧穿特性。通过量子力学方程设计出透射率最大的注入区结构。模拟结果表明,周期间势垒宽度为4.7 nm时,注入区的透射率最大。对于含有此注入区的QCL结构,模拟了在不同偏压下,电子波函数的空间分布和能级位置,进而模拟出该模型的隧穿点。计算结果表明,当每个周期两端的外加偏压为45 mV时达到THz工作点,同时满足周期间的电子隧穿条件。之后通过器件工艺,把外延片制作成实验样品。电流电压(I-V)测试曲线表明,在周期间偏压为50 mV时发生隧穿,这和理论计算的周期偏压为45 mV十分接近。

锥形太赫兹量子级联激光器输出功率与光束特性研究

针对锥形太赫兹量子级联激光器,利用有限差分波束传播法和速率方程法,建立了准三维的太赫兹有源器件仿真模型,能够对具有轴向非线性波导结构的激光器进行模拟.利用此模型,研究了锥角大小对激光器输出光功率及光束质量的影响.仿真结果表明,考虑到器件之间的光耦合效率,为了达到最大的有效输出光功率,锥形太赫兹量子级联激光器的锥角存在一个最优值.

基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展

太赫兹(THz)实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域,具有成像速度快、成像分辨率高等特点,基于THz量子级联激光器(QCL)的实时成像系统是其中最重要的一种,系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展,采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光,实现了准高斯光束输出,搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统,单帧成像光斑面积45mm×30 mm,实现了对刀片、药片的实时成像演示,成像分辨率优于0.5 mm;最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述,并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。

太赫兹量子级联激光器有源区增益分析和设计

太赫兹量子级联激光器(QCL)有源区设计主要包括啁啾超晶格、束缚-连续态跃迁和共振声子等模式。本文利用密度矩阵方法模拟太赫兹QCL光增益谱的基本特征,特别是通过分析太赫兹QCL光增益特性与子带寿命的依赖关系,理解太赫兹QCL对超晶格子带间非辐射跃迁寿命的要求。进而根据这些要求给出一种基于束缚-连续态跃迁和共振声子混合模式的太赫兹QCL有源区设计方案,利用纵光学声子共振帮助缩短束缚-连续态跃迁模式中下辐射态寿命。

太赫兹量子级联激光器光束特性分析

用有限元法计算太赫兹量子级联激光器激光模式的阈值增益.结果表明:接触层厚度和掺杂浓度对阈值增益的影响远远大于波导宽度和激射波长;接触层厚度较小(大)和掺杂浓度较低(高)时,TM1(TM0)模的阈值增益较小.在此基础上,用矢量衍射理论分析岀射光束的远场特性,得到光束的远场光斑基本是椭圆;x方向的远场散射角随波导宽度或激射波长的增加分别线性减小或增加,尽管对应的接触层厚度和掺杂浓度不同,但TM0和TM1模x方向的远场散射角相同;另外,还得到y方向远场散射角不受波导宽度或少受激射波长的影响.在阈值增益和光束质量方面,TM1模都优于TM0模.

GaAs/AlGaAs太赫兹量子级联激光器的热分析

为研究太赫兹量子级联激光器(THzQCLs)中的热传输及有效散热方法,建立了二维/三维有限元热分析模型,模拟计算了GaAs/AlGaAs THz QCLs低温工作时的温度及热流分布;并讨论了源区结构参数、热沉材料及散热膜层对器件热传输的影响规律。研究结果表明,器件源区温度水平方向分布较均匀,垂直方向温差大,源区热量主要依靠热沉导出;减小源区厚度、增加腔长与减小脊宽均有利于促进热传导并降低源区温度;在器件顶部增加AlN薄膜具有显著的辅助散热效果,当薄膜厚度大于8μm时,源区温降趋于缓慢。

太赫兹量子级联激光器及其光束表征技术

简要介绍太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的工作原理及其进展。研究多个器件输出激光的光束质量,分别采用热探测器阵列和THz量子阱探测器(THz QWP)表征连续激射和脉冲激射THz QCL激光的光束图形,对比分析不同热探测器阵列对THz激光的表征能力,比较热探测器阵列和THz照相机对平行THz激光表征的差异。分析光束改善后THz激光光斑的尺寸、二维强度分布等特点,根据对THz QCL输出激光的改善效果,给出采用外部手段改善THz QCL激光光束的几种方法。研究表明,除了采用精细的波导工艺之外,锗(Ge)透镜、超半球高阻硅透镜和聚乙烯透镜都是外部改善技术中很好的手段。

单面金属波导太赫兹量子级联激光器的天线模型

太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)是理想的固态THz源,其出射光束的远场特性是THz QCL研究中重要的一部分。实验上,THz QCL的远场光斑常呈多瓣或环形结构,用一般的衍射理论难以解释,为此把激光器看成辐射天线,利用电磁场理论,推导了单面金属波导THz QCL辐射远场场分布和光强分布基本公式。对具有典型参数的THz QCL的远场分布进行了计算。数值结果表明:辐射远场光强分布是不对称的环形结构,且随着激光器的腔长变长,环逐渐变密。可见,THz QCL的天线模型给出了与实验观察一致的结果,说明天线模型更适合于THz QCL远场光束的分析。

共振声子太赫兹量子级联激光器研究

针对四阱有源区、一阱注入区及三阱有源设计,采用蒙特卡洛模拟方法研究了共振声子太赫兹量子级联激光器的性能差异。采用傅里叶变换光谱仪及远红外探测器测量了四阱共振声子太赫兹量子级联激光器的低温电光特性。详细讨论了提高太赫兹量子级联激光器发射功率的方案。

单模太赫兹量子级联激光器

为了获得窄线宽太赫兹光源,制作了基于表面金属光栅的单模太赫兹量子级联激光器。通过优化光栅结构,获得了具有较强耦合效率和较低损耗的光栅结构参数。波导结构采用半绝缘表面等离子体波导以便能获得较高的光输出功率。激光器单模激射波长为95μm。10 K时,器件最高单模输出功率达到了43 m W,单模抑制比为18 d B。单模器件工作温度超过70 K,在70 K时,仍然有5 m W的单模输出功率。这种输出性能良好的激光器有望作为太赫兹接收机的本振源。

基于衍射光栅耦合输出的一级分布反馈太赫兹量子级联激光器

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.

三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器的远场分布特性

研究了三阶分布反馈太赫兹量子级联激光器的设计、制作并分析了其纵模和横模特性.通过建立波导结构模型,利用有限元方法模拟激光器波导结构内的三维模场分布,通过本征模的损耗分析器件的纵模模式选择机理.同时,由本征模的近场通过近-远场傅里叶变换求得激光器的远场分布.采用半导体工艺制作了4.3 THz双面金属波导三阶分布反馈量子级联激光器,测量了不同器件的发射谱和远场光束质量,远场发散角为12?×13?,实验结果和理论模拟符合.

高输出功率锥形波导太赫兹量子级联激光器

制作了基于锥形波导结构的高输出功率的太赫兹(THz)量子级联激光器。激光器采用单面金属波导结构,并采用锥形波导形状提高光输出功率,且保证了良好的光斑远场发散角。激光器水平方向远场光斑发散角为18.4°,器件输出中心波长为93μm(3.23 THz),器件最高输出功率达到了185 m W,最高工作温度为95 K。80 K时,器件的最高脉冲输出功率能达到65 m W。基于如此高的输出功率,制作了液氮杜瓦封装的小型便携式太赫兹激光源。

基于偏振调节的太赫兹量子级联激光器双光梳研究

太赫兹量子级联激光器(THzQCL)双光梳在光谱检测、测距、成像等领域具有重要应用。双光梳信号严重依赖THz耦合光功率。利用THzQCL激射光为线偏振光的特性,在双光梳光路上插入线偏振片,通过旋转偏振片以达到对THz光强进行调节的作用。系统研究了THzQCL双光梳谱和功率与偏振角度的依赖关系,为实现高稳定THz双光梳光源与应用奠定基础。

太赫兹量子级联激光器光注入特性

基于三能级速率方程,研究了独立运行、主从注入和相互注入太赫兹量子级联激光器(THz-QCLs)的相对强度噪声和调制特性。在自由运行情况下,THz-QCL的自发辐射噪声在低频时表现出白噪声特性。与传统的半导体激光器不同,在低频区没有对应于弛豫振荡的共振峰。主从注入可以有效降低THz-QCLs噪声20 dB,提高THz-QCLs低噪声工作的效率。对于互注入THz-QCLs,即使在锁相区,噪声也明显高于自由运行情况。通过应用注入锁定方案,与直接调制方案相比,可以大大增加调制带宽。