量子级联激光器（Quantum cascade laser, QCL）是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体光源，其发射波长不受半导体材料自身带隙限制，通过能带工程进行裁剪和设计，可以覆盖中远红外至太赫兹（THz）波段，在光电对抗、医学诊断、精密测量、空间光通信等领域具有广泛的应用前景。近期，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）陆全勇课题组与中国科学院半导体所刘峰奇团队合作在高亮度电泵浦太赫兹量子级联激光器研发方面取得新的进展，研究团队创新性地引入了表面金属相位工程光子晶体（SM-PEPC）腔的设计，在器件尺寸大幅增大的情况下，仍能实现单一模式、单一THz光斑输出，使高亮度THz激光输出成为可能。2024年8月16日，相关成果以“High brightness terahertz quantum cascade laser with near-diffraction-limited Gaussian beam”为题发表在Light: Science & Applications。

在1～5 THz激射频率范围内，THz QCL是最有效的电泵浦半导体THz辐射源，具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。实现高功率和高光束质量的单模量子级联激光器是光电子学和激光物理学的终极目标之一。然而，传统的大功率量子级联激光器随着器件尺寸的增大不可避免地会出现多模谐振，从而导致光束质量差、激光亮度降低等问题。因此，开发一种提高电泵浦量子级联激光器输出功率和光束质量的设计思路和技术方案至关重要。

近期，研究团队创新性地引入了表面金属相位工程光子晶体（SM-PEPC）腔的设计（图1），利用PEPC腔与有源区之间的具有可控的厄米和非厄米耦合作用来抑制高阶模式的振荡，通过调节PC点阵基元间的相位关系和形状关系得到对腔模和带边模损耗的精细调控（图2），在器件尺寸大幅增大的情况下（~1.6 mm×1.6 mm），仍能实现单一模式、单一THz光斑输出，使高亮度THz激光输出成为可能。该新型太赫兹量子级联面发射激光器在3.88 THz波段的单模输出峰值功率超过185 mW（图3），光束发散角仅为 4.4°×4.4°，在不使用任何光学透镜的情况下，垂直和横向方向的光束M²因子均达近衍射限的1.4（图4），亮度（正比于输出功率和光束质量）达到1.6×10⁷ W sr^-1m^-2，相对目前主流的透镜矫正后的DFB-THz QCL提高了数倍。

这种晶格基元的相位工程设计能够在大面积器件上实现稳定和高亮度的表面发射，使其成为大面积 THz QCL的理想光提取器。该研究为实现高亮度太赫兹激光器铺平了道路，相信在不久的将来，这种新型高性能的太赫兹量子级联激光器在药品检测、工业工程、太空观测等方面有望开展新的应用。

图1：电泵浦THz-PEPC QCL器件示意图和PEPC腔表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。a电泵浦THz- PEPC QC器件示意图；b PEPC腔表面SEM图像。

图2: 金属THz-PEPC晶格设计与仿真。a THz-PEPC超胞示意图；b THz-PEPC的光子带图(TM); c THz-PEPC的倒易点阵及其面内耦合示意图; d THz-PEPC的面内1D和2D耦合系数与两个晶格之间的相移关系；e THz-PEPC QCL基模和第一高阶模的电场分布；f THz-PEPC腔中基模和第一高阶模之间的模式损耗裕度与晶格相移的关系。

图3: THz-PEPC QCL的L-I-V和光谱特性。a d=0.3a和L=1.6 mm的THz-PEPC QCL在脉冲条件下不同温度的L-I-V特性。I-V曲线是在13 K时绘制的; b THz-PEPC QCL在13 K时的光谱，SMSR超过20 dB; c 不同晶格常数（a=22.20、21.85 和21.50 μm）的THz-PEPC QCL在13 K时的光谱。

图4: THz-PEPC QCL的测量和模拟远场发射图。a THz-PEPC QCL的实验2D远场图; b THz-PEPC QCL在不同偏压条件下沿θ_x绘制的实验1D远场分布图; c THz-PEPC QCL的模拟2D远场图; d-e 分别沿θ_x和θ_y绘制的实验和模拟1D远场图; f THz-PEPC QCL在不同偏置电流下M²的值; g THz-PEPC QCL的亮度与其它典型THz QCL的亮度对比图。

该论文的第一作者为量子院与中国科学院物理所联合培养博士生李儒颂、中国科学院半导体所博士生许云飞和量子院工程师张世晨，通讯作者为量子院陆全勇研究员和中国科学院半导体所王利军研究员。该工作得到了国家自然科学基金、北京市科委等项目的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01567-2