量子级联激光器（Quantum cascade laser, QCL）是一种根据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资料本身带隙约束，经过能带工程进行裁剪和规划，可以掩盖中远红外至太赫兹（THz）波段，在光电对立、医学确诊、精密丈量、空间光通信等许多范畴具有广泛的使用远景。在1～5 THz激射频率范围内，THz QCL是最有用的电泵浦半导体THz辐射源，具有结构严密相连、易集成、输出功率高和转化功率高级长处。完成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。但是，传统的大功率量子级联激光器跟着器材尺度的增大不可避免地会呈现多模谐振，因而导致光束质量差、激光亮度降低一级问题。因而，开发一种进步电泵浦量子级联激光器输出功率和光束质量的规划思路和技能计划至关重要。
近期，北京量子信息科学研讨院的陆全勇研讨员课题组与中国科学院半导体研讨所刘峰奇团队协作在高亮度电泵浦太赫兹量子级联激光器研制方面获得新的发展：研讨团队立异性地引入了外表金属相位工程光子晶体（SM-PEPC）腔的规划（图1），使用PEPC腔与有源区之间的具有可控的厄米和非厄米耦协作用来按捺高阶形式的振动，经过调理PC点阵基元间的相位联系和形状联系获得对腔模和带边模损耗的精密调控（图2），在器材尺度大幅增大的情况下（~1.6 mm×1.6 mm），仍能完成单一形式、单一THz光斑输出，使高亮度THz激光输出成为可能。该新式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越185 mW（图3），光束发散角仅为 4.4×4.4，在不必任何光学透镜的情况下，笔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）到达1.6×107W sr-1m-2，相对现在干流的透镜矫正后的DFB-THz QCL进步了数倍。
这种晶格基元的相位工程规划可以在大面积器材上完成安稳和高亮度的外表发射，使其成为大面积 THz QCL的理想光提取器。该研讨为完成高亮度太赫兹激光器铺平了路途，信任在不久的将来，这种新式高性能的太赫兹量子级联激光器药品检测、工业工程、太空观测等方面有望展开新的使用。
图2: 金属THz-PEPC晶格规划与仿真。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联系; e, THz-PEPC QCL基模和榜首高阶模的电场散布; f, THz-PEPC腔中基模和榜首高阶模之间的形式损耗裕度与晶格相移的联系。
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