光泵THz激光器进展及其应用前景

阐述了太赫兹辐射产生的各种方法及其特点,分析了国内外光泵太赫兹激光器的发展及研究现状,指出在实际应用中光泵太赫兹激光器具有效率高、覆盖频率宽、输出功率高等优点,是目前可实用化的THz激光辐射源.另外,还介绍了光泵太赫兹激光器在成像、探测、医疗诊断等领域的实际应用及其广阔的前景.

光泵THz激光器输出特性的影响因素分析

设计稳定可靠的THz激光器,缩小THz激光器的体积一直是THz领域的研究热点。基于速率方程组,建立了光泵THz激光器的理论模型。数值模拟和分析了不同工作温度、腔内压强、腔尺寸、泵浦光波动等因素对THz激光输出产生的影响。研究结果表明:泵浦光功率越高,THz激光输出对工作温度的变化越敏感,则越有必要建立稳定可靠的温度控制系统;在保持功率输出一定的前提下,通过适当提高THz激光腔内工作气体压强,可以缩小THz激光器的体积;泵浦光功率越低,THz激光的输出性能对泵浦光功率波动及频率漂移越敏感,此时,需要对泵浦光稳定性进行控制,更为关键的在于控制泵浦光的频率稳定性。

光泵气体THz激光器用CO_2泵浦源腔内光场模式

CO2泵浦源是光泵气体太赫兹激光器的核心器件之一,其性能直接关系到太赫兹激光器的工作稳定性。CO2泵浦源一般由闪耀光栅作为全反射尾镜,构成特殊的光栅腔实现波长的选支输出。采用传输矩阵的特征向量法对光栅谐振腔的腔内光场模式进行了理论分析与数值模拟,计算了光栅腔的一系列本征模式及相应的衍射损耗。结果表明光栅腔的腔内模式特性等效于一个平凹腔,而对于大菲涅尔数的光栅腔,Lit-trow波长的附近支线也可能具有衍射损耗较低的低阶模,可能优先于Littrow波长的高阶模起振,导致光栅腔的波长选择性降低。

光泵气体THz激光器金属网栅输出耦合镜设计

为追求光泵气体THz激光器更高的输出功率和更好的光束质量,设计制作了金属网栅输出耦合镜,金属网栅输出耦合镜相比传统的小孔输出镜具有很多优势。详细描述了金属网栅输出耦合镜的结构,研究了金属网栅的理论模型。选择g/2a=76μm/20μm和g/2a=76μm/10μm这2组参数制作了金属网栅输出耦合镜,利用远红外傅里叶光谱仪对其THz波段的透过率进行测试,根据计算仿真得到结论:随着金属网栅线宽2a的增大,金属网栅的THz辐射透过率增大。

双纵模光泵超辐射式和腔式THz激光器的研究

利用半经典密度矩阵理论求解了双纵模泵浦下 9能级 ,NH3分子系统激光介质的增益系数 ;计算了双纵模光泵超辐射式和腔式 THz激光器的能量交换过程 ;从能量交换的角度比较了二者的差异 ,讨论了腔长和工作压强对输出光强的影响 。

金属波导连续光泵气体太赫兹激光器

针对紧凑型光泵气体太赫兹激光器(OPTL)技术,设计并研制了全金属波导结构的气体太赫兹(THz)激光器原理样机.THz激光器工作介质为CH_3OH气体,最佳工作气压30 Pa,在波长9.69μm、连续功率44 W的9P(36)支CO_2激光泵浦下,实验测得在2.52 THz频点输出功率150 m W,光子转换效率为8.4%.研究THz激光输出功率与CH_3OH工作气压、泵浦光功率的关系、以及THz激光输出稳定性,并通过压电陶瓷对THz激光腔长进行精密调节,同时测量输出功率的变化情况,讨论了金属波导THz激光器的纵模特性.实验工作与结果为下一步紧凑型折叠波导腔全金属OPTL的研制提供了参考.

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。

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。

基于电路建模的THz量子级联激光器稳态性能分析

通过改进的三能级速率方程运用电路建模方法建立了太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL,quantum cascade)的一种等效电路模型。模型中,涉及的非辐射散射时间、自激发射弛豫时间以及电子逃逸时间均根据器件有源层结构参数通过自洽数值求解获得。采用该模型可运用通用电路仿真工具实现对THz QCL器件光电特性的模拟仿真,克服了数值分析方法计算复杂,模拟时间长的缺点。运用电路仿真工具PSPICE对3.9THz QCL的稳态特性进行了模拟仿真,并讨论了温度变化对器件阈值电流、增益系数、粒子数反转的影响,其分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了本方法的适用性和准确性。

注入区势垒厚度对THz量子级联激光器光电特性的影响

为优化多量子阱结构THz量子级联激光器（QCL,quantum cascade laser）有源区的结构设计,本文运用自洽数值求解与电路建模相结合的方法研究了器件有源层注入区势垒厚度变化对器件光电及温度特性的影响。首先采用自洽数值求解获得注入区势垒厚为3.0~6.8nm器件非辐射散射时间、自激发射弛豫时间以及电子逃逸时间等描述器件有源区输运特性的重要参量;然后运用电路建模方法基于三能级速率方程建立了器件的等效电路模型;最后运用电路仿真工具PSPICE对注入区势垒厚为3.0~6.8nm器件的光电特性进行了模拟分析,并讨论了器件有源层注入区的势垒厚度参数变化对器件阈值电流、输出光功率和输入阻抗等性能参数的影响,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,证明了通过合理优化有源区的结构参数可以进一步提高器件性能。

共振声子THz QCL有源区结构设计

利用Airy函数代换与传输矩阵方法精确计算了有外加偏压下电子在共振声子太赫兹量子级联激光器有源区单个周期内的透射系数与波函数,得到了不同偏压下的电子波函数分布以及准束缚态能级位置与外加偏压的关系曲线。在仿真计算的基础上设计了一种共振声子太赫兹量子级联激光器的有源区结构。计算结果表明,对于设计的结构,当单个周期两端的外加偏压为45 mV时达到太赫兹工作点。此时,发射区内E3能级和E2能级对应的波函数能够交叠,相应发射波属于太赫兹频段,波长为98.0μm,频率为3.05 THz。电子在弛豫区内E2和E1能级间跃迁发出的能量为36.0 meV,与GaAs的纵向光学声子能量(36 meV)相同,有利于粒子数反转。

基于多模速率方程电路建模的太赫兹量子级联激光器稳态性能及输出光谱特性分析

通过改进的三能级多模态速率方程,运用电路建模方法,建立了太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)的一种等效电路模型。由于基于多模态效应进行建模,所建模型能够有效表征多模态效应对THz QCL光电性能的影响。模型中,涉及的非辐射散射时间、自激发射弛豫时间以及电子逃逸时间均根据器件有源层结构参数通过自洽数值求解获得。采用所建模型,可运用通用电路仿真工具实现对THz QCL光电特性的模拟分析,克服了数值分析方法计算复杂、模拟时间长的缺点。运用电路仿真工具PSPICE对2.47THz QCL的稳态特性和输出光谱特性进行了模拟分析,并讨论了温度变化对器件阈值电流、输出光功率以及输出频谱的影响,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了本文方法的适用性和准确性。

光子学太赫兹源研究进展

为了进一步开发、利用高功率、高效率、可调谐且在室温下稳定运转的太赫兹(THz)源,介绍、分析了国内外利用光子技术产生THz波的研究进展,包括THz气体激光器、空气等离子体THz源、光电导天线以及基于非线性光学效应的光学整流、光学差频、参量振荡等THz源,并指出了光子学THz源未来发展所面临的困难和需要解决的关键技术。