近期，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）陆全勇课题组与中国科学院半导体研究所刘峰奇团队合作，在高亮度电泵浦太赫兹量子级联激光器的研发方面取得了重要突破。相关研究成果以“High brightness terahertz quantum cascade laser with near-diffraction-limited Gaussian beam”为题，于2024年8月16日在国际顶级期刊《Light: Science & Applications》上发表。

背景介绍 

太赫兹量子级联激光器（THz QCL）是一种基于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材料自身带隙限制，通过能带工程进行裁剪和设计，可以覆盖中远红外至太赫兹波段。这类激光器在光电对抗、医学诊断、精密测量、空间光通信等领域展现出广泛的应用前景。

关键技术突破 

此次合作中，研究团队创新性地引入了表面金属相位工程光子晶体（SM-PEPC）腔的设计，利用PEPC腔与有源区之间可控的厄米和非厄米耦合作用，有效抑制了高阶模式的振荡，实现了在较大尺寸器件（约1.6 mm × 1.6 mm）下单一模式、单一THz光斑输出。这一设计使得高亮度THz激光输出成为可能。

实验结果 

该新型太赫兹量子级联面射激光器在3.88 THz波段的单模输出峰值功率超过185 mW，光束发散角仅为4.4°×4.4°，在不使用任何光学透镜的情况下，垂直和横向方向的光束M²因子均达到了近衍射限的1.4。此外，亮度（正比于输出功率和光束质量）达到1.6×10⁷ W sr⁻¹m⁻²，相比目前主流的透镜矫正后的DFB-THz QCL提高了数倍。

应用前景 

这种晶格基元的相位工程设计能够在大面积器件上实现稳定和高亮度的表面发射，使其成为大面积THz QCL的理想光提取器。该研究成果为实现高亮度太赫兹激光器铺平了道路，预计在药品检测、工业工程、太空观测等领域将带来新的应用机会。

科研团队 

该论文的第一作者为量子院与中国科学院物理所联合培养博士生李儒颂、中国科学院半导体所博士生许云飞和量子院工程师张世晨，通讯作者为量子院陆全勇研究员和中国科学院半导体所王利军研究员。该研究得到了国家自然科学基金、北京市科委等项目的大力支持。

此项突破性成果不仅展示了太赫兹量子级联激光器在高亮度和高质量输出方面的巨大潜力，也为未来太赫兹科技的发展开辟了新的路径。

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