面向片上传感量子级联激光器的研究进展（特邀）

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3～300μm）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。     

太赫兹量子级联激光器材料生长及表征

采用气态源分子束外延方法生长了束缚态到连续态跃迁太赫兹量子级联激光器（terahertz quantum-cascade laser,简称THz QCL）有源区结构,并且采用电化学CV仪、霍尔测试仪以及高分辨X射线衍射对材料的质量进行表征,得出THz QCL有源区具有很高的晶体质量.另外,采用蒙特卡罗方法模拟了共振声子THz QCL器件的I-V曲线,分析了在不同偏压下子能级的对齐状况和电子的输运特征. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 X射线衍射     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置. 关键词： 太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 Fourier变换红外光谱     

2.9THz束缚态向连续态跃迁量子级联激光器研制

采用气源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续 态跃迁的太赫兹量子级联激光器材料, 基于半绝缘等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器. 测量了激光器的发射光谱和功率-电流-电压关系曲线, 研究了器件的激光特性. 器件激射频率约2.95 THz, 脉冲模式下, 最高工作温度为67 K. 连续波模式下, 阈值电流密度最低为230 A/cm², 最大光输出功率1.2 mW, 最高工作温度为30 K. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 波导     

太赫兹半导体激光光频梳研究进展

光频梳由一系列等间距、高稳定性的频率线组成.由于具有超高频率稳定性和超低相位噪声,光频梳在精密光谱测量、成像、通信等领域具有重要应用.在太赫兹波段,基于半导体的电抽运太赫兹量子级联激光器具有大功率输出、宽频率覆盖范围等特点,是产生太赫兹光频梳的理想载体.本文主要介绍基于太赫兹半导体量子级联激光器光频梳的研究进展,详细列举了自由运行、主动稳频和被动稳频模式下产生光频梳的方法.双光梳光谱可以克服传统太赫兹光谱仪需要机械扫描系统而难以实现实时光谱检测的难题,是光频梳应用的主要方向.在光频梳基础之上,本文还介绍了采用两个太赫兹量子级联激光器产生双光梳的方法和应用.     

基于室温脉冲工作量子级联激光器的脉间光谱技术研究

量子级联(QC)激光器是唯一能在室温产生中红外辐射的半导体激光器。它的宽调谐范围、高输出功率和单模工作的特性,使得它非常适用于高分辨率光谱分析。结合中红外光谱区是气体分子的基频强吸收特性,基于室温脉冲工作的量子级联激光器的吸收光谱检测技术以其灵敏度高、选择性强及响应快速等特点,成为痕量气体探测的有效方法。介绍了基于分布式量子级联激光器的脉间光谱技术,通过分析比较不同工作参数下的激光光谱信号,寻求最佳的激光器工作参数,并且在选定的工作参数下对目标气体的吸收谱线进行测量,得到了中心在2178.2cm-1附近的N2O的吸收谱线。     

基于600—2000 nm抽运源的太赫兹相干光源的最新进展

最近几年,紧凑型、便携式、低廉、可调谐的太赫兹波源由于具有广泛的应用前景因而成为太赫兹领域的研究焦点.波长为600—2000 nm范围的近红外光源由于具有体积紧凑、价格低廉、频率可调谐和工作稳定的特点,所以频繁被选为太赫兹波产生的抽运源.本文着重从双波长可调谐抽运源、内腔光参量振荡器太赫兹发生器两个方面进行了较系统的阐述.分析表明,近红外相对中红外双波长抽运光源由于具有更紧凑的结构而成为研究热点;差频和非线性级联过程由于具有调谐范围宽的特点而成为产生太赫兹辐射的重要手段. 关键词： 太赫兹辐射 近红外波段 调谐宽度 非线性级联过程     

半绝缘等离子体波导太赫兹量子级联激光器工艺研究

采用气态源分子束外延设备生长了GaAs/AlGaAs束缚态到连续态跃迁结构的太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）有源区结构,研究了半绝缘等离子体波导THz QCL的器件工艺,采用远红外傅里叶变换光谱仪以及探测器测量了器件的电光特性.器件激射频率为32 THz,10 K下的阈值电流密度为275 A/cm². 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 波导 器件工艺     

太赫兹量子级联激光器频率梳的色散

群速度色散会限制太赫兹量子级联激光器频率梳的稳定以及频谱宽度.对于太赫兹量子级联激光器频率梳,其色散主要由器件增益、波导损耗、材料损耗引起.研究基于4.2 THz量子级联激光器双面金属波导结构,通过建立德鲁德模型,利用有限元法计算了激光器的波导损耗;器件未钳制的增益由费米黄金定则计算得到,结合增益钳制效应,计算了器件子带电子跃迁吸收以及镜面损耗,得到了器件钳制后的增益;利用Kramers-Kronig关系得到了器件的增益、波导损耗、材料损耗引起的色散,结果表明器件的激射区域存在非常严重的色散(–8×10~5—8×10~5 fs~2/mm).同时,计算了一种基于Gires-Tournois干涉仪结构的色散,结果表明,该结构的色散具有周期性,可以用于太赫兹量子级联激光器的色散补偿.     

基于室温量子级联激光器的脉内光谱技术测量N_2O

中红外激光光源覆盖了大鼍气体的基频吸收带,尤其适合于痕量气体的高灵敏检测.其中具有高输出功率、宽调谐范围、能够在室温工作的量子级联激光器为高灵敏痕量气体检测技术的研究提供了理想的光源.基于脉冲量子级联激光器的脉内光谱技术提供了一种简单而又有效的测量痕量气体的方法.当一个长激发脉冲作用在激光器上时,激光器的频率随着脉冲持续时间的增加而线性减小,从而在单个脉冲上扫描出被测气体分子的特征吸收谱线,实现对目标气体的定性或者定量分析.介绍了基于分布式量子级联激光器的脉内光谱技术,并采用该技术对N_2O进行了光谱测量.一个500 ns的长激发脉冲应用在脉冲量子级联激光器上用于快速波长扫描,达到接近1 cm~(-1)的线性调谐范围,得到了中心在1 274 cm~(-1)附近的N_2O的吸收谱线,与HITRAN数据库相应的N_2O吸收谱线有着良好的一致性.     

Trace gas monitoring with infrared laser-based detection schemes

The success of laser-based trace gas sensing techniques crucially depends on the availability and performance of tunable laser sources combined with appropriate detection schemes. Besides near-infrared diode lasers, continuously tunable midinfrared quantum cascade lasers and nonlinear optical laser sources are preferentially employed today. Detection schemes are based on sensitive absorption measurements and comprise direct absorption in multi-pass cells as well as photoacoustic and cavity ringdown techniques in various configurations. We illustrate the performance of several systems implemented in our laboratory. These include time-resolved multicomponent traffic emission measurements with a mobile CO₂-laser photoacoustic system, a diode-laser based cavity ringdown device for measurements of impurities in industrial process control, isotope ratio measurements with a difference frequency (DFG) laser source combined with balanced path length detection, detection of methylamines for breath analysis with both a near-IR diode laser and a DFG source, and finally, acetone measurements with a heatable multipass cell intended for vapor phase studies on doping agents in urine samples. PACS 33.20.Ea; 42.62.Fi; 42.72.Ai; 87.64.km; 92.60.Sz     

Quantum dot materials for terahertz generation applications

Compact and tunable semiconductor terahertz sources providing direct electrical control, efficient operation at room temperatures and device integration opportunities are of great interest at the present time. One of the most well‐established techniques for terahertz generation utilises photoconductive antennas driven by ultrafast pulsed or dual‐wavelength continuous wave laser systems, though some limitations, such as confined optical wavelength pumping range and thermal breakdown, still exist. The use of quantum dot‐based semiconductor materials, having unique carrier dynamics and material properties, can help to overcome limitations and enable efficient optical‐to‐terahertz signal conversion at room temperatures. Here we discuss the construction of novel and versatile terahertz transceiver systems based on quantum dot semiconductor devices. Configurable, energy‐dependent optical and electronic characteristics of quantum‐dot‐based semiconductors are described, and the resonant response to optical pump wavelength is revealed. Terahertz signal generation and detection at energies that resonantly excite only the implanted quantum dots opens the potential for using compact quantum dot‐based semiconductor lasers as pump sources. Proof‐of‐concept experiments are demonstrated here that show quantum dot‐based samples to have higher optical pump damage thresholds and reduced carrier lifetime with increasing pump power.

     

Carbon isotopomers measurement using mid-IR tunable laser sources

Recent developments of two mid-infrared tunable laser spectrometers dedicated to carbon isotope ratio determination are presented. First, a field deployable quantum cascade laser-based sensor is described, along with line selection strategy for (13/12)CO(2) ratio measurements. Secondly, an instrument architecture based on difference frequency generation is presented. The analyses of fundamental limitations, specifically temperature and pressure stability, and water vapor collision broadening, are detailed.     

Carbon isotopomers measurement using mid-IR tunable laser sources

Recent developments of two mid-infrared tunable laser spectrometers dedicated to carbon isotope ratio determination are presented. First, a field deployable quantum cascade laser-based sensor is described, along with line selection strategy for ^13/12CO₂ ratio measurements. Secondly, an instrument architecture based on difference frequency generation is presented. The analyses of fundamental limitations, specifically temperature and pressure stability, and water vapor collision broadening, are detailed.     

太赫兹科学与技术研究回顾

太赫兹光谱系统利用远红外辐射获得分子的某些光谱信息，这些信息在电磁谱的其他波段中是很难得到的．材料的研究是现代太赫兹系统中的重要的组成部分，一方面因为新的、大功率的太赫兹光源极大地依赖于如量子级联结构一类的新材料；另一方面，太赫兹的光谱和成像技术也为扩展诸如半导体和生物有机分子等材料的应用提供了一个有力的工具．     

Dual-frequency single-axis laser using a lead lanthanum zirconate tantalate (PLZT) birefringent etalon for millimeter wave generation: beyond the standard limit of tunability

We demonstrate the generation of optically carried, broadly tunable, millimeter-wave signals with a dual-frequency single-axis Nd:YAG laser. A frequency difference as high as 127 GHz is reached thanks to an intracavity electro-optically tunable etalon made of lead zirconate tantalate (PLZT) ceramic. We show that the available frequency range is actually limited by the bandwidth of the amplification medium, namely, far beyond the usually accepted free spectral range value in the case of a single-axis laser. Both coarse discrete and fine continuous tunabilities are obtained with the same voltage-controlled device, opening the way to widely tunable low-phase-noise optically carried submillimeter or even terahertz sources.     

Test of an optical parametric oscillator (OPO) as a compact and fast tunable stokes source in coherent anti-stokes raman spectroscopy (CARS)

An optical parametric oscillator (OPO), as a novel kind of broadband Stokes source, is employed for coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS). Compared to the conventional dye laser configuration OPO-CARS offers practical advantages. The tunable OPO allows a fast and comfortable frequency tuning. The excitation bandwidth of about 35 cm^–1 (FWHM) limits the spectral range of effective and stable single pulse CARS generation but can be used to enhance selected spectral structures.     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

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。     

基于相对论电子束的太赫兹源

太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景,但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展,以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。