论文概述
2020年6月11日，里海大学电气与计算机工程系 Sushil Kumar教授团队和美国桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心John Reno教授合作在国际光学权威期刊Optica发表了题为“2W输出功率单模锁相太赫兹等离子体激光器阵列（Phase-locked terahertz plasmonic laser array with 2W output power in a single spectral mode）”的研究成果。该论文报道了通过设计太赫兹量子级联激光器阵列的参数实现太赫兹激光锁相输出，最终在58 K的温度下实现了峰值功率2W的近衍射极限单模太赫兹激光高效率（>50%）输出，是当前单模太赫兹量子级联激光器中的最高输出功率。该工作为设计高功率单模太赫兹量子级联激光器提供了新的思路。
研究背景
太赫兹量子级联激光器由于其结构紧凑，波长灵活，输出功率高等特性，是太赫兹波段最有潜力的光源之一，在成像、通信、传感以及光谱学等研究领域具有广泛的应用。目前太赫兹量子级联激光器输出功率已经达到2.4W，但是其输出光谱为多纵模且远场光斑较差。在光谱学、成像等应用中，单模太赫兹激光更加受欢迎。单模太赫兹量子级联激光器的实现一般是通过在法布里-珀罗腔激光器的基础上增加光栅进行纵模选择，但是由于引入光栅导致波导损耗增加以及输出耦合效率较低等因素，当前单模太赫兹量子级联激光器的功率基本在200mW以下。如何进一步提高单模太赫兹量子级联激光器的性能成为了进一步扩展太赫兹量子级联激光器应用前景的重要课题。
技术突破
太赫兹量子级联激光器的输出效率(
)与辐射损耗系数（
）成正比，而辐射损耗系数与激光器的腔长（L）成反比：
其中
为激光器的总损耗因子，R为激光器端面反射率。激光器的高功率输出要求激光器的腔长尽量长，以提供更高的增益，但是由上式可知，随着激光器腔长的增加，激光器的输出效率会逐渐下降。因而，为了实现较高的输出功率，腔长需要保持在一定的范围，这也就在一定程度上限制了激光器输出功率的提升。
基于上述因素，研究人员转换思路，将单个长腔量子级联激光器分为多个短腔的子激光器，这样短腔长便可以保证较高的输出耦合效率，同时，通过设计激光器阵列的结构参数，使各个子激光器之间相位锁定，进而实现高功率太赫兹激光的输出。值得注意的是，各个子激光器的两侧仍然相连，在施加偏置电压时可以同时接通电源，具体结构如图1(a)和(b)所示。通过有限元仿真计算进行结构参数优化，当子激光器的腔长为表面等离极化激元波长的三倍（243μm），各个子激光器之间的间隔等于表面等离极化激元波长（81μm）时，3.3THz激光的模式损耗最小。最终，研究人员通过将一个腔长为2.2mm的激光器分为7个腔长为243 μm的周期性（∧=324μm）排列子激光器（各子激光器的表层金属波导均匀分布两个9μm宽的开口），在58K的温度下实现了峰值功率2.03W的3.3THz单模太赫兹激光输出，斜率效率为1.57W/A，辐射效率大于50%，最高工作温度为132K，对应的功率-电流-电压曲线以及不同偏压下的输出光谱如图1(c)所示。图1(d)为激光器的远场光斑，发散角为3.2°×11.5°，实现了近衍射极限的远场输出，功率密度相比于之前的报道提高了近30倍。此外，通过改变量子级联激光器阵列的参数，研究人员实现了~140 GHz的单模可调谐范围。
图1 表面发射量子级联激光器的实验结果：(a) 锁相量子级联激光器阵列示意图。(b) 量子级联激光器阵列的扫描电子显微镜图像。(c) 周期为324 μm激光器阵列的功率-电流-电压曲线以及输出光谱，其中子激光器之间的间隔为81 μm。(d) 激光器输出的远场光斑。
观点评述
单模太赫兹量子级联激光器的实现一般是通过在法布里-珀罗腔激光器的基础上增加光栅进行纵模选择：对于基于单金属波导的量子级联激光器，一般采用一阶分布式反馈光栅，但是光栅会导致波导损耗增加，因而输出功率一般低于法布里-珀罗腔的激光器；对于基于双面金属波导的太赫兹量子级联激光器，由于激光器端面反射率很高（>90%），输出功率很低，因而多采用高阶光栅进行模式选择和功率耦合，通过表面发射实现较高的功率输出，但是其输出功率一般低于同尺寸的单金属波导量子级联激光器。本文作者另辟蹊径，将长腔激光器分割成多个短腔激光器，通过减小激光器尺寸实现高输出耦合效率，同时通过巧妙的结构设计将多个子激光器进行锁相，最终实现高功率、高效率、近衍射极限的单模太赫兹激光输出，为设计高功率高效率单模太赫兹量子级联激光器提供了新的思路。该方法具有易于实现，易于拓展的优点，例如，可以通过增加子激光器的个数或者宽度实现更高的功率输出。此外，该结构具有较高的鲁棒性，微调子激光器的腔长或者子激光器之间的间隙依然可以保持单模输出，这种特性也有助于灵活地对输出频率进行调谐。