论文部分内容阅读
太赫兹波段是指波长范围在30μm～300μm之间的电磁波，介于红外波和毫米波之间。由于其特殊的电磁波谱位置，使得其具有极大的研究和应用价值。但是，到目前为止，传统的太赫兹辐射源基本上都存在着辐射强度和方便实用性不可兼得的缺点，这也使得这一波段长期未得到充分的利用。太赫兹量子级联激光器作为一种新型的半导体太赫兹辐射源具有体积小、功耗低、输出功率高等优点，是一种理想的太赫兹辐射源。本论文主要围绕着研制高输出功率太赫兹量子级联激光器而展开，取得的主要研究成果如下: 1.设计制作了基于束缚态到连续态跃迁有源区结构的太赫兹量子级联激光器，为了能实现高的光输出功率，我们设计采用了半绝缘-表面等离子体波导结构。激光器激射频率为3.2THz。对于脊宽130μm、腔长1.5mm的器件实现了连续波工作，10K最高输出功率达到了62mW，阈值电流密度为285A/cm2，最高工作温度大于60K。脊宽230μm、腔长2mm的器件脉冲输出功率达到了100mW。采用锥形波导结构，实现了太赫兹量子级联激光器的高功率输出，10K最高输出功率达到了185mW，相比于直条F-P腔激光器而言，锥形结构波导器件对激光器的功率和远场改善效果明显。 2.为进一步提高太赫兹量子级联激光器的光输出功率，设计生长了基于束缚态到连续态跃迁和声子共振弛豫相结合的有源区结构。采用较大的波导尺寸，对于400μm宽3mm长器件在10K条件下实现了激光器脉冲双面输出功率1.03W。重点突破了基于半绝缘-表面等离子体波导结构激光器的倒装焊技术，并通过在激光芯片脊型两侧电镀厚金层工艺，首次成功实现了具有较高散热特性的太赫兹量子级联激光器。相对于常规正装焊激光器，温度和功率性能都获得了提升。脉冲条件下激光器最高双面输出功率达到了1.37W。连续工作条件下，相比于传统的正焊烧结，工作温度有了5～10K的提升。 3.为了摆脱太赫兹量子级联激光器应用中庞大的制冷系统，实现太赫兹量子级联激光器的便携式应用，我们设计制作了大制冷量的液氮杜瓦，并采用此液氮杜瓦对太赫兹量子级联激光器实现了便携式封装，封装好激光器能实现连续5个小时的持续脉冲工作，制冷温度能到78K。 4.为了满足实际应用中激光器单模化的需求，设计制作了具有低波导损耗(αω＜10cm-1)和强光栅耦合系数(κ＞10cm-1)的表面金属光栅。通过在半绝缘-表面等离子体波导上采用这种光栅，实现了激光器10K时单模57mW的输出，激射波长为95μm。为了进一步提高单模输出功率，重点研究了具有锥形增益区的半绝缘-表面等离子体波导激光器。器件制作过程中设计了从0°到3°的不同的锥形发散角，研究了不同锥形发散角对器件功率和远场性能的影响。所有DFB激光器都实现了单模输出，工作温度在70～75K之间。在3°发散角器件上成功实现了10K单模92mW的光输出功率，2°锥形角激光器获得了最高的亮度输出，输出功率为73.6mW。激光器的单模抑制比～18dB。 5.研制了能发射三个分立波长(92.6，93.9，和95.1μm)的单片集成的太赫兹量子级联阵列激光器。这种单片集成的多波长阵列可以作为太赫兹波分复用系统的发射源。阵列是由三个锥形单模激光器构成的。阵列中所有的激光器在水平方向上都保持了基横模输出。对应于三个激射波长，10K时的输出功率分别为42，73和37 mW。