0.42~2 THz可调+室温工作，THz-QCL再拓低频极限！

近期，CRL（滨松中 央研究所）在Photonics Research学术杂志上发布了一项最 新研究成果，将THz-QCL（太赫兹量子级联激光器）的技术边界再一次拓展了。

室温工作（288 K），频率可调0.42~2 THz（波长0.15~0.75 mm），覆盖范围达1.58 THz。

这寥寥一行描述，有什么稀奇之处呢？这就要来先说说——THz-QCL（太赫兹量子级联激光器）。

太赫兹（THz），鼎鼎大名，特别是在近几年的光学界中，可以说是“网红”一般的存在，话题热度蹭蹭地涨着。它是一种介于微波和红外之间的电磁波，频率在0.1~10 THz之间，对应的波长范围是0.03~3 mm。处在红外到微波的过渡阶段，THz波兼有着微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，同时又与其他波段的电磁波具有非常强的互补性。

▲ 太赫兹在光谱上的所在区域

其频率和低光子能量（1 THz对应的能量大约4 meV），给THz波带来了许多独特的特性：可以穿透纸张、塑料和陶瓷等非极性物质；对生物体无辐射损害，可应用在生物组织活体检验；很多材料在THz波段有着很强的特征谱，其中很多生物大分子的振动和转动频率也在这个波段，可以用以检测这些材料的“分子指纹”；具有比微波更高的带宽，可为高速光通信所用。总之，太赫兹技术在材料科学、生物医学、安检、超快无线通信、天文学和环境科学等领域都具有重要应用前景。

THz波处于宏观电子学向微观光子学过渡的频段，也是最 后一个尚未完全认知和利用的频段，针对它的研究起步也比较晚。主要原因很简单，就是相关发射源和探测器实在是比较缺乏。近几年风潮又起，也是因为这些技术逐步得到了些突破，但到目前为止，都还未完全覆盖THz波的全波段，也更谈不上更多研究了。

今天不聊探测器，先来看发射源这一端。

THz源多种多样，也是各有各的本事。但其中被学术界认为最 有可能实现工程化与产业化的，就是我们今天的主角——THz-QCL（太赫兹量子级联激光器）。之所以这么说，是因为THz-QCL不仅具有较高的功率水平，而且具有能量转换效率高、体积小、轻便与易集成等优点。随着器件性能的不断提高，其在成像、通信、外差探测等领域的潜在应用优势越来越明显。

THz-QCL诞生于2002年，妥妥儿的激光界“Z”世代，还是个需待打磨的愣头小青。三个基本的性能，是它重 点“修炼”的方向：拓宽辐射频率极限、提高工作温度、增大输出功率。

滨松CRL发布的THz-QCL研究成果，也正是前两点上，有了前所未有的突破。在此前，THz-QCL频率覆盖大部分在1.2~5.2 THz，低频部分因1 THz以下波导吸收损耗很大，非线性效应不强，技术上实现难度很高。而滨松CRL研制出的模块实现了室温（288 K）工作下0.42~2 THz的覆盖，1.58 THz的宽调谐范围，借助于独特的单芯片双波长发射技术，弥补了现有1 THz以下低频段范围。0.42 THz，这也是目前世界上室温THz-QCL可工作的最 低频率。

▲ 滨松研制的最 新THz-QCL模块

THz-QCL性能的提升，一个，是从激光器有源区结构上，扩展频率、提高工作温度及输出功率等；另一方面，是从激光器谐振腔，也就是波导结构上，进一步改善激光性能。滨松这款模块，着力点也在这两处。

THz光子能量低，容易受到声子的影响，有源区需要在低温条件下保持粒子数反转、降低非辐射跃迁几率，这就使得THz-QCL通常需要在大体积的低温制冷系统中工作。提高工作温度，无疑可以“减负”，为小型化、便携化的辐射源铺路。

将差频技术（DFG）与QCL相结合，滨松THz-QCL实现了室温下（288 K）工作。QCL的差频THz技术，即利用量子级联技术产生中红外双波长激光, 并利用有源区材料中非线性效应产生差频辐射。

为了具有较宽的调谐范围, 谐振腔内通过DFB光栅产生一个固定的中红外泵浦频率ωDFB，另一个中红外泵浦频率ωEC通过外腔衍射光栅调谐，最 终输出的THz频率ωTHz=ωDFB-ωEC，通过电控改变衍射光栅的旋转角度，进而实现0.42~2 THz范围内可产生任意频率的窄带太赫兹波。

该非线性THz-QCL基于滨松AnticrossDAU™（Anti-crossed dual-upper-state design）有源区设计（70层，总厚度5.6 μm），这种设计的激活区为同质结构, 具有更大的非线性极化率，转换效率高达2 mW/W2。所有有源区结构的生长都是基于金属有机物气相外延生长技术（MOVPE），将晶圆加工成切伦科夫（Cherenkov）波导结构，与透镜耦合，InP衬底紧密贴附在高电阻率硅透镜上，大幅提高太赫兹耦合效率。

在不久的将来，通过优化增益介质和DFB发射位置，可以在更高频率处提供更宽的调谐范围。

此外可以采用不同的透镜配置来实现更高效的耦合，包括超表面技术。通过改善这些方面，这项技术有望为太赫兹技术开辟新的应用领域，比如药品、食品和半导体材料的质量评估，另外一些可能的应用含括识别塑料等聚合物材料、外层空间观测的亚毫米天文学以及短距离超高速大容量无线通信。

滨松CRL研发的THz-QCL模块目前还处于科研产品阶段，离真正的商业化还需要一定的时间。但最 新的研究成果无疑让我们看到了未来THz-QCL技术发展及应用的更多可能性。滨松也将继续努力，最 大限度地利用我们的微机电系统（MEMS）技术，设计和开发性能更好、尺寸更紧凑（指尖大小）的QCL激光器产品。