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太赫兹量子级联激光器原理
太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）是一种基于半导体材料
原理的激光器，用于发射太赫兹频率的电磁辐射。
THz-QCL的工作原理可以简要描述如下：
1. 基于量子级联效应（quantum cascade effect），在激光器的
半导体晶体中，通过多层次的量子阱结构（quantum well structure）组成。
这些量子阱结构相互堆叠，每个结构都包含
与特定频率相对应的能带（band）。
2. 将电流通过半导体晶体，将电子注入到量子阱结构中。
在量子阱结构中，通过能带间的跃迁过程，电子会释放出能量并跃迁到低能带。
3. 在这个能带跃迁的过程中，电子会产生太赫兹频率的辐射。
这种辐射的频率取决于量子级联激光器的设计和结构。
4. 反射镜和光学腔（optical cavity）在半导体晶体的两端形成，使得光线在腔内来回传播，增强和放大了太赫兹辐射。
5. 当辐射受到足够的放大并达到临界值时，即可形成激光束。
这个临界值由激光器的电流和设计参数决定。
总的来说，太赫兹量子级联激光器通过量子结构、能带跃迁和光学腔等原理，实现了太赫兹频率的激光输出。
由于其在太赫兹频段的应用潜力，太赫兹量子级联激光器在无线通信、成像、生物医学和安防等领域有着广泛的研究和应用前景。
激光器技术在太赫兹成像中的应用研究太赫兹成像技术是一种利用太赫兹波进行物体探测、成像和检测的先进技术。
在太赫兹成像中，激光器技术起到了关键作用。
本文将探讨太赫兹成像技术中激光器的应用研究，并分析其在该领域的重要性和优势。
太赫兹波是指频率范围在10^11 Hz至10^13 Hz之间的电磁波，位于微波和红外光之间。
与其他传统成像技术相比，太赫兹波具有独特的特性，例如穿透力强、非侵入性、对大多数非金属材料的透明性等。
因此，太赫兹成像技术已广泛应用于医学、安全检查、文物保护等领域。
激光器作为太赫兹成像技术中的关键元件之一，具有准直性强、波束质量高、波长稳定等特点，可以提供持续稳定的太赫兹辐射源。
激光器的应用使得太赫兹成像技术在增强是、分辨率等方面取得重大突破。
首先，激光器技术在太赫兹成像中可提供高功率的能量源，进一步增强了成像系统的探测能力。
高功率的太赫兹辐射源能够提供足够的能量以穿透物体，并收集反射或透射的太赫兹信号，从而获得清晰的成像结果。
相比之下，传统的太赫兹辐射源往往功率较低，无法提供足够的能量用于成像，导致成像结果模糊不清。
其次，激光器的波束质量优势使得太赫兹成像系统能够获得高质量的成像结果。
太赫兹波的特点是波长长、穿透力强，但相应的空间分辨率较低。
激光器的较好波束质量能够在一定程度上克服这一问题，提高成像系统的空间分辨率，获得更清晰的图像。
此外，激光器的波束质量也有助于而太赫兹成像器件的向下集成，提高系统的紧凑性和便携性。
此外，激光器技术还为太赫兹成像系统提供了波长稳定的优势。
太赫兹波的波长在太赫兹成像过程中往往需要进行频率调制，以获得更多的信息。
而激光器的波长稳定性能够提供稳定可靠的太赫兹激发源，使得频率调制更加准确和可靠。
这对于太赫兹成像系统而言至关重要，有助于获得更准确、可信的成像结果。
此外，利用激光器技术还可以实现太赫兹成像系统的非接触式扫描。
相比传统的接触式扫描方式，非接触式扫描具有许多优点，例如避免了对被测物体的干预、减少了实验操作的复杂性等。
太赫兹波技术在检测与成像领域中的应用太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波，具有较高的穿透性和对生物组织的选择性吸收作用，因此在生物医药检测与成像领域具有广阔的应用前景。
本文将围绕太赫兹波技术在检测与成像领域的应用展开阐述。
1、太赫兹波技术概述太赫兹波，波长介于红外线和微波之间的电磁波，被称为"现代科技之光"。
太赫兹波不仅可以穿透大部分的非导电体，如塑料、橡胶、纸张及织物等，而且能够透过水分子和生物组织，同时具有不损伤生命体的独特性质，在医学、环保、安检等领域都得到了广泛关注。
2、太赫兹波技术在物质检测中的应用在太赫兹波技术中，物质检测是其应用最为广泛的领域之一，太赫兹波技术可以用于红外光谱的研究和分析，同时也可以用于制药、食品、印刷、化妆品、塑料等领域的品质检测。
3、太赫兹波技术在医疗领域的应用太赫兹波的特性决定了其在医疗领域的应用前景巨大，利用太赫兹波技术进行人体组织的成像，通过太赫兹波成像技术可以更加清晰、准确地发现肿瘤的位置和范围，从而提高手术的准确度和安全性，同时太赫兹波成像技术对隐形眼镜、烟草等有较好的检测效果。
虽然太赫兹波技术的在医疗领域应用仍处于探索阶段，但是发展潜力巨大，研究人员预计在各种疾病的诊断和治疗上将有重要的应用价值。
4、太赫兹波技术在材料科学中的应用太赫兹波技术在材料科学中也具有广泛的应用，例如利用太赫兹波探测材料的导电性、压电性和磁性等物性效应，可以为材料的设计和应用提供更多信息。
同时太赫兹波也能够探测材料在微观尺度上的粗糙和缺陷，对于材料表面的检测与分析有重要的应用价值。
5、太赫兹波技术在安全检测领域的应用太赫兹波技术在安全检测领域也有广泛的应用，例如在探测爆炸物品和毒品上有独特的优势，由于太赫兹波能够穿透袋子和被包覆的物品，因此可以发现隐藏在袋子里的可疑物品。
同时，太赫兹波技术还可以应用于辐射检测、探测危险品气体等领域，为社会的安全控制提供了可靠的技术保障。
双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器制备方法及激光
器
摘要：
本文介绍了双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器的制备方
法及激光器。
首先，我们阐述了双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器的基本原理和制备工艺。
接着，我们详细介绍了制备双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器的实验过程，包括材料选择、制备工艺、测试方法等。
最后，我们总结了实验结果，并对其应用前景进行了展望。
一、引言
太赫兹波是电磁波谱中频率为0.1-10 THz的一段波段，具有独
特的性质和应用价值。
太赫兹量子级联激光器是一种基于量子限域效应和布拉格反射效应的激光器，具有高效率和短脉冲等特点。
双金属波导结构是一种能够增强布拉格反射效应的结构，可以提高太赫兹量子级联激光器的性能。
因此，研究双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器的制备方法及激光器具有重要的科学意义和应用价值。
二、双金属波导结构的太赫兹量子级联激光器原理
双金属波导结构太赫兹量子级联激光器的基本原理是基于量子
限域效应和布拉格反射效应。
当太赫兹波入射到双金属波导结构上时，一部分太赫兹波会被反射回来，另一部分太赫兹波会被传输到下一级波导中。
由于双金属波导结构的存在，传输的太赫兹波会在下一级波
导中发生布拉格反射，产生增强的反射信号。
当反射信号的相位与传输信号的相位一致时，就会发生干涉，产生振荡。
当振荡达到一定强度时，就会产生激光输出。
三、实验方法
1. 材料选择：选用具有一定折射率的金属材料作为波导结构的基础材料。
2. 制备工艺：采用先进的微纳米加工技术，制备出双金属波导结构。
太赫兹；半导体激光器；量子级联激光器；波导摘要：1.太赫兹技术简介2.半导体激光器的特点与应用3.量子级联激光器的工作原理与优势4.波导在太赫兹技术中的应用5.我国在太赫兹技术研究方面的发展与成果正文：1.太赫兹技术简介太赫兹技术，又称为亚毫米波技术或太赫兹波技术，是指工作在0.1THz （100GHz）到10THz（10000GHz）频率范围内的一门科学技术。
太赫兹波位于红外线和微波之间，具有穿透力强、能量低、传播速度快等特点。
近年来，太赫兹技术在物理、化学、生物、通信、安全等领域得到了广泛应用。
2.半导体激光器的特点与应用半导体激光器是一种利用半导体材料作为工作介质的激光器，具有体积小、效率高、寿命长等特点。
半导体激光器广泛应用于光通信、光存储、激光显示、生物医学等领域。
在太赫兹技术中，半导体激光器作为光源，可用于太赫兹波的生成、放大和调制等。
3.量子级联激光器的工作原理与优势量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）是一种具有高效率、低阈值、可调谐等优点的半导体激光器。
其工作原理是在半导体异质结构中，通过电子和空穴的级联跃迁，实现光子的逐级放大。
量子级联激光器在太赫兹技术中具有重要应用价值，可用于高功率、高效率的太赫兹波生成与放大。
4.波导在太赫兹技术中的应用波导是一种用于传输电磁波的导波结构，可分为金属波导、介质波导等。
在太赫兹技术中，波导主要用于太赫兹波的高效传输、信号调制、能量分配等。
近年来，我国科研人员在波导结构设计、波导材料研究、波导器件制备等方面取得了一系列重要成果，推动了太赫兹技术的发展。
5.我国在太赫兹技术研究方面的发展与成果我国在太赫兹技术研究方面起步较晚，但发展迅速。
目前，我国已在太赫兹源、探测器、波导、系统集成等方面取得了一系列重要成果。
太赫兹半导体光电器件及其通信与成像应用太赫兹（THz）是位于微波和红外波之间的电磁频谱，具有许多独特的性质，如穿透性、宽带性、瞬态性等。
近年来，随着太赫兹技术的不断发展，太赫兹半导体光电器件及其在通信和成像领域的应用越来越受到人们的关注。
太赫兹半导体光电器件是指利用半导体材料和器件来产生、控制和探测太赫兹波的器件。
这些器件主要包括太赫兹激光器、太赫兹探测器、太赫兹调制器等。
太赫兹激光器是产生太赫兹波的核心器件。
目前，常见的太赫兹激光器主要有基于耿氏振荡器（Gunn Oscillator）的激光器和基于光子回路的激光器。
耿氏振荡器是一种利用异质结的能带结构实现电子的倍频效应的器件，其产生的太赫兹波频谱范围较宽，但输出功率较低。
基于光子回路的激光器则具有较高的输出功率和较窄的频谱，但其制作工艺较为复杂，成本较高。
太赫兹探测器是用于探测太赫兹波的器件，其工作原理是基于光电效应或热电效应。
目前，常见的太赫兹探测器主要包括超导探测器和半导体探测器。
超导探测器具有高灵敏度和快速响应的特点，但其需要低温工作，且制造成本较高。
半导体探测器则具有低成本和易于集成的优点，但其灵敏度和响应速度相对较低。
太赫兹调制器是用于对太赫兹波进行调制的器件，其工作原理是通过改变半导体的能带结构或光子回路的参数来实现对太赫兹波的调制。
目前，常见的太赫兹调制器主要包括电场调制器和磁场调制器等。
在通信领域，太赫兹波具有极宽的频谱和高速的传输速率，可以提供极高的数据传输速率和信息容量。
因此，太赫兹技术在未来通信中将具有广阔的应用前景。
例如，利用太赫兹波实现超高速无线通信、太赫兹波的信号处理、太赫兹波的雷达探测等。
在成像领域，太赫兹波具有穿透性和光谱分辨能力，可以用于物质的无损检测和识别。
例如，利用太赫兹波对塑料包装材料进行检测、对文物进行无损鉴定、对生物组织进行无损成像等。
此外，利用太赫兹波的瞬态性和宽带性，还可以实现高分辨率和高速度的成像技术，如太赫兹视频等。
基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展基于太赫兹量子级联激光器的实时成像是一种新兴的无损成像技术，已经在材料科学、医学诊断、安全检测等领域产生了广泛的研究兴趣。
太赫兹辐射是指介于红外光和微波之间的电磁波，具有高穿透能力和低离子化能力，因此能够实现对非导体材料内部结构和成分的高分辨率成像。
而量子级联激光器是一种能够发射太赫兹波段连续波的激光器，其具有高功率、窄带宽和紧凑尺寸等优点，使得其在太赫兹成像领域有着巨大的应用潜力。
太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展主要涉及以下几个方面：1.太赫兹量子级联激光器的制备与调控：研究人员通过优化半导体材料的生长工艺、选择合适的材料组分和结构设计等手段，实现了太赫兹量子级联激光器的高质量制备。
同时，采用外部电场和温度调控等方法，可以调节激光器的工作波长和输出功率，进一步提高成像的灵活性和性能。
2.实时成像系统的构建与优化：太赫兹量子级联激光器的实时成像系统由激光器模块、探测器模块和信号处理模块组成。
研究人员通过设计优化光学元件、改进探测器结构和采用高速信号处理算法等措施，不断提高系统的信噪比、分辨率和成像速度，使得成像结果更加准确和可靠。
3.成像算法与图像处理：实时太赫兹成像需要处理大量的成像数据，因此需要开发高效的成像算法和图像处理方法。
研究人员通过分析反射、吸收和散射等太赫兹波与材料相互作用的特性，提出了基于时间域和频域的成像算法，实现了对材料内部结构和成分的高分辨率成像。
4.应用与拓展：太赫兹量子级联激光器的实时成像技术在材料科学、医学诊断和安全检测等领域有着广泛的应用。
例如，可以用于材料表面缺陷检测、药物分子的非侵入性探测以及食品安全检测等方面。
此外，还可以与其他成像技术如X射线成像、红外成像等进行组合应用，实现多模态成像和多层次信息获取。
总之，基于太赫兹量子级联激光器的实时成像技术在不同领域的研究中取得了显著进展。
未来，随着材料科学、医学和安全检测等领域对高分辨率、非侵入性成像需求的增加，该技术将继续发展并取得更大的突破，为人类社会的发展做出更多的贡献。
现代科学仪器Modern Scientific Instruments18第6期2012年12月N o.6 D e c. 2012收稿日期：2012-10-23作者简介：谭智勇（1982-），男，助理研究员，研究方向：太赫兹器件测试及其通信与成像应用研究太赫兹量子器件及其成像实验研究谭智勇 张真真 周 涛 郭旭光 曹俊诚（中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术重点实验室 上海200050）摘 要 本文简要介绍了工作于太赫兹（THz）波段的量子级联激光器、量子阱探测器的研究进展，主要介绍了器件在THz 成像方面的实验研究，包括被动成像技术和扫描透射成像技术，其中扫描透射成像的最佳分辨率为0.5 mm。
关键词 太赫兹;量子级联激光器;量子阱探测器;太赫兹成像中图分类号 TH744.12; O434太赫兹（THz, 1 THz=1012 Hz）量子器件具有体积小、易集成、寿命长、可靠性高等特点。
THz 量子级联激光器（THz QCL）[1]和量子阱探测器（THzQWP）[2]是THz 领域中非常重要的固态辐射源和探测器，是紧凑型THz 应用技术领域中不可或缺的两种器件。
截至目前，THz QCLs 在理论设计和实验研制上均取得了重大进展[3]，器件最大输出功率可达248 mW（脉冲）和138 mW（连续）[4]，最高工作温度为199.5 K（脉冲）[5]和117 K（连续）[6]。
与THz QCL 激射频率相匹配的THz QWP 是中红外量子阱探测器在THz 波段的扩展，是一种窄谱的半导体量子阱器件，由于其内在的短载流子寿命（τ～5 ps）特性，探测器具有非常短的瞬时响应时间，非常适合作为THz 频段的高速探测器[7]。
THz QWP 自出现以来，其工作性能也不断获得提高[8]，并在THz 应用研究中发挥着越来越重要的作用[9, 10]。
图1 基于热辅助的THz 量子阱探测器（THz QWP）被动成像装置结合器件的工作特性，我们分别搭建了基于THz QWP 的被动探测成像、基于THz QCL 和THz QWP 扫描透射成像装置。
中国科学 G 辑: 物理学力学天文学 2008年第38卷第5期: 485 ~ 493 485《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用黎华, 曹俊诚*中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 信息功能材料国家重点实验室, 上海200050* 联系人, E-mail: jccao@收稿日期: 2007-11-13; 接受日期: 2007-12-18国家杰出青年基金(批准号: 60425415、国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB310402、国家自然科学基金(批准号: 60721004和上海市基础研究重大项目(编号: 06dj14008资助摘要太赫兹辐射源是太赫兹频段应用的关键器件. 全固态相干太赫兹量子级联激光器作为一种重要的太赫兹辐射源具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点. 介绍了太赫兹量子级联激光器在激射频率和最高工作温度方面的研究进展, 重点讨论了太赫兹量子级联激光器的制作工艺和测试方法. 最后简单概述了太赫兹量子级联激光器在成像领域的应用.关键词太赫兹量子级联激光器成像太赫兹(terahertz, THz波[1~5]是指频率从300 GHz~10 THz, 介于毫米波与红外光之间的电磁波. 作为THz 频段应用的关键器件, THz 辐射源在材料表征、医学诊断、环境检测、THz 成像、宽带无线通信以及短距离保密通信等领域都有广泛的应用前景.THz 辐射源可以粗略地分为不相干的热辐射源、宽频带辐射源以及窄频带辐射源. 光电导和光整流是最常见的两种产生宽频带脉冲THz 辐射的方法. 目前, 这些方法的转换效率很低, 发射的THz 光束的平均功率只有纳瓦到微瓦量级. 产生窄频带THz 辐射的方法也有很多种, 包括微波频率上转换、光源频率下转换、THz 激光以及反向波管等等. 这些不同的产生THz 辐射的方法各有利弊, 例如上转换技术主要用于发射低功率连续的THz 波; 光混频下转换技术的转换效率低; 气体激光器可以得到高达30 mW 的输出功率, 但是光源不是连续可调的; 自由电子激光器体积巨大, 造价昂贵等等. 在THz 激光中, 半导体激光是一种重要的产生窄频带THz 的辐射源. 最早的产生THz 辐射的半导体激光是p 型锗激光器. 近年来, 随着半导体薄膜生长技术的进步, 精确控制生长纳米级厚度的半导体薄膜已经成为了现实. 因此, 基于多量子阱级联结构的量子级联激光器(quantum cascade laser, QCL于1994年在中红外频段成功实现了激射[6]. 之后, 意大利和英国的科学家于2002年又合作研制成功了世界上第一个THz QCL [7]. 全固态的THz QCL 具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点, 因此, 它一经发明就引起广泛的关注并成为本领域的研究热点. 当前, THz QCL 研究的重点主要集中在有源区结构的黎华等: 太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用设计、工作温度的提升、连续波工作、高发射光功率、低激射频率以及阈值电流密度的降低等.1 THz QCL的发展THz QCL沿用了中红外QCL的设计概念, 将激射频率从中红外延伸到THz频域. 关于THz QCL的工作原理, 我们在文献[8]中做了详细的介绍. 由于THz QCL发射出的光子能量对应于导带子带间的能量差, 而这个能量差要小于一个极化光学声子的能量, 电子与极化光学声子的散射被抑止, 很难实现粒子数反转. 另外, 在THz 频段, 自由载流子吸收与波长的平方成正比, 导致波导对光模的限制变得更加困难.因此, 相比中红外QCL而言, THz QCL的实现要困难得多. 也正是由于这个原因, 降低THz QCL激射频率一直是人们研究的一个难点和热点.针对粒子数反转问题, 人们设计了不同的导带结构. 从最开始的啁啾超晶格结构[8,9], 束缚态向连续态跃迁[10], 到后来的共振声子结构[11], 在解决粒子数反转问题上各有利弊. 啁啾超晶格结构中, 电子在高激发态和低激发态之间发生垂直跃迁, 然后低激发态的电子迅速通过电子-电子散射进入到下一个注入微带, 从而实现高低激发态之间的粒子数反转. 束缚态向连续态跃迁结构的出现是为了减少高激发态与收集态之间的交迭, 从而减少高激发态的非辐射跃迁, 提高发光效率. 但是这种结构有一个天生的缺陷, 即辐射跃迁是对角的, 因此辐射跃迁的强度要比超晶格结构的低, 而且发射谱线宽比较宽. 束缚态向连续态跃迁结构的粒子数反转也是通过电子-电子散射来实现的, 这个过程是弹性碰撞, 载流子向上和向下的散射几率是相等的, 因此抽取效率不高. 共振声子结构综合了上述两种结构, 辐射跃迁为垂直跃迁, 保证了发光强度和线宽. 低激发态上的电子是通过纵光学(longitudinal optical, LO声子散射而进入收集态, 实现粒子数反转. 电-声子散射使得电子的抽取更迅速, 而且大的能量差(GaAs体材料的LO声子能量为36 meV可以防止电子的热反注入. 目前研制的高功率、低激射频率的THz QCL都是基于共振声子结构. 但是这种结构也有一个缺点, 即由于没有注入带, 阈值电流密度比其他结构的要高. 为了降低阈值电流密度, 人们又设计了一种单阱注入结构[12]. 这种结构就是在前面所述的共振声子结构中增加一个注入阱, 很大程度地降低了同类器件的阈值电流密度(从1 kA/cm2左右降低到140 A/cm2, 使得激射频率降低到1.9 THz. 该结构粒子数反转仍然通过LO声子散射来实现.通过统计国际上THz QCL的相关数据, 我们可以得到THz QCL激射频率和工作温度的发展趋势(见图1. 图1(a中, 方点表示在无磁场辅助的情况下, THz QCL激射频率的变化曲线. 从2002年的4.4 THz[8]降低到了目前的1.2 THz[13]. 圆点表示在磁场辅助下THz QCL的激射频率. 采用磁场辅助的方式可以更有效地实现激光能级之间的粒子数反转, 从而降低THz QCL 的阈值电流密度以及激射频率[14]. 其基本原理是: 在多量子阱级联系统上加一个垂直的磁场, 从而引入一个面内的限制势.于是, 自由电子的面内能量E i,k = E i+(ћ2k2/2m*就分立为一系列的朗道能级E i,n = E i+(n+0.5ћωc, 其中ћωc =(ћeB/m*为回旋共振能量. 当子带对应的朗道能级E i和E j满足共振条件的时候, 即ΔE ij =δnћωc, δn为整数, 子带间散射几率很大; 相反, 如果E i和E j不满足共振条件, 则散射几率就会很小. 因此, 可以通过非共振条件来增大高激光态的寿命486中国科学 G 辑: 物理学力学天文学 2008年第38卷第5期487图1 THz QCL 的激射频率(a以及工作温度(b的变化趋势以及共振条件来减小低激光态的寿命, 从而有效地实现粒子数反转. 采用磁场辅助的方法, THz QCL 的阈值电流密度可以降低到十几甚至几个A/cm 2. 图2是Scalari 等人于2006年报道的基于磁场辅助的THz QCL 的能带结构图[15]. 从右边的注入势垒开始, 一个周期内各层的厚度依次为2.5/3.5/1.2/60.7/2.7/22.2/1.5/20.0/3.2/15.2/3.2/13.4/3.5/15.4/1.0/3.8 nm, 其中粗体代表Al 0.15Ga 0.85As 势垒层, 普通字体代表GaAs 阱层. 加下划线的3层是n 型掺杂层, 掺杂浓度为1.6×1016 cm −3. 在外加偏压为0.72 kV/cm 时, 注入态|i 〉与|3〉对准. 电子通过共振隧穿注入到态|3〉, 然后通过3→2的能级跃迁发射THz 光子, 该激光跃迁发生在60.7 nm 宽的阱内. 调节磁场以满足态|2〉与态|1〉的共振条件, 于是大量的电子从能级2抽取到能级1, 这样就缩短了电子在能级2的寿命, 同时增大了电子在能级3的寿命, 从而实现激光能级间的粒子数反转. 该器件的激射频率为1.39 THz, 在磁感应强度为8.1 T 下的阈值电流密度为9 A/cm 2, 12 T 下的阈值电流密度为5 A/cm2. 器件的最高工作温度为40 K. 目前在磁场辅助下, THz QCL 激射频率最低可以达到0.84 THz [16].图2 基于磁场辅助的THz QCL 能带结构图[15]图1(b是THz QCL 最高工作温度的变化曲线, 其中方点代表器件在脉冲模式下最高工作温度的变化曲线, 圆点表示在连续波模式下最高工作温度的变化曲线. 2005年, THz QCL 的最高工作温度就已经达到了164(脉冲模式和117 K(连续波模式[11]. 而到目前为止, 最高工作温黎华等: 太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用488度还是由该记录保持着. 这说明基于目前的设计以及GaAs 材料体系本身的特性, 要想进一步提高THz QCL 的工作温度是一件非常难的事情. 于是, Liu 等人[17]转向研究了有源区掺杂浓度对器件性能的影响. 对于THz QCL 而言, 高掺杂浓度会引起大的自由载流子吸收损失以及波导损失, 从而导致器件的高阈值电流密度; 太低的掺杂浓度又会导致器件很低的增益甚至无法激射. 采用独特的生长技术, 即在生长有源区掺杂层时, 让硅束源炉对准衬底某一晶向并停止衬底旋转. 这样就可以在同一生长晶片上得到不同掺杂浓度的THz QCL 样品. 研究结果表明, 随着有源区掺杂浓度的增加, 器件的阈值电流密度单调增加. 但是, 器件最高工作温度随着掺杂浓度的变化存在一个优化值. 当掺杂浓度为3.6×1010 cm −2时, 器件的工作温度最高可以达到110 K 左右. 其他更低或者更高掺杂浓度的器件都不能达到这个最高工作温度.2 THz QCL 的制作工艺2.1 THz QCL 有源区材料生长THz QCL 的主体是有源区. 该有源区是一个多周期、多量子阱的级联结构. THz 光子就是在有源区中产生, 电子每经过一个周期就会发射出一个THz 光子. THz QCL 器件最终能否激射很大程度上取决于有源区材料的质量. 各层厚度、掺杂浓度、组分的偏离都可能导致最终的器件无法激射. 目前生长THz QCL 有源区材料的设备主要有分子束外延(molecular beam epi-taxy, MBE和金属有机物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD等.图3(a给出了一个GaAs 基THz QCL 结构的示意图. 首先是在半绝缘GaAs 衬底上生长GaAs 缓冲层, 然后生长AlAs 或AlGaAs 刻蚀阻挡层, n 型重掺杂层, 接着生长多量子阱级联有源区, 最后生长一层n 型重掺杂层. 其中, 用虚线边框标示的AlAs 或AlGaAs 刻蚀阻挡层主要是针对双面金属波导设计而生长的, 而对于制作半绝缘表面等离子波导结构的THz QCL 则没有必要生长该刻蚀阻挡层. 上下n 型重掺杂层的掺杂浓度均为1018 cm −3量级, 主要用作波导限制层和电接触层. 图3(b是THz QCL 多量子阱级联有源区截面透射电子显微镜(XTEM照片[18], 其中亮条纹是Al 0.15Ga 0.85As 势垒层, 暗条纹是GaAs 阱层. 两个箭头之间的区域正好是一个周图3 THz QCL 结构示意图(a和THz QCL 有源区XTEM 照片[18](b中国科学G辑: 物理学力学天文学 2008年第38卷第5期期. 从下往上, 各层的厚度依次为5.4/7.8/2.4/6.4/3.8/15.3/3.5/8.8 nm, 其中粗体代表Al0.15Ga0.85As 势垒, 普通字体代表GaAs阱层.Beere等人[19]曾经对MBE生长THz QCL结构做过详细系统的研究. 结果表明, Ⅲ族Ga源的精确控制是至关重要的. 对于THz QCL有源区结构而言, 90%以上的成分是由GaAs组成的, 因此, GaAs速率的校准与否将直接影响生长材料的组分以及厚度. 对生长的THz QCL材料进行高分辨X射线衍射(HRXRD表征, 可以发现, 生长材料的实际厚度值与理论设计值的差异基本上来自于GaAs生长速率的偏移. 而GaAs生长速率则完全是由Ga源的温度来控制的. 同时, 理论计算表明, 对于一个18.0 meV的啁啾超晶格有源区设计而言, GaAs生长速率的变化要求维持在+2% ~−1%之间, 同时AlAs生长速率的变化在+10% ~ −5%之间, 才能保证发射光子的能量与设计值的偏差维持在±0.5 meV之内. 另外, 掺杂浓度的控制也是影响THz QCL的一个重要因素. 实验表明, 掺杂浓度偏移±10%是可以接受的.目前, 多数THz QCL有源区的设计都是基于GaAs/Al x Ga1−x As材料体系, 但是也有少数设计是基于GaN/Al x Ga1−x N材料体系的[20,21]. Huang等人[22]报导了采用低压MOCVD设备生长GaN/Al0.2Ga0.8N材料体系的THz QCL结构, 目前尚未给出器件结果. GaN材料中LO声子的能量较大(约为90 meV, 为声子的热激发以及电子的热反注入制造了一个很高的势垒. 这样, 就有利于器件在较高温度条件下工作. 而且GaN本身具有非常优越的光电性能, 因此GaN的基THz QCL有望可以进一步提升器件在电流密度、激射频率以及工作温度等方面的性能.2.2 THz QCL波导THz QCL波导结构设计主要有等离子波导、半绝缘表面等离子波导以及双面金属波导等(如图4. 等离子波导是沿用中红外QCL的波导结构设计, 期望将光场限制在上金属层和重掺杂层之间. 但是由于GaAs材料掺杂浓度的限制(一般认为极限掺杂浓度约为5×1018 cm−3, THz 光模将会穿过波导层, 引起很大的自由载流子吸收损失, 导致这种结构的尝试没有成功. 图4(b为半绝缘表面等离子波导示意图. 由于采用了半绝缘的GaAs衬底, 这种结构设计很大程度上降低了等离子波导大的自由载流子吸收损失. 第一个THz QCL就是采用这种波导结构[7]. 双面金属波导(图4(c 结构是由Hu小组最先引进到THz QCL中来并取得成功的[19]. 目前大多数双面金属波导都是采用的金-金双面金属. 它将光场限制在上下两层金属之间. 双面金属波导在长波长QCL中的优势是十分明显的. 因为THz波对金的穿透深度仅仅只有几百埃, 所以双面金属波导大大降低了波导损失, 而且限制因子几乎为1. 目前报道的最高工作温度以及最低激射频率的THz QCL均采用的是金-金双面金属波导结构[11,13].图5显示了采用铟(In-金(Au键合技术制作THz QCL双面金属波导的工艺流程[23]. 由于需要采用金属键合工艺, 因此双面金属波导比其他波导结构的制作要复杂得多. 双面金属波导的工艺主要包括: (ⅰ在MBE生长的晶片表面依次蒸发钛(Ti/金(Au层, 厚度为20/1000 nm; 同时, 在另一片n型GaAs衬底上依次蒸发金属钯(Pd/锗(Ge/钯(Pd/铟(In/金(Au层, 厚度分别为25/10/25/1200/120 nm. 金属Pd/Ge/Pd层用来提高有源区和n型衬底之间的电接触, 而最上面的120 nm的Au层是为了防止In的氧化. (ⅱ如图5(a所示, 将两片晶片面对面进行低温热压键合.键合温度为250℃,高于I n的熔点(156.6℃.在键合过程中,I n首先熔化然489黎华等: 太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用图4 3 种 THz QCL 波导结构 (a 等离子波导; (b 半绝缘表面等离子波导; (c 双面金属波导图5 In-Au键合THz QCL双面金属波导工艺过程 [23] (a 低温键合; (b 去除衬底及 AlGaAs 刻蚀阻挡层;(c 制作脊波导结构后扩散进入 Au 层从而形成 In-Au 合金. (ⅲ键合完成之后, 为了制作上电极我们必须去除半绝缘衬底以及 AlGaAs 刻蚀阻挡层, 如图 5(b所示. 半绝缘衬底首先通过研磨, 然后在氨水和双氧水的腐蚀液中完全去除. AlGaAs 刻蚀阻挡层则通过氢氟酸腐蚀来去除. (ⅳ在键合好的晶片表面蒸发 Ti/Au(20/200 nm上电极并刻蚀出脊波导结构(如图 5(c所示. (ⅴ在晶片的背面蒸发 Ti/Au 下电极. (ⅵ按照设计的腔长对晶片进行解理并在一端的腔面上镀上氧化铝高反膜. (ⅶ将解理好的THz QCL 器件管芯焊接到热沉上并进行焊线封装, 完成 THz QCL 的制作. 490中国科学 G 辑: 物理学力学天文学 2008 年第 38 卷第 5 期 3 THz QCL 性能测试对 THz QCL 而言, 器件性能的测试主要集中在传输特性(如电流-电压(I-V , 电导-电压(G-V 特性、发射谱以及光功率谱的测量. 下面结合图 6 详细介绍一下 THz QCL 的发射谱的测量. 发射谱测量的核心装置是一个傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR. 测试过程为: 通过施加脉冲偏压, THz QCL 发射出的 THz 激光进入 FTIR, 经迈克尔逊干涉仪描绘出干涉谱, 然后进行傅里叶变化得到发射频率谱. 在器件端, THz QCL 器件通过铟焊接在真空杜瓦瓶中的铜金属板上, 并采用液氦制冷, 最低温度可以达到 4.2 K. 脉冲偏压源负责为 THz QCL 器件提供不同占空比的偏压. 在探测端, 探测器通过液氦制冷. 通常可供采用的探测器有两种, 硅辐射热测量仪(Si-bolometer和锗镓(Ge:Ga 光探测器. Si-bolometer受限于材料的热响应, 通常响应时间在微秒量级. 而 Ge:Ga 光探测器测量的是光激发后材料电导率的变化. 因此, 相比于 Si-Bolometer 来说, Ge:Ga 探测器的最大的优点就是响应速度快. 但是 Ge:Ga 探测器的测量频率范围没有 Si-bolometer 宽广. 在实际测量中, 我们应该根据不同的测试需求采用不同的探测器. 为了减少背景噪声的影响, 我们一般采用锁相放大器对从探测器出来的信号进行放大. 同时, 脉冲偏压信号作为参考也会送进锁相放大器. 最后, 电脑采集锁相放大器和 FTIR 的信号, 完成THz QCL 发射谱的测量. 图6 THz QCL 发射谱的测量装置示意图通过稍加改装图6 所示装置, 其他 I-V 特性和功率谱也都可以测量. 在器件端, 如果在供给 THz QCL 脉冲偏压的电路中加入电流探针, 我们就可以完成 THz QCL 的电传输特性(I-V 的测量; 在探测端, 如果添加一个功率计, 我们就能够得到器件的功率谱. 491黎华等: 太赫兹量子级联激光器制备及其成像应用 4 THz QCL 在成像领域的应用 Darmo等人 [24]于 2004 年首次将THz QCL应用于成像技术. 采用 3.4 THz, 20 mW的脉冲 QCL辐射源以及氦冷却的Si-bolometer探测器, 对小白鼠的大脑进行了成像实验. 透射模式下峰值功成像的实验结果表明空间分辨率可以达到250 μm. 后来, Nguyen等人 [25]采用 2.9 THz、率为 70 mW的脉冲QCL辐射源以及高利池探测器(Golay cell detector对聚苯乙烯材料、金属材料以及聚四氟乙烯材料制品首次进行了三维重构成像. 2006 年, Lee等人 [26] 采用 4.3 THz, 50 mW的QCL辐射源, 以及 320×240 像素的焦平面阵列探测器成功地进行了实时成像的试验. 图 7(a和(b 分别为指纹印在可见光频率和THz频率反射模式下的照片. 指纹中, 两个凹槽之间的距离大概为500 μm, 因此图 7(b说明采用THz QCL实时成像具有较好的分辨能力. 之后, Lee 等人 [27] 又采用 4.9 THz的QCL以及 320×240 像素的焦平面探测器成功进行了透射模式下的实时成像试验, THz辐射源和目标物体的距离大于 25 m. 这种远距离实时成像技术的试验成功地为THz QCL的发展指明了方向, 同时也加快了THz QCL商业化应用的步伐. 图7 指纹印在可见光频率(a和THz频率反射模式(b下的照片 [26] 5 结论本文简要概述了 THz QCL 的发展, 介绍了 THz QCL 的制备、性能测试以及在成像领域的应用. 从 2002 年发展至今, THz QCL 在各方面性能都有很大程度的提升. 但是, 目前 THz QCL 的最高工作温度为 164 K, 离室温工作还有一段距离. 这一点可能是阻碍 THz QCL 成熟应用的最关键因素. 也许, 要真正实现 THz QCL 的室温工作, 我们需要在有源区的设计上有新的突破或者选取新的材料体系(比如 GaN 材料. 尽管 THz QCL 目前还不能室温工作, 但是它在激射频率和发射光功率方面的性能已经可以满足一些领域的应用了, 例如在成像领域, THz QCL 一经应用即展现出了特殊的优势(实时成像. 另外, 由于 THz 波具有频带宽、保密性好等优点, THz 通信可能是 THz QCL 应用的另一个关键领域. 针对 THz QCL 在其他领域的应用, 各国的科学家也都在积极探索研究. 致谢 492 衷心感谢与韩英军博士、郭旭光博士和谭智勇的有益讨论.中国科学 G 辑: 物理学力学天文学 2008 年第 38 卷第 5 期参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Ferguson B, 张希成. 太赫兹科学与技术研究回顾. 物理, 2003, 32: 286—293 Siegel P H. 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