2022-04-29 14:22:33, 无极 滨松光子学商贸(中国)有限公司
近期,CRL(滨松中央研究所)在Photonics Research学术杂志上发布了一项最新研究成果,将THz-QCL(太赫兹量子级联激光器)的技术边界再一次拓展了。
室温工作(288 K),频率可调0.42~2 THz(波长0.15~0.75 mm),覆盖范围达1.58 THz。
这寥寥一行描述,有什么稀奇之处呢?这就要来先说说——THz-QCL(太赫兹量子级联激光器)。
太赫兹(THz),鼎鼎大名,特别是在近几年的光学界中,可以说是“网红”一般的存在,话题热度蹭蹭地涨着。它是一种介于微波和红外之间的电磁波,频率在0.1~10 THz之间,对应的波长范围是0.03~3 mm。处在红外到微波的过渡阶段,THz波兼有着微波毫米波与红外可见光两个区域的特性,同时又与其他波段的电磁波具有非常强的互补性。
▲ 太赫兹在光谱上的所在区域
其频率和低光子能量(1 THz对应的能量大约4 meV),给THz波带来了许多独特的特性:可以穿透纸张、塑料和陶瓷等非极性物质;对生物体无辐射损害,可应用在生物组织活体检验;很多材料在THz波段有着很强的特征谱,其中很多生物大分子的振动和转动频率也在这个波段,可以用以检测这些材料的“分子指纹”;具有比微波更高的带宽,可为高速光通信所用。总之,太赫兹技术在材料科学、生物医学、安检、超快无线通信、天文学和环境科学等领域都具有重要应用前景。
THz波处于宏观电子学向微观光子学过渡的频段,也是最后一个尚未完全认知和利用的频段,针对它的研究起步也比较晚。主要原因很简单,就是相关发射源和探测器实在是比较缺乏。近几年风潮又起,也是因为这些技术逐步得到了些突破,但到目前为止,都还未完全覆盖THz波的全波段,也更谈不上更多研究了。
今天不聊探测器,先来看发射源这一端。
THz源多种多样,也是各有各的本事。但其中被学术界认为最有可能实现工程化与产业化的,就是我们今天的主角——THz-QCL(太赫兹量子级联激光器)。之所以这么说,是因为THz-QCL不仅具有较高的功率水平,而且具有能量转换效率高、体积小、轻便与易集成等优点。随着器件性能的不断提高,其在成像、通信、外差探测等领域的潜在应用优势越来越明显。
THz-QCL诞生于2002年,妥妥儿的激光界“Z”世代,还是个需待打磨的愣头小青。三个基本的性能,是它重点“修炼”的方向:拓宽辐射频率极限、提高工作温度、增大输出功率。
滨松CRL发布的THz-QCL研究成果,也正是前两点上,有了前所未有的突破。在此前,THz-QCL频率覆盖大部分在1.2~5.2 THz,低频部分因1 THz以下波导吸收损耗很大,非线性效应不强,技术上实现难度很高。而滨松CRL研制出的模块实现了室温(288 K)工作下0.42~2 THz的覆盖,1.58 THz的宽调谐范围,借助于独特的单芯片双波长发射技术,弥补了现有1 THz以下低频段范围。0.42 THz,这也是目前世界上室温THz-QCL可工作的最低频率。
▲ 滨松研制的最新THz-QCL模块
THz-QCL性能的提升,一个,是从激光器有源区结构上,扩展频率、提高工作温度及输出功率等;另一方面,是从激光器谐振腔,也就是波导结构上,进一步改善激光性能。滨松这款模块,着力点也在这两处。
THz光子能量低,容易受到声子的影响,有源区需要在低温条件下保持粒子数反转、降低非辐射跃迁几率,这就使得THz-QCL通常需要在大体积的低温制冷系统中工作。提高工作温度,无疑可以“减负”,为小型化、便携化的辐射源铺路。
将差频技术(DFG)与QCL相结合,滨松THz-QCL实现了室温下(288 K)工作。QCL的差频THz技术,即利用量子级联技术产生中红外双波长激光, 并利用有源区材料中非线性效应产生差频辐射。
为了具有较宽的调谐范围, 谐振腔内通过DFB光栅产生一个固定的中红外泵浦频率ωDFB,另一个中红外泵浦频率ωEC通过外腔衍射光栅调谐,最终输出的THz频率ωTHz=ωDFB-ωEC,通过电控改变衍射光栅的旋转角度,进而实现0.42~2 THz范围内可产生任意频率的窄带太赫兹波。
该非线性THz-QCL基于滨松AnticrossDAU™(Anti-crossed dual-upper-state design)有源区设计(70层,总厚度5.6 μm),这种设计的激活区为同质结构, 具有更大的非线性极化率,转换效率高达2 mW/W2。所有有源区结构的生长都是基于金属有机物气相外延生长技术(MOVPE),将晶圆加工成切伦科夫(Cherenkov)波导结构,与透镜耦合,InP衬底紧密贴附在高电阻率硅透镜上,大幅提高太赫兹耦合效率。
在不久的将来,通过优化增益介质和DFB发射位置,可以在更高频率处提供更宽的调谐范围。
此外可以采用不同的透镜配置来实现更高效的耦合,包括超表面技术。通过改善这些方面,这项技术有望为太赫兹技术开辟新的应用领域,比如药品、食品和半导体材料的质量评估,另外一些可能的应用含括识别塑料等聚合物材料、外层空间观测的亚毫米天文学以及短距离超高速大容量无线通信。
滨松CRL研发的THz-QCL模块目前还处于科研产品阶段,离真正的商业化还需要一定的时间。但最新的研究成果无疑让我们看到了未来THz-QCL技术发展及应用的更多可能性。滨松也将继续努力,最大限度地利用我们的微机电系统(MEMS)技术,设计和开发性能更好、尺寸更紧凑(指尖大小)的QCL激光器产品。
▲ 滨松QCL产品,
滨松中央研究所于1990年成立。内设研究中心、材料中心、PET中心、医疗影像中心以及生物工程技术中心等。长期致力于光学的基础研究,以期开拓更多更广的未知未涉领域。 中央研究所提出了“生命光子学”(Life Photonics)的概念,面向未来20或30年,以光探索人类的“未知未涉”,广泛涵盖光学信息处理和测量、光学材料、生物光子学以及健康医疗等方面。并相信,通过潜心研究,终将为解决人类能源、环境、人口、健康等多种问题、构建可持续发展社会做出贡献。
参考资料
[1] 万文坚, 黎华, 曹俊诚. 太赫兹量子级联激光器研究进展[J]. 中国激光, 2020, 47(7):13.
[2] Kazuue Fujita, Shohei Hayashi, Akio Ito, Tatsuo Dougakiuchi, Masahiro Hitaka, and Atsushi Nakanishi, "Broadly tunable lens-coupled nonlinear quantum cascade lasers in the sub-THz to THz frequency range," Photon. Res. 10, 703-710 (2022)
[3] 沈昌乐, 王雪敏, 黎维华, 阎大伟, 赵妍, 罗跃川, 彭丽萍, 吴卫东, 唐永建. 太赫兹QCL技术研究进展[J]. 材料导报A:综述篇, 2013, 27(10):109-116.
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编辑:滨小编
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