CN102237635A - 一种太赫兹、红外频段激光光源 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹、红外频段激光光源，其包括平面金属结构层、半导体活性层和金属底板层，金属底板层为支撑层，半导体活性层和平面金属结构层依次叠于其上，形成相干表面态，平面金属结构层由一维或者二维周期排列的金属单元组成，或者由具有同心环结构的金属栅构成。相干表面态通过平面金属结构层的金属缝隙与外界平面波相互耦合而辐射到自由空间，而平面金属结构层的金属缝隙和单元周期长度的比值和耦合系数成反比关系，从而放大半导体活性层的电磁场场强，实现量子数反转产生激射。本发明的激光光源频率段宽、光功率大，且结构简单、制作方便。

Description

一种太赫兹、红外频段激光光源

技术领域

本发明涉及一种用于太赫兹、红外频段激光光源。

背景技术

太赫兹波是指频率范围在0.1-10THz之间的电磁波。物质的太赫兹光谱包含着丰富的物理和化学信息，在物理、化学、生物医学、空间通信和军事应用等领域有着广泛的应用前景。红外频段是指频率介于可见光和太赫兹波段的电磁波，红外光谱应用面广，提供信息多且具有特征性，可应用于物质的化学组成进行分析。它不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，属于非破坏分析。已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。物体常温的辐射谱主要集中在红外波段，所以红外探测在军事和民用有着越来越重要的应用前景。

但长期以来，由于缺乏较为理想的太赫兹和红外频段的激光光源和相关检测系统，致使这个波段在电磁波谱中形成一段发展相对落后。目前实现太赫兹、红外的激光光源的方法有几种，各有优缺点。其中，基于自由电子激光(FEL)的太赫兹和红外光源功率比较大，而且波长在大范围内连续可调，但是此种光源体积庞大，价格昂贵，现阶段还只是实验室雏形，大大限制了其应用范围。半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快等。但是半导体激光器需要利用到半导体的带间跃迁辐射发光，其发光频率由半导体带隙宽度决定，带隙越窄，波长越长；目前半导体激光器的波长覆盖了紫外，可见到近红外波段，而对于中红外，远红外和太赫兹频率，则需要极窄带半导体材料来实现激射，这类材料通常不稳定而很少被利用。由于半导体激光器的光学谐振腔短小，所以激光束的方向性较之其他典型的激光器要差很多，并且垂直于结的方向和平行于结的方向的光束发散角是不对称的，前者要大数倍。量子级联激光器利用同一能带内的量子阱产生的量子化子能级直接的电子跃迁产生光子，由于子能级之间的跃迁能量比半导体能隙之间的跃迁小得多，所以量子级联激光器能获得长波的激光输出。此外波长能过通过量子阱的宽度来控制。量子阱子带跃迁效率比较低，量子级联激光器通过有缘区和注入区的周期重复(通常多达几十次)来提高外量子效率和降低阈值电流。每一个周期单元由多层势垒层和势阱层构成，这导致了量子级联激光器的量子阱层和垒层的数量高达好几百，在制备过程中相当复杂，需要高精度的分子束外延技术，大大增加了成本价格。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹、红外频段激光光源，利用平面金属结构结合低载流子浓度的半导体材料、量子阱或者异质结结构产生红外、太赫兹波段激光，频率和相干性可以通过金属结构的结构参数调节。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明需含有平面金属结构层，半导体活性层和金属底板层。

平面金属结构层和金属底板层的存在可以有效增强半导体活性层的内量子效率，为活性层的量子数布居反转以及激光的产生提供必要条件，同时还充当电极的作用，下表面金属层起到支撑整个结构的作用，由于是工作频率是红外和太赫兹频段，金属表现为理想导体，因此本发明对金属的种类并没有要求。

平面金属结构层由一维或者二维周期排列的金属单元组成，金属单元可以是金属条、金属方片、金属圆片。平面金属结构层也可以是具有同心环结构的金属栅构成。当平面金属结构层的周期和半导体活性层的波长相比拟时，本发明由于磁谐振形成了高品质因数的相干表面态，这种表面态能可以有效调控活性层中模式的局域态密度，如果用入射电磁场作为归一化的分母，可以放大活性层电磁场场强2个数量级甚至更多，这取决于结构参数。放大的电磁场增强了半导体的电子跃迁和电磁波之间相互耦合的几率，为实现粒子数反转提供了前提条件。相干表面态通过周期结构的金属缝隙与外界平面波相互耦合而辐射到自由空间，平面金属结构层的金属缝隙和单元周期长度比值和耦合系数成反比关系，本发明利用较小比值(金属缝隙和金属单元周期长度比值小于0.2)使得相干表面态具有高的品质因数，从而可以有效降低饱和吸收阈值并最终导致激光的产生，这给利用各种低载流子浓度增益材料实现受激辐射提供了必要条件，在所有利用超薄腔体产生受激辐射的方法中，本方法对材料增益系数的要求最低。发生激射的频率与相干表面态的频率一致，相干表面态受周期结构的周期和活性层的介电常数控制，受缝隙，活性层的厚度等参数的微调，因此调节激光产生的频率可以很容易的由结构参数调节从而覆盖整个红外、太赫兹频率。激光的空间相干性由金属结构层的缝隙大小控制，金属缝隙越窄相干长度越长，反之相干长度越短。

半导体活性层由半导体材料组成，禁带宽度在近红外和中红外波段的半导体材料有很多，例如砷化镓，硫化铅，碲镉汞等，因此在这个波段可以采用半导体pn结，异质结或者量子阱等常用的近红外和中红外发光材料作为活性层，平面金属结构和下底板金属放大了活性层的电磁场大小，大大增加了光功率，降低了阈值电流，同时是采用的面发射机制，光输出容易，可实现二维激光器阵列。

近红外和中红外波段活性层可以采取禁带宽度在所需频率的相应半导体材料制成的pn结，量子阱结构，或者异质结结构。这些材料应用于常用的半导体激光器中也能产生相应频率的激光，但是其光学谐振腔必须完全垂直于结的方向，反射面必须很光滑，制作工艺比较复杂，产生的激光只有一个维度有方向性，激光输出困难，很难应用到二维面阵。本发明的上表面金属结构层可通过在活性层上面蒸镀一层金属，并经由微加工(MEMS)工艺实现，其工艺流程简单。金属结构层，下底板金属和活性层构成的相干表面态能增强活性层电磁场场强4个数量级，极大程度的提高了活性层的内量子效率，利用相干表面态实现激射而不用制作法布里帕洛谐振腔，空间相干性高，激光光束两个维度发散度都很小，垂直于结的方向发射，容易实现光输出。

远红外和太赫兹波段活性层可以采用量子阱结构或者超晶格结构。低频光子能量低，只能利用量子阱或者超晶格的子带跃迁和光相互耦合，而通常情况下子带跃迁量子效率非常低，现有技术只有通过量子级联来增强量子阱超晶格的外量子效率，而此类产品的发光效率仍然比较低下，并且制作工艺很复杂，需要利用高精度的分子束外延技术生长几百层半导体薄膜，价格高昂，大大限制了其应用范围。本发明的活性层厚度是亚波长厚度，只需要利用到几层量子阱结构，材料生长简单，平面结构可以通过光刻实现，容易批量生产；活性层的电磁场场强能放大4个数量级，大大提高了量子阱的量子效率，增加了电光转换效率，降低了阈值电流，激光光束具有高空间相干性，相干长度可以通过结构参数调节。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、由于本发明由平面金属结构层、半导体活性层和下底板金属层构成的低泄漏的磁谐振相干表面态增强活性层的内量子转换效率，实现量子数反转产生激射。单色性好，并且频率可由平面金属结构层的周期调节，覆盖太赫兹和红外波段。

2、本发明活性层中的电磁场场强被增益4个数量级，量子效率高，电光转换效率高，容易实现常温连续激光的输出。

3、本发明利用面发射输出激光，容易实现二维激光面阵，光功率大。

4、本发明的激光空间相干性可以由平面金属结构的空气缝宽控制，两个维度都具有高准直性。

5、本发明结构简单，平面金属结构容易加工，用于远红外和太赫兹的活性层量子阱层数少，材料生长容易，成本低廉。

附图说明

图1A和图1B是本发明激光光源第一实施例结构示意图；

图2是本发明激光光源第一实施例实现激射频谱图；

图3A和图3B是本发明激光光源第一实施例激射的在E面和H面的角度谱；

图4是本发明激光光源第二实施例的平面结构层示意图；

图5是本发明激光光源第三实施例的平面结构层示意图；

图6是本发明激光光源第四实施例的平面结构层示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

图1A显示为本发明太赫兹、红外激光光源的第一实施例结构示意图。本发明第一实施例由平面金属结构层1、半导体活性层2和金属底板层3依次相叠而成，平面金属层1的金属结构采取一维周期排列的金属条，图1B是其结构示意图。金属条宽度为5.9微米，金属条之间的空气间隙为0.2微米。整个平面金属结构层1为平面结构，容易加工。金属底板层3作为整个结构的支撑层，厚度为100微米，具体可根据实际应用设计，以满足不同场合的需求。平面金属结构层1和金属底板层3的金属为铝，也可以是铜、金等其他金属。

本发明太赫兹、红外激光光源的第一实施例工作波长设计为15微米，半导体活性层2选用砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_xGa_1-xAs)量子阱结构。砷化镓/铝镓砷量子阱结构可以通过设计势垒层铝的组分和势阱层的厚度来达到红外到太赫兹的电光转换，但是背景暗电流较大，量子转换效率很低，增益系数相当小，很难实现量子数反转实现激光输出。已有的量子阱级联激光器利用几百层的砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_xGa_1-xAs)多层结构，从而提高量子阱的外量子效率达到激光输出。本发明第一实施例利用金属-半导体-金属结构产生的相干表面态提高砷化镓/铝镓砷量子阱结构的场增益，提高内量子效率，达到激光输出，整个量子阱结构层只要几个周期，量子阱结构参数如表1，整个结构厚度为789纳米，其量子阱势垒层和势阱层的厚度需根据具体工作波长设计，本发明第一实施例的量子阱层的增益中心波长为15微米。

图2显示为本发明太赫兹、红外激光光源的第一实施例在入射平面波的激励下的光增益频谱。图中显示第一实施例在半导体活性层的场增益系数为126cm^-1时候，对应频率为20THz(波长15微米)光强被增大4个数量级实现激射，此增益峰值线宽小于0.02THz，单色性非常好。

图3A和图3B分别显示本发明太赫兹、红外激光光源的第一实施例在波长为15微米不同入射角的平面波激励下的光场增益图。相比于传统的半导体激光器的一个方向具有高定向性，图中显示本发明第一实施例的输出的激光在两个维度上都具有高方向性。本发明第一实施例利用一个一维结构，实现高增益，高定向性激光输出，结构简单，成本低廉，利用面发射激光，很容易实现二维激光面阵，实现低阈值，高功率激光输出。

上述实施例只是本发明的太赫兹、红外激光光源的一个较佳实施例，本发明的激光光源的平面金属结构层还有很多其他结构。周期单元的图案不限于上述第一实施例的形状。图3、图4分别显示了本发明的激光光源的第二、第三和第四实施例的平面金属机构层的图案示意图。在第二实施例中，平面金属结构层由二维周期排列而成的正方形贴片，在第三实施例中，平面金属结构层由二维周期排列而成的同心圆环组成，可以有效降低激光频率。第四实施例中，平面金属结构层采取同心排列的多个圆环组成，此结构在柱坐标里可以和直角坐标的一维排列的金属条结构相类比。

本发明的光源量子效率高，空间相干性可达到220倍波长以上，光束具有两个维度的高定向性，面发射，光功率高，频率可调，结构小巧，平面工艺，厚度超薄，加工容易，成本低廉。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：其包括平面金属结构层、半导体活性层和金属底板层，金属底板层为支撑层，半导体活性层和平面金属结构层依次叠于其上，形成相干表面态，放大半导体活性层电磁场场强。

2.如权利要求1所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述平面金属结构层由一维或者二维周期排列的金属单元组成，或者由具有同心环结构的金属栅构成。

3.如权利要求2所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述金属单元为金属条。

4.如权利要求2所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述金属单元为金属方片或金属圆片。

5.如权利要求1所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述平面金属结构层的周期和半导体活性层的波长相比拟。

6.如权利要求1所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述相干表面态通过周期结构的平面金属结构层的金属缝隙与外界平面波相互耦合而辐射到自由空间，平面金属结构层的金属缝隙和金属单元周期长度的比值和耦合系数成反比关系。

7.如权利要求6所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述平面金属结构层的金属缝隙与金属单元周期长度的比值小于0.2。

8.如权利要求1所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述半导体活性层由半导体材料组成，近红外和中红外波段活性层采取禁带宽度在所需频率的相应半导体材料制成的pn结、量子阱结构或者异质结结构；远红外和太赫兹波段活性层采用量子阱结构或者超晶格结构。

9.如权利要求8所述的太赫兹、红外频段激光光源，其特征在于：所述禁带宽度在近红外和中红外波段的半导体材料选用砷化镓、硫化铅或碲镉汞。

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