太赫兹量子级联激光器研究进展

太赫兹技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及微加工技术等多个学科，它在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值．太赫兹辐射源是太赫兹频段应用的关键器件．本文简要介绍了太赫兹电磁波的研究背景、重要特点以及潜在应用，重点讨论了太赫兹半导体量子级联激光器的工作原理和研究进展等．     

太赫兹量子级联激光器研究进展

太赫兹技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及微加工技术等多个学科,它在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值.太赫兹辐射源是太赫兹频段应用的关键器件.本文简要介绍了太赫兹电磁波的研究背景、重要特点以及潜在应用,重点讨论了太赫兹半导体量子级联激光器的工作原理和研究进展等.     

太赫兹折叠波导行波管再生反馈振荡器非线性理论与模拟

行波管再生反馈振荡器是一种新型太赫兹源器件.基于560GHz折叠波导慢波结构,对此类器件的工作原理与物理模型进行分析阐述.采用非线性互作用模型对行波管再生反馈振荡器进行详细振荡过程模拟.模拟结果显示,在550—600GHz频率下可以获得稳态振荡频率,并在560GHz处获得最大单频输出功率.结果同时表明,振荡频率随电子注电压发生跳变现象,并简要分析了其产生原因.     

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     

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     

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.     

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.     

基于太赫兹量子级联激光器的无线信号传输的实现

文章采用连续波激射的太赫兹量子级联激光器(THz QCL) 为发射端、光谱匹配的THz量子阱探测器(THz QWP) 为接收端, 搭建了基于THz波的无线传输演示系统. 测量并分析了该演示系统的传输带宽. 采用搭建的无线传输系统演示了基于4.13 THz电磁波的图片文件的无线传输过程, 得到了与源文件一致的结果, 验证了采用THz QCL和THz QWP进行THz信号无线传输的可行性.最后, 分析了演示系统的传输速率, 给出了提高系统传输速率的方法.     

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出:通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。     

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出：通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。     

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.     

差频可调谐太赫兹技术的新进展

太赫兹技术在最近30年来得到快速发展, 并在医学、生物、农业、材料、安检、通信、天文等领域得到广泛应用. 从太赫兹源的频谱特性可以分为窄带(单频)太赫兹源和宽带太赫兹源. 从频谱技术方面来说, 相干的宽带和窄带太赫兹谱是一种互补性关系, 具有各自的技术特点和应用范围. 宽带太赫兹谱可以用于快速获取较宽频谱范围的分子振转谱, 实现混合特征谱的快速检测或成像. 窄带太赫兹源具有很好的光谱灵敏度和分辨率, 适用于太赫兹抽运-探测、分子振转能级谱精细结构分辨 以及太赫兹远程探测和成像. 因此研制具有可调谐的高峰值功率的窄带太赫兹源是适用于探测和识别分子振转能级指纹谱的应用需求, 而差频技术是获得高功率和宽调谐窄带太赫兹源最重要的技术之一. 为了突出该技术的最新进展, 本综述引证论文仅仅限于近5 年来基于差频技术产生太赫兹波的研究进展, 分为光学激光差频源和量子级联激光器差频源两大部分. 对于光学激光差频源, 分别对目前文献报道的各种双波长差频源和太赫兹产生用的非线性晶体进行分类介绍, 并给出所采用的技术和实验结果; 对于量子级联激光器差频源, 分别介绍了量子级联激光器中的差频产生技术和波长调谐技术的最新进展. 量子级联激光器差频太赫兹源是目前实现量子级联激光器在太赫兹波段室温运转的惟一技术, 是实现小型化、窄带宽调谐和室温运转太赫兹源的新发展领域, 值得关注.     

太赫兹量子器件光电测试技术与系统

光电测试技术是太赫兹辐射研究的重要基础技术。文章首先介绍两种太赫兹量子器件的工作原理和最新进展,随后主要介绍太赫兹量子器件在脉冲激光功率测量技术、快速调制与直接探测技术、激光偏振转换与测量以及光纤损耗测量技术及相关测试系统中的应用。最后总结基于太赫兹量子器件的光电测试技术的特点和优势,并对未来的发展进行展望。     

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.     

太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明：适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明:适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

太赫兹通信技术研究进展

对未被分配的空闲频谱资源的需求增长,将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹(THz)频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率,以满足高传输速率的需求。大量的研究表明,THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比,具有更多的优点,比如说,传输速率高,方向性好,安全性高,散射小,以及穿透性好等。文章总结了THz通信的特点及其适用领域,综述了近几年国际上THz通信研究最新进展,给出了未来THz通信系统可能的发展趋势。     

太赫兹雷达技术研究进展

文章介绍了太赫兹技术的发展和研究现状,概述了太赫兹波的主要特性,着重论述并举例分析了太赫兹波在雷达探测系统中的应用。太赫兹雷达具有优越的反隐形能力,很高的距离分辨率,超大信号带宽,较强环境适应能力,低截获率,强抗干扰性和穿透等离子体能力等诸多优点,在军事上有很强的应用前景,对国防和国家安全具有重要的应用价值。     

级联参量振荡产生太赫兹辐射的理论研究

针对光学参量振荡产生太赫兹波转换效率低的缺点, 提出了级联参量振荡产生太赫兹波的新机理以提高转换效率. 以周期极化铌酸锂晶体为例, 对级联参量振荡产生太赫兹波的原理和过程进行了理论研究. 分析了抽运光波长、周期极化铌酸锂晶体极化周期和工作温度对产生一阶、二阶闲频光频率的影响. 推导了三波共线相互作用条件下太赫兹波的增益特性和吸收特性. 计算结果表明, 通过级联参量振荡可以有效提高太赫兹波的转换效率, 并可以得到宽调谐的太赫兹波输出. 基于分析结果, 设计了周期极化铌酸锂晶体级联参量振荡产生高效率、宽调谐、窄线宽、连续太赫兹波的实验. 关键词： 太赫兹波 太赫兹波参量振荡 级联参量振荡