连续波工作的耦合双光栅太赫兹量子级联线激光器OA
Continuous wave operation of terahertz quantum cascade wire lasers with dual coupled gratings
本文提出一种基于耦合双光栅的太赫兹量子级联(THz-QC)线激光器,其在液氮温度以上连续波(CW)模式工作并有低发散角的高斯型光束.器件采用窄脊宽的双金属(MM)波导,用于降低功耗并提升散热效率.通过设计光栅的能带结构,使激光器具有两个超模.超模1以光栅1作为主控震荡器,光栅2作为相控天线阵列提供准直的波束辐射;超模2以光栅2作为主控振荡器提供准直光束,光栅1提供高反射率.两超模均具有高的品质因子与小光束发散角,这能显著缩短腔长并降低功耗.通过实验,可以观察到两个超模,产生发散角为12°×18°、光功率为1.04 mW的准直的高斯光束.器件阈值功耗与热阻分别低至2.62 W与8.5 mK/W/cm,2 最高CW工作温度为78.0 K.本文深入研究了耦合双光栅系统中模式调控的机制,并为实现小发散角、低功耗、高散热效率的太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)提供了更易达成的途径,并使之在更高温度下的CW模式工作时具有更好的性能.
We demonstrate terahertz quantum cascade(THz-QC)wire lasers based on dual coupled gratings that achieve continuous-wave(CW)operation near liquid nitrogen temperatures with a low-divergence Gaussian-like beam profile.Our configuration circumvents the effective refractive index constraint,significantly enhancing fab-rication efficiency while retaining the key advantages of low power consumption and high heat dissipation efficien-cy.By engineering the photonic band structure of the coupled gratings,the laser operates on two supermodes.For Supermode#1,grating 1 serves as the master oscillator while grating 2 functions as a phased antenna array,featuring a collimated beam.For Supermode#2,grating 2 is the main oscillator and simultaneously provides a collimated beam,while grating 1 offers high reflectivity.Both supermodes exhibit high cavity quality factors and low beam divergence,achieved with a significantly reduced gain area.Experimentally,both supermodes are ob-served,and the optimized laser produces a collimated Gaussian beam with divergence angles of 12°×18° and an optical power of 1.04 mW.The threshold power consumption and thermal resistance are as low as 2.62 W and 8.5 mK/W/cm²,respectively,resulting in a maximum CW operating temperature of 78.0 K.This work offers a more accessible route for low-divergence,low-power-consumption,high-thermal-dissipation-efficiency THz-QCLs with enhanced CW operation at elevated temperatures.
谭诚;房玉龙;徐刚毅;邹婷婷;臧善志;王凯;甘良华;曹晨涛;陈炳奇;陈宏泰;张月蘅
中国科学院上海技术物理研究所 红外探测全国重点实验室,上海 200083||中国科学院大学,北京 100049河北半导体研究所,河北 石家庄 050051中国科学院上海技术物理研究所 红外探测全国重点实验室,上海 200083||国科大杭州高等研究院 物理与光电工程学院,浙江 杭州 310024中国科学院上海技术物理研究所 红外探测全国重点实验室,上海 200083||中国科学院大学,北京 100049中国科学院上海技术物理研究所 红外探测全国重点实验室,上海 200083||中国科学院大学,北京 100049中国科学院上海技术物理研究所 红外探测全国重点实验室,上海 200083中国科学院上海技术物理研究所 红外探测全国重点实验室,上海 200083河北半导体研究所,河北 石家庄 050051河北半导体研究所,河北 石家庄 050051河北半导体研究所,河北 石家庄 050051上海交通大学 物理与天文学院,上海 200083
数理科学
太赫兹量子级联激光器光栅连续模式
terahertzquantum cascade lasergratingcontinuous-wave mode
《红外与毫米波学报》 2026 (2)
291-298,8
Supported by the National Natural Science Foundation of China(12393833,62235010,62435020,12274285)
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