[發明專利]一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器及其制備方法

在審

• 申請號: 202110930643.6
• 申請日: 2021-08-13
• 公開（公告）號: CN113594857A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 徐剛毅;何力;朱海卿;王凱;譚誠;朱歡
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34;H01S5/12
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明涉及一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器，包括襯底、位于襯底上方的鍵合金屬層，鍵合金屬層的上方設有沿激光器的長度方向排布且彼此相連的種子激光區和總線波導，總線波導的一側設有沿激光器的長度方向排布且彼此間隔開的諧振環和過渡電極，諧振環和過渡電極之間架設有金屬空氣橋，并且種子激光區的端部以及總線波導的端部設有吸收邊界。本發明還提供一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器的制備方法，本發明能夠直接發射有較高模式純度的太赫茲矢量渦旋激光，可以實現中空的環狀遠場光斑，所發射的矢量渦旋光可以分解成攜帶軌道角動量的左旋和右旋圓偏振光，偏振特性為角向偏振，具有穩定性高、激發效率高、線寬窄、邊模抑制比高的優點。

技術領域

本發明涉及太赫茲量子級聯激光器領域，更具體地涉及一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器及其制備方法。

背景技術

太赫茲(THz)量子級聯激光器(quantum cascade laser，QCL)因其能量轉換效率高、體積小、易集成、電泵浦等優點而成為2-5THz范圍內極具潛力的相干光源，在成像、物質檢測以及通信等領域有重要應用。例如，在成像及物質檢測方面，因為大量分子及團簇的本征振轉能級處于太赫茲波段，所以該波段也被稱為分子的指紋譜段，利用該特性的太赫茲成像技術已被應用在分子光譜學、生物醫學、安全以及非破壞性檢驗等領域。在通信方面，太赫茲無線通信具有寬帶寬、高保密和可穿透等離子體層等優點，能夠成為繼微波和光通信的又一個重要通信頻段。

以(l為拓撲荷數，i是虛數單位，為角向坐標)形式相位分布的電磁波具有軌道角動量，由于其螺旋形的波前，因此被稱作渦旋光。渦旋光用于STED技術，能突破衍射極限使得分辨率降低到納米量級。并且，通過軌道角動量的編碼與復用，理論上可以在同一通信頻率增加無限數量的信道。渦旋光可分為標量渦旋光和矢量渦旋光，標量渦旋場的偏振均一，空間上處處一樣，矢量渦旋場的偏振隨著空間位置變化。

目前，渦旋光大多通過分立的器件產生，具有光路輔助不穩定的缺點。而集成的渦旋光發射器均集中在可見光和通信波段，在太赫茲波段還沒有能夠直接產生渦旋光的激光器。因此，亟需一種激光器，能夠對太赫茲波的相位進行渦旋調控，以直接產生穩定的標量渦旋太赫茲波。

發明內容

為解決上述現有技術中的問題，本發明提供一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器及其制備方法，能夠直接發射矢量渦旋太赫茲波，并具有穩定性高的優點，使出射的矢量渦旋太赫茲波具有較高的模式純度。

本發明提供的一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器，包括一襯底以及位于該襯底上方的鍵合金屬層，所述鍵合金屬層的上方設有沿激光器的長度方向排布且彼此相連的種子激光區和總線波導，以及設于所述總線波導的一側、沿激光器的長度方向排布且彼此間隔開的諧振環和過渡電極，在所述諧振環和所述過渡電極之間架設有金屬空氣橋，并且所述種子激光區的端部以及所述總線波導的端部設有吸收邊界。

進一步地，所述種子激光區自下而上包括第一有源區和第一頂部金屬層，所述第一有源區中具有周期性光柵結構。

進一步地，所述周期性光柵結構由若干尺寸相同的長條形光柵組成，所述長條形光柵等距間隔。

進一步地，所述總線波導包括漸變區和保持區，所述漸變區的寬度從所述種子激光區向所述保持區漸縮，所述保持區為寬度保持不變的長條形區域。

進一步地，所述漸變區具有起始側和終止側，所述起始側的寬度與所述種子激光區的寬度相匹配，所述終止側的寬度則與所述保持區的寬度相匹配。

進一步地，所述諧振環自下而上依次包括第三有源區和第三頂部金屬層，且所述第三頂部金屬電極具有周期性雙狹縫結構。

進一步地，所述周期性雙狹縫結構由若干組等距間隔并成一定角度周向排布的雙狹縫組成，每組雙狹縫則由兩個長度方向指向所述諧振環的軸心的單狹縫構成。

本發明還提供一種太赫茲矢量渦旋量子級聯激光器的制備方法，包括：