量子級聯(lián)激光器（Quantum cascade laser, QCL）是一種基于多量子阱子帶間躍遷的單極性半導(dǎo)體光源，其發(fā)射波長不受半導(dǎo)體材料自身帶隙限制，通過能帶工程進行裁剪和設(shè)計，可以覆蓋中遠紅外至太赫茲（THz）波段，在光電對抗、醫(yī)學(xué)診斷、精密測量、空間光通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近期，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡稱量子院）陸全勇課題組與中國科學(xué)院半導(dǎo)體所劉峰奇團隊合作在高亮度電泵浦太赫茲量子級聯(lián)激光器研發(fā)方面取得新的進展，研究團隊創(chuàng)新性地引入了表面金屬相位工程光子晶體（SM-PEPC）腔的設(shè)計，在器件尺寸大幅增大的情況下，仍能實現(xiàn)單一模式、單一THz光斑輸出，使高亮度THz激光輸出成為可能。2024年8月16日，相關(guān)成果以“High brightness terahertz quantum cascade laser with near-diffraction-limited Gaussian beam”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

在1～5 THz激射頻率范圍內(nèi)，THz QCL是最有效的電泵浦半導(dǎo)體THz輻射源，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、輸出功率高和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。實現(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量的單模量子級聯(lián)激光器是光電子學(xué)和激光物理學(xué)的終極目標(biāo)之一。然而，傳統(tǒng)的大功率量子級聯(lián)激光器隨著器件尺寸的增大不可避免地會出現(xiàn)多模諧振，從而導(dǎo)致光束質(zhì)量差、激光亮度降低等問題。因此，開發(fā)一種提高電泵浦量子級聯(lián)激光器輸出功率和光束質(zhì)量的設(shè)計思路和技術(shù)方案至關(guān)重要。

近期，研究團隊創(chuàng)新性地引入了表面金屬相位工程光子晶體（SM-PEPC）腔的設(shè)計，利用PEPC腔與有源區(qū)之間的具有可控的厄米和非厄米耦合作用來抑制高階模式的振蕩，通過調(diào)節(jié)PC點陣基元間的相位關(guān)系和形狀關(guān)系得到對腔模和帶邊模損耗的精細調(diào)控，在器件尺寸大幅增大的情況下（~1.6 mm×1.6 mm），仍能實現(xiàn)單一模式、單一THz光斑輸出，使高亮度THz激光輸出成為可能。該新型太赫茲量子級聯(lián)面發(fā)射激光器在3.88 THz波段的單模輸出峰值功率超過185 mW，光束發(fā)散角僅為 4.4°×4.4°，在不使用任何光學(xué)透鏡的情況下，垂直和橫向方向的光束M2因子均達近衍射限的1.4，亮度（正比于輸出功率和光束質(zhì)量）達到1.6×107 W sr-1m-2，相對目前主流的透鏡矯正后的DFB-THz QCL提高了數(shù)倍。

這種晶格基元的相位工程設(shè)計能夠在大面積器件上實現(xiàn)穩(wěn)定和高亮度的表面發(fā)射，使其成為大面積 THz QCL的理想光提取器。該研究為實現(xiàn)高亮度太赫茲激光器鋪平了道路，相信在不久的將來，這種新型高性能的太赫茲量子級聯(lián)激光器在藥品檢測、工業(yè)工程、太空觀測等方面有望開展新的應(yīng)用。

該論文的第一作者為量子院與中國科學(xué)院物理所聯(lián)合培養(yǎng)博士生李儒頌、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所博士生許云飛和量子院工程師張世晨，通訊作者為量子院陸全勇研究員和中國科學(xué)院半導(dǎo)體所王利軍研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科委等項目的支持。