專利名稱：用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備的制作方法
用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備
政府資助研究 與這里公開(kāi)的主題有關(guān)的一些研究受到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助，資助號(hào)為 NSF-ECS-0547019和NSF-0ISE-0530220，以及受到美國(guó)空軍科學(xué)研究局的資助，資助號(hào)為 FA9550-05-l-0435。美國(guó)政府擁有一些公開(kāi)的主題的特定權(quán)利。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)譜范圍(f " l-10THz ; A " 30-300微米；一般介于遠(yuǎn)紅外和微波波 段之間)長(zhǎng)期以來(lái)缺乏高效的、窄波段和可調(diào)諧的半導(dǎo)體源，特別是緊湊的電泵浦的室溫 半導(dǎo)體源。 一段時(shí)間以來(lái)，P摻雜的鍺激光器是唯一可用的THz區(qū)域的半導(dǎo)體源。然而，這 種源僅能工作在溫度低于液氮的溫度下(也就是說(shuō)需要低溫冷卻)。 近來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出針對(duì)THz譜范圍的基于半導(dǎo)體的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)，其在脈 沖模式下的最大工作溫度被報(bào)道為178開(kāi)氏度(發(fā)射頻率為 3THz)。但是，對(duì)這些激光 器來(lái)說(shuō)，一些嚴(yán)重的局限是固有的。首先，它們的可調(diào)諧性由于增益譜(gain spectrum)狹 窄而受到固有限制。第二，它們的工作溫度可能會(huì)保持限制在低溫溫度，這是由于通過(guò)低能 量THz躍遷的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的基本要求所致；特別是，由于THz輻射的窄能帶躍遷特性，隨著 工作溫度的升高，有更多的機(jī)會(huì)產(chǎn)生高能態(tài)的非輻射損耗，電子弛豫的附加隧道成為可能， 從而妨礙粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?；诠鈱?dǎo)開(kāi)關(guān)或者混頻器技術(shù)，可替代的源可以在室溫下工作，但是 效率低，體積大且具有較寬的發(fā)射波段。 在其它涉及QCL的研究工作中，QCL被實(shí)現(xiàn)為在中紅外譜帶(例如 5到10微米)
以多個(gè)不同的波長(zhǎng)同時(shí)發(fā)射激光。在一個(gè)這種例子中，單個(gè)量子級(jí)聯(lián)有源區(qū)同時(shí)最多產(chǎn)生 三個(gè)不同的波長(zhǎng)；在另一個(gè)例子中，被設(shè)計(jì)為以不同的波長(zhǎng)產(chǎn)生中紅外線的兩個(gè)有源區(qū)被
整合到單個(gè)QCL波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，從該結(jié)構(gòu)中以幾百毫瓦的功率水平實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)產(chǎn)生。
差頻產(chǎn)生(DFG， Difference-frequency generation)是非線性光學(xué)過(guò)程，其中，頻 率為c^和"2的兩束(通常被稱為"泵浦"束)在具有二階非線性極化率x(2)的介質(zhì)中 相互作用，以產(chǎn)生頻率為"="「"2的輻射。頻率為"="「^的波的強(qiáng)度由表達(dá)式<formula>formula see original document page 5</formula>這里，
<formula>formula see original document page 5</formula>是相干長(zhǎng)度，W("》，n("i)和《分別為功率、折射率以及頻 率為"i的束的波向量。a代表在不同頻率"的損失，Srff是相互作用的有效面積，并且 假設(shè)介質(zhì)是對(duì)兩個(gè)泵浦都是透明的，且在DFG過(guò)程中的泵浦功率的損耗可以被忽略。根據(jù) 方程(l)，對(duì)于有效的DFG，需要使用具有大x(2)的材料，輸入高強(qiáng)度的束，并達(dá)到較低的損 失以及相位匹配，<formula>formula see original document page 5</formula>
可以采用DFG來(lái)通過(guò)采用存在好的激光源的紅外(IR)或可見(jiàn)譜范圍中的泵浦頻 率"jP c^來(lái)產(chǎn)生THz輻射。多種研究努力已經(jīng)報(bào)道了通過(guò)使用兩個(gè)連續(xù)波(CW)或脈沖 激光器外部地泵浦非線性光學(xué)晶體，諸如LiNb03或GaAs，在室溫下實(shí)現(xiàn)窄帶THz的產(chǎn)生。一 個(gè)這種努力報(bào)道了基于由來(lái)自兩個(gè)激光二極管的輸出泵浦的LiNb03中的DFG的CW THz產(chǎn)生，所述兩個(gè)激光二極管以大約1. 5微米的波長(zhǎng)工作，每個(gè)激光二極管的功率水平約在1W， 其中，可以在190到200微米(1. 5-1. 6THz)之間調(diào)諧該THz輸出。所檢測(cè)的THz信號(hào)的輸 出功率在次納瓦(sub-nanowatt)水平。這些經(jīng)由DFG產(chǎn)生THz輻射的努力一般依賴于與 非線性介質(zhì)關(guān)聯(lián)的低損失以及相位匹配以提高轉(zhuǎn)換效率。特別是，它們使用來(lái)自高強(qiáng)度脈 沖固態(tài)激光器(通常約lGW/cn^，通常被非線性晶體的損傷閾值限制)的聚焦光束，并通過(guò) 透明非線性晶體中真正的相位匹配或準(zhǔn)相位匹配得到數(shù)十毫米的大相干長(zhǎng)度。這種方法提 供了寬的譜可調(diào)諧性，并且的確可以在室溫下工作。但是，這需要強(qiáng)大的激光泵浦以及一般 而言復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備，最后得到龐大且笨拙的THz源。 根據(jù)方程(1)， DFG中產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度正比于二階非線性極化率的平方，因此 如果使用具備更高的二階非線性極化率的非線性材料，基于DFG的輸出功率就可以大幅提 高。就這點(diǎn)而言，自從1980年代后期以來(lái)的研究已經(jīng)確立可通過(guò)調(diào)整與量子阱結(jié)構(gòu)相應(yīng)的 能級(jí)從而與被稱為子帶間躍遷的在同一波段內(nèi)的光學(xué)躍遷相對(duì)應(yīng)，來(lái)設(shè)計(jì)在中紅外和遠(yuǎn)紅 外區(qū)域具有顯著光學(xué)非線性的非對(duì)稱單個(gè)或耦合量子阱結(jié)構(gòu)。特別地，一個(gè)研究測(cè)量了在 耦合量子阱結(jié)構(gòu)中在60微米(5THz)時(shí)DFG的二階非線性極化率x (2)為106pm/V( S卩，比諸 如LiNb03、 GaP、 GaAs的傳統(tǒng)的非線性晶體的二階非線性極化率大4個(gè)數(shù)量級(jí))。
前述過(guò)程的機(jī)理如圖1所示。其中來(lái)自C02激光器的波長(zhǎng)約10微米(分別相應(yīng) 于箭頭102和104所代表的能量躍遷)的兩個(gè)中紅外光束產(chǎn)生波長(zhǎng)約62微米(對(duì)應(yīng)于箭 頭106所代表的能量躍遷)的差頻信號(hào)。理論上，這種x②會(huì)使得即使在相對(duì)低的泵浦強(qiáng) 度和短的相干長(zhǎng)度的情況下都能夠有效率地產(chǎn)生THz。然而，所有相互作用的場(chǎng)都與子帶間 躍遷諧振，因此在這些結(jié)構(gòu)中得到高的光學(xué)非線性。這導(dǎo)致了泵浦光束以及THz DFG光束 的強(qiáng)烈吸收，因此不可避免地限制了 THz DFG的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)主要公開(kāi)了基于差頻產(chǎn)生(DFG)產(chǎn)生太赫茲(THz)輻射的量子級(jí)聯(lián)激光器 (QCL)的具有進(jìn)步性的設(shè)備和方法。 通過(guò)本發(fā)明所公開(kāi)的概念，申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到并著重提出了通過(guò)圖1所示的過(guò)程 示例的高二階光學(xué)非線性提供一種潛在的具有吸引力的實(shí)現(xiàn)DFG過(guò)程的可選方法。然而， 為了實(shí)際部署該過(guò)程，顯著吸收的問(wèn)題需要實(shí)質(zhì)性地減輕或克服。不過(guò)，申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到 并提出解決該吸收問(wèn)題的方法。具體地，如果在為高二階非線性設(shè)計(jì)的量子阱結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得大多數(shù)載流子被發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在較高的能級(jí)3上(圖1所示的最高能級(jí))，而 能級(jí)1和2被顯著地消耗，顯著吸收得到有效減輕。換一種說(shuō)法，吸收問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)一 有源非線性半導(dǎo)體設(shè)備來(lái)解決，其中，來(lái)自于耦合量子阱的能態(tài)同時(shí)提供激光增益以及顯 著的二階非線性極化率x(2)。 在現(xiàn)有的一些研究工作中，在QCL結(jié)構(gòu)中，帶有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的諧振二階非線性極 化率的整合演示了二階諧波產(chǎn)生(second-harmonicgeneration)。然而，該方法先前并未 被DFG所采納，因?yàn)閷?duì)高x (2)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)整合的好處與激光器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是相伴的，而 后者對(duì)于THzDFG而言是尤其嚴(yán)重的。然而，申請(qǐng)人也已經(jīng)克服了這樣的設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，以 有效地在QCL結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)DFG。 因此，本申請(qǐng)公開(kāi)了基于QCL中的差頻產(chǎn)生(DFG)提供太赫茲(THz)輻射的本發(fā)明的設(shè)備和方法的各種具體實(shí)施例。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，高二階非線性極化率和粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)被整合在支持產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)的中紅外頻率的QCL中。在這些實(shí)施例中產(chǎn)生THz輻射的 基本物理原理是在耦合量子阱非線性區(qū)域中的諧振DFG，類似于圖l所示的過(guò)程。然而，與 基于這樣的結(jié)構(gòu)的先前的研究相比，根據(jù)本發(fā)明的具有進(jìn)步性的實(shí)施例，整合的非線性有 源區(qū)在能態(tài)3中具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。中紅外輻射在該過(guò)程中作為內(nèi)腔式光泵浦，但是因?yàn)樵?能態(tài)3中發(fā)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該泵浦的諧振吸收被抑制，因此，在這一原則下，QCL腔的總長(zhǎng) 度可以為相干非線性光學(xué)產(chǎn)生作出貢獻(xiàn)。由此得到一種緊湊的THz輻射半導(dǎo)體源，其包括 泵浦激光器和DFG非線性區(qū)。在其他方面，相比于此前的THz QCL的設(shè)計(jì)(非基于DFG)，根 據(jù)本發(fā)明所公開(kāi)的具有進(jìn)步性的概念，使得更高的工作溫度和更寬的可調(diào)諧THz輻射成為 可能。 總之，本申請(qǐng)公開(kāi)的一種具體實(shí)施例為本發(fā)明的設(shè)備，其包括具有整合在QCL的 有源區(qū)中的顯著的二階非線性極化率(x (2))的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)，其中QCL被配置為 產(chǎn)生第一頻率為"J勺第一輻射，第二頻率為"2的第二輻射，以及基于來(lái)自于該非線性極 化率的差頻產(chǎn)生(DFG)的第三頻率為"3 = "「"2的第三輻射。 另一具體實(shí)施例為本發(fā)明的方法，其包括在量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的有源區(qū)中 整合顯著的二階非線性極化率(x(2))，由此產(chǎn)生第一頻率為A的第一輻射，第二頻率為 "2的第二輻射，以及基于來(lái)自于該非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)的第三頻率為"3 = "「"2的第三輻射。 應(yīng)當(dāng)指出，所有前述概念以及在下面更詳細(xì)討論的其他概念(假定這些概念不是 互斥的)的組合被仔細(xì)地考量作為本發(fā)明在此公開(kāi)的主題的一部分。特別地，在本申請(qǐng)最 后部分出現(xiàn)的權(quán)利要求的主題的所有組合被仔細(xì)地考量作為本發(fā)明在此公開(kāi)的主題的一 部分。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)指出，在任何參考文獻(xiàn)引入的公開(kāi)中出現(xiàn)的本發(fā)明所明確的術(shù)語(yǔ)都應(yīng)當(dāng) 采用與本發(fā)明公開(kāi)的具體概念最為一致的意思。


圖1是概念性示出在具有顯著光學(xué)非線性的非對(duì)稱單個(gè)或耦合量子阱結(jié)構(gòu)中的 差頻產(chǎn)生(DFG)的概念的能級(jí)圖。 圖2是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的能級(jí)圖，其概念性地示出在涉及形成QCL 的有源區(qū)的兩個(gè)整合的量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)中的差頻產(chǎn)生(DFG)。
圖3根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例示出配置為基于有源區(qū)中的DFG產(chǎn)生THz輻射 的示例性QCL的一般布局和尺度。 圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例示出圖3所示 的QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、折射率分布和波導(dǎo)模式的附加細(xì)節(jié)。 圖5(a)和圖5(b)根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例分別示出圖3和圖4(a)所示的 QCL的有源區(qū)的第二QC結(jié)構(gòu)(a)和第一QC結(jié)構(gòu)(b)的一個(gè)周期的計(jì)算得到的導(dǎo)帶圖。
圖5(c)是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的能級(jí)圖，示出基于在圖5(a)和圖5(b) 所示的導(dǎo)帶圖的THz諧振DFG過(guò)程。 圖6是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的曲線圖，示出來(lái)自與圖3和圖4 (a)中的 QCL相似的示例性QCL的典型中紅外發(fā)射譜，以及這種QCL的典型電流-電壓(I_V)和光輸出與電流之間關(guān)系(L-I)的特征。 圖7a是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的曲線圖，示出從與圖3和圖4(a)中所示 的脊形QCL相似的示例性脊形QCL收集的不同溫度下的THz譜。 圖7b是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的曲線圖，示出對(duì)于與圖3和圖4(a)中所 示的脊形波導(dǎo)QCL相似的示例性脊形波導(dǎo)QCL，峰值THzDFG功率以及總的中紅外發(fā)射功率 與注入電流的依賴關(guān)系，以及THzDFG功率與兩個(gè)中紅外泵浦功率乘積的關(guān)系。
圖8(a)和圖8(b)根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的QCL，分別示出中紅外激光模 式和THz模式的強(qiáng)度分布以及波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。 圖9和圖10針對(duì)根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)發(fā)明實(shí)施例的基于DFG的QCL分別示出能 級(jí)圖和導(dǎo)帶圖，該QCL包括與高非線性極化率整合的單個(gè)量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生泵浦和DFG
頻率二者。 圖11根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)發(fā)明實(shí)施例示出QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面。 圖12示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)發(fā)明實(shí)施例示出圖11的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂視圖。 圖13示出對(duì)于圖11中所示QCL的束縛到連續(xù)QC結(jié)構(gòu)的一個(gè)周期的計(jì)算的導(dǎo)帶圖。 圖14示出對(duì)于圖11中所示的QCL的中紅外和THz的計(jì)算的波導(dǎo)模式，以及波導(dǎo) 折射率分布圖。 圖15(a)、圖15(b)、圖15(c)和圖15(d)示出根據(jù)圖11所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的示 例性QCL的各種操作特性。
具體實(shí)施例方式
下面的內(nèi)容為根據(jù)本公開(kāi)的用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備的各種相關(guān)概念 和實(shí)施例的更為詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)了解上面所引入的并在下面更為詳細(xì)討論的各種概念可 以以任何多種方式實(shí)現(xiàn)，所公開(kāi)的概念并不局限于任何特定的實(shí)現(xiàn)方式。具體實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用 的例子僅提供為說(shuō)明之用。 根據(jù)本公開(kāi)的方法和設(shè)備的各種實(shí)施例中，在基于兩個(gè)中紅外(IR)"泵浦"源的量 子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)中實(shí)現(xiàn)差頻產(chǎn)生(DFG)以提供太赫茲(THz)輻射的示例性標(biāo)準(zhǔn)包括 1)將顯著二階非線性極化x (2)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)整合進(jìn)QCL的有源區(qū)中；2)設(shè)計(jì)對(duì)于中紅外 泵浦源以及來(lái)自于DFG的THz輻射均具有合適的低損失的波導(dǎo)；以及3)提供DFG的相位匹 配。這些標(biāo)準(zhǔn)中的每一個(gè)會(huì)在下面依序討論。 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，QCL中的DFG通過(guò)采用兩個(gè)整合在一起的量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)以形成 QCL的有源區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，一個(gè)QC結(jié)構(gòu)被配置為支持兩個(gè)中紅外泵浦源之一的諧振，另一 個(gè)QC結(jié)構(gòu)被配置為支持兩個(gè)中紅外泵浦源的另外一個(gè)的諧振，該QC結(jié)構(gòu)的一個(gè)或兩個(gè)被 配置為具有顯著的二階非線性極化率以支持基于DFG的THz輻射。圖2經(jīng)由針對(duì)各QC結(jié) 構(gòu)的能量圖概念性地示出這種實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子。在圖2所示的過(guò)程中，第一QC結(jié)構(gòu)被配置 為支持以泵浦頻率叱發(fā)出激光(對(duì)應(yīng)于能量躍遷510)，而第二QC結(jié)構(gòu)被配置為支持以泵 浦頻率"2發(fā)出激光(對(duì)應(yīng)于能量躍遷512)。在該實(shí)施例的一方面中，第二QC結(jié)構(gòu)也配置 為具有高非線性極化率x (2);因此，其同時(shí)用作支持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和DFG的區(qū)域(對(duì)應(yīng)于能量 躍遷514)。圖2中的點(diǎn)狀箭頭示意性地示出經(jīng)過(guò)該設(shè)備的電流(載流子路徑)。
在一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)圖2中的能量圖概念性地示出的QC結(jié)構(gòu)可以通過(guò)采用"三量 子阱"或"二聲子諧振"結(jié)構(gòu)作為用于泵浦頻率的第一QC結(jié)構(gòu)，并采用"束縛到連續(xù)"結(jié) 構(gòu)作為用于帶有整合的非線性的泵浦頻率"2的第二QC結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。個(gè)別地，已知各設(shè)計(jì) 都在室溫下工作。但是二聲子或三量子阱QC設(shè)計(jì)不具有DFG的高非線性極化率，申請(qǐng)人已 經(jīng)認(rèn)識(shí)到且了解了束縛到連續(xù)QC設(shè)計(jì)可以支持DFG的高二階非線性極化率，以及束縛到連 續(xù)設(shè)計(jì)可以針對(duì)多個(gè)不同的情況進(jìn)行優(yōu)化(例如，不同泵浦頻率以及由此產(chǎn)生的DFG)。
考慮到上述情況，配置為基于DFG產(chǎn)生THz輻射的QCL的一個(gè)實(shí)施例包括具有兩 個(gè)QC結(jié)構(gòu)或"子堆棧"的有源區(qū)。在該實(shí)施例的不同方面中，第一 QC結(jié)構(gòu)包括多級(jí)的"二 聲子諧振"結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持對(duì)應(yīng)于第一泵浦頻率的第一激光發(fā)射波長(zhǎng)；以及第二QC結(jié) 構(gòu)包括多階段"束縛到連續(xù)"結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持對(duì)應(yīng)于第二泵浦頻率"2的第二激光發(fā)射波 長(zhǎng)并同時(shí)具有對(duì)THz DFG的可感知的二階非線性極化率x(2)。在一個(gè)基于該實(shí)施例的示例 性實(shí)現(xiàn)中，第一 QC結(jié)構(gòu)可以包括20級(jí)的二聲子諧振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)于第一泵浦頻率支 持大約7. 6微米的激光發(fā)射波長(zhǎng)(且對(duì)于DFG具有相對(duì)小的x (2));且第二 QC結(jié)構(gòu)可以包 括30級(jí)的束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持與第二泵浦頻率o2相對(duì)應(yīng)的大約8. 7微米的激光 發(fā)射波長(zhǎng)。此外，該第二QC結(jié)構(gòu)被配置為對(duì)于THz DFG來(lái)說(shuō)具有顯著大的x(a(例如，在 大約60微米)。 根據(jù)本公開(kāi)基于上面結(jié)合圖2討論的設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)實(shí)施例(QCL的有源區(qū)中的 兩個(gè)QC結(jié)構(gòu))，圖3示出被配置為基于有源區(qū)103中的DFG產(chǎn)生THZ輻射的示例性QCL 100 的一般布局和尺度，且圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)示出QCL構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和操作特征 的附加細(xì)節(jié)，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、折射率分布圖以及中紅外以及太赫茲波長(zhǎng)的波導(dǎo)模式。在一個(gè) 實(shí)現(xiàn)中，這種QCL可以基于InGaAs/AlInAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)分子束外延(MBE)生長(zhǎng)，并晶格 匹配到InP基底。 更具體地，參考圖4(a)，在一個(gè)實(shí)施例中，MBE生長(zhǎng)在InP基底122上開(kāi)始，n摻雜 為n = 1. 3-1. 8X1017cm—3，具有1. 6微米厚的GalnAs層116， n摻雜為n = 5X1016cm—3(第 一低摻雜緩沖層)作為下部波導(dǎo)核心。在該下部波導(dǎo)核心116的頂部，生長(zhǎng)20級(jí)"二聲子 諧振"結(jié)構(gòu)112和30級(jí)"束縛到連續(xù)"結(jié)構(gòu)114，作為該QCL的有源區(qū)103，其中，兩個(gè)QC結(jié) 構(gòu)112和114被200nm厚的GalnAs間隔物(未在圖4(a)中示出)隔開(kāi)，其n摻雜為n二 5X 1016cm—3。在該實(shí)施例中，兩個(gè)QC結(jié)構(gòu)使用的材料為Al。.48In。.52As和In。.53Ga。.47As，且該 兩個(gè)結(jié)構(gòu)的層的順序，以納米為單位(從注入阻擋層開(kāi)始，參見(jiàn)圖5(a)和圖5(b))分別為 40，20，7，60，9，59，10,52，12,38，12,32，12,32，16,31，19，31，22，30，22，29以及40，18，9， 54， 11,53， 11，48，22，34， 14,33， 13,32， 15,31， 19， 30， 23， 29， 25， 29。阻擋層以斜體字表示， 下劃線的層被摻雜到n = 4X 1017cm—3。 生長(zhǎng)以1. 5微米厚的GalnAs層118結(jié)束，n摻雜為n = 5X 1016cm—3 (第二低摻雜 緩沖層)，作為上部波導(dǎo)核心。然后，晶片被送到MOCVD腔，并且10微米厚、n摻雜為n = 1017cm—3的InP層120生長(zhǎng)在上面，以為中紅外和THz模式二者提供頂部波導(dǎo)覆層。如圖3 所示，材料可能被處理成深度蝕刻的脊形波導(dǎo)，大約2mm長(zhǎng)、15-25微米寬，且在該脊的側(cè)壁 上具有400nm厚的Si3N4絕緣層110以及Ti/Au (20nm/400nm)頂接觸108。非合金Ge/Au接 觸124沉積在基底122的背面。包括Al203/Au(200nm/50nm)層(未在圖4(a)中示出)的 高反射涂層被沉淀在該設(shè)備的后表面上。而且，光柵105選擇性地布置在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面并被配置為沿著波導(dǎo)管的長(zhǎng)度提取DFG輻射。 針對(duì)A = 7. 6微米(b) 、8. 7微米(c)和60微米(d)的模式，圖4 (b)、圖4 (c)和 圖4(d)示出在TM。。波導(dǎo)模式下的磁場(chǎng)強(qiáng)度。Hx的值被規(guī)格化，使得/ (Hx)2dz[以ym為單 位]=1 。還示出了折射指數(shù)分布圖，其中，具有大非線性極化率的區(qū)域畫(huà)了陰影?？梢允褂?針對(duì)二元化合物的數(shù)據(jù)和具有說(shuō)明自由載流子貢獻(xiàn)的弛豫時(shí)間常數(shù)t = 10—"秒的Drude 模型之間的線性插值得到Al。.48In。.52As和In。.53Ga。.47AS化合物的折射率。已知該方法在中 紅外區(qū)使用良好；然而，應(yīng)注意，因?yàn)榇嬖赗eststrahlenband(剩余射線帶)近似以及光學(xué) 聲子能量對(duì)材料成分的強(qiáng)依賴性，其對(duì)于60 m的波長(zhǎng)不是非常準(zhǔn)確。對(duì)于20 m寬的脊 形波導(dǎo)中的TM。。模式，分別針對(duì)7. 6iim、8. 7iim和60iim的波長(zhǎng)獲得3. 266+iXO. 00057、 3. 248+iX 0.00080以及2. 981+i X 0. 161的有效折射率^ 。根據(jù)該數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于大約為 22iim的相干長(zhǎng)度lc。h二 l/|k-(krk2) 1，相位失配k-(k「k2)被估計(jì)為大約(420+170i)cm—、
圖5(a)示出具有整合的二階光學(xué)非線性的"束縛到連續(xù)"第二 QC結(jié)構(gòu)114的30 級(jí)堆疊的一個(gè)周期520的計(jì)算出的導(dǎo)帶圖，其示出為圖3和圖4(a)所示的QCL 100的有源 區(qū)103的形成部分。相似的，圖5(b)示出構(gòu)成QCL 100的有源區(qū)103的部分的"二聲子諧 振"QC結(jié)構(gòu)112的20級(jí)堆疊的一個(gè)周期522的計(jì)算出的導(dǎo)帶圖。在這些圖中，波浪形曲線 代表相關(guān)量子狀態(tài)波函數(shù)的模的平方。對(duì)于DFG重要的"束縛到連續(xù)"部分的電子狀態(tài)在 圖5(a)中以粗體示出并標(biāo)記為1-5。兩個(gè)結(jié)構(gòu)的注入阻擋層525(即，電子需要隧穿以到達(dá) 該結(jié)構(gòu)的阻擋層)被表示為圖中最左側(cè)的阻擋層。 基于圖5(a)和圖5(b)所示的導(dǎo)帶圖，圖5(c)的能級(jí)圖中示出了圖3和圖4(a) 中所示的QCL 100的有源區(qū)103中的THz諧振DFG過(guò)程的圖表，來(lái)自于圖5(a)的相關(guān)能級(jí) 在圖5(c)中以粗體表示且也被標(biāo)記。特別地，圖5(c)示出QCL IOO被配置為基于來(lái)自于 非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來(lái)產(chǎn)生第一頻率的第一輻射(524)、第二頻率"2的第 二輻射(526)、以及第三頻率為"="「"2的第三輻射(528)。在該DFG過(guò)程中，二階非 線性極化率的表達(dá)式由下式給出
<formula>formula see original document page 10</formula>
(2)
其中，^為上激光能級(jí)1中的電子密度，n和n'為狀態(tài)的密度簇中(圖3a)的能級(jí)，eZij、 "ij以及r u為狀態(tài)i和j之間的躍遷的雙極矩陣元素、頻率和展寬。此處假設(shè)電子數(shù)量大 多數(shù)在上激光能級(jí)1上，下激光能級(jí)上的電子數(shù)量忽略。在該具體的示例性實(shí)現(xiàn)中，對(duì)x (2) 最大的貢獻(xiàn)來(lái)自于圖5(a)和圖5(c)的狀態(tài)1、3和4。將計(jì)算得到的雙極矩陣元素和能量 間隔插入方程(2)中，并假設(shè)展寬rij" 10meV，電子數(shù)量大多數(shù)在上激光態(tài)上，則對(duì)于在 7. 6禾P 8. 7微米波長(zhǎng)的兩激光泵浦之間的DFG過(guò)程，二階非線性極化率x (2) " 4X 105pm/ V。實(shí)際上，對(duì)給定的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)x(2)的實(shí)際值可能較小，這是因?yàn)榧す鈶B(tài)中的電子數(shù)量分布 更為均勻。此外，子帶間躍遷能量和線寬的值不確定也可能導(dǎo)致x(2)的實(shí)際值更小。如在 下面與圖11和段
相結(jié)合討論的，用于更準(zhǔn)確估x (2)的更精煉的形式可以考慮激光 "增益=損失"的條件。 對(duì)根據(jù)上面結(jié)合圖3和圖4 (a)討論過(guò)程構(gòu)造的示例性QCL進(jìn)行了各種測(cè)量。利 用傅里葉變換紅外波譜儀進(jìn)行中紅外和THz發(fā)射的波譜測(cè)量。分別使用汞鎘碲檢測(cè)器和氦 冷卻的硅輻射熱計(jì)對(duì)中紅外和THz進(jìn)行波譜測(cè)量。分別利用校準(zhǔn)的熱電堆檢測(cè)器和校準(zhǔn)的輻射熱計(jì)對(duì)中紅外和THz發(fā)射進(jìn)行功率測(cè)量。功率收集效率對(duì)中紅外來(lái)說(shuō)估計(jì)約為70%，而對(duì)THz測(cè)量來(lái)說(shuō)估計(jì)低于10X。下面進(jìn)一步討論的各個(gè)圖中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)沒(méi)有根據(jù)收集效率進(jìn)行校正。為了區(qū)分中紅外泵浦和THz DFG，使用了光學(xué)濾波器。 在圖6的插圖中示出了來(lái)自如上面結(jié)合圖3和圖4(a)所述構(gòu)造的示例性脊形波導(dǎo)設(shè)備的典型的中紅外發(fā)射譜。泵浦發(fā)射波長(zhǎng)約為A "7.6ym和A "8.7ym。該設(shè)備在雙波長(zhǎng)模式下在高至大約250開(kāi)氏度的溫度下工作，并在室溫下提供單個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射(入"7. 6iim)。圖6也示出溫度為10開(kāi)氏度，脈沖模式(200kHz的60ns脈沖)下，利用2011111寬、2111111長(zhǎng)具有背面高反射涂層的脊形器件的設(shè)備的電流-電壓(I-V)特征和光輸出與電流關(guān)系(L-I)的特征。7.6iim和8.7iim泵浦激光的峰值功率分別以下部的兩條曲線繪制。沒(méi)有針對(duì)估計(jì)的70%的功率收集效率對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。 在圖7a中示出了在不同溫度收集的來(lái)自代表性脊形波導(dǎo)QCL的THz波譜。從20iim寬、2mm長(zhǎng)、帶有背面高反射涂層的脊形器件獲得這些波譜。此外，以脈沖模式操作該器件，其中，500kHz、60納秒的脈沖，峰值電流為3. 6安培。THz信號(hào)的波譜位置與中紅外泵浦的頻率的差相一致。10開(kāi)氏度和80開(kāi)氏度時(shí)的最大DFG輸出功率相當(dāng)，且150開(kāi)氏度時(shí)的最大DFG輸出功率大約小了 5倍，150K是在該具體示例性設(shè)備中觀察到DFG的最高溫度。DFG信號(hào)隨溫度降低可以歸因于中紅外泵浦強(qiáng)度隨溫度的減小。特別地，10開(kāi)氏度和80開(kāi)氏度時(shí)兩個(gè)中紅外泵浦的峰值功率的乘積是相似的，而150開(kāi)氏度時(shí)峰值功率的乘積大約小了4倍。 圖7b中示出了在10開(kāi)氏度時(shí)典型設(shè)備的峰值THz DFG功率和總中紅外發(fā)射功率與注入電流的依賴關(guān)系。圖7b的插圖中繪制了THz DFG功率與兩個(gè)中紅外泵浦功率的乘積的關(guān)系。方程l所預(yù)期的線性依賴關(guān)系可清晰地觀察到，其斜度效率為llnW/W2。該數(shù)據(jù)沒(méi)有分別針對(duì)中紅外和THz測(cè)量估計(jì)為70%和10%的功率收集效率進(jìn)行校正。
為了估計(jì)QCL中的THz DFG轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該考慮穿過(guò)QCL波導(dǎo)的x (2)的變化以及波導(dǎo)中非均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布。在下面的分析中，假設(shè)泵浦波的功率遠(yuǎn)大于DFG發(fā)射的功率，并利用通用的教科書(shū)的方法來(lái)推導(dǎo)出在耦合TM極化波導(dǎo)模式的情況下的DFG轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式。
由頻率為和"2的兩個(gè)中紅外泵浦以頻率"="「"2引出的非線性
極化P(2)用作頻率為"的波的輻射源。對(duì)于耦合量子阱系統(tǒng)，P(2)被垂直于波導(dǎo)層極
化，因此，僅對(duì)TM極化波導(dǎo)模式有貢獻(xiàn)。在波導(dǎo)中頻率為"的模式下的磁場(chǎng)幅度可以寫(xiě)作H(x， y， z， t) = H。(x， z) Xh(y) Xe""*—ky)， (Sl)其
中，圖4(a)中所示坐標(biāo)系H。(x， z)Xe""t—W是無(wú)源波導(dǎo)(即沒(méi)有P(2))中的模式，且h(y)是在其在波導(dǎo)中隨P(2)傳播時(shí)引起模式強(qiáng)度的增加的緩慢變化的幅度。將H(x， y，z， t)的表達(dá)式插入波方程并忽略h(y)的二階導(dǎo)數(shù)(使用緩變幅度近似)，我們得到<formula>formula see original document page 11</formula>(S2)這
里，我們利用了 H。 (x，z) Xe""—W是無(wú)源波導(dǎo)的波方程的解這一事實(shí)。利用不同階的波導(dǎo)模式的正交性，對(duì)于h(y)我們得到<formula>formula see original document page 12</formula>
由中紅外泵浦模式的電場(chǎng)引起的非線性極化<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，Pw,(X,Z)是在頻率為A的模式白 量。利用TM極化模式中電場(chǎng)和磁場(chǎng)之 ,、w叫(x,z)
(S3)
(S4)
(S5)其中， 和b是
在頻率為的模式的有效折射率和波向量。將方程(S4)和(S5)插入方程(S3)中，并對(duì) y進(jìn)行積分，我們得到
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，我們利用了 " = "「^的事實(shí)并假設(shè)(k「k2)/k" 1。為了計(jì)算DFG發(fā)射的功率， 我們對(duì)頻率為"的模式的時(shí)間平均Poynting向量進(jìn)行積分，
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，《.. > 是時(shí)間平均，且真實(shí)的場(chǎng)強(qiáng)表示為五(x，z力=五:(x，"e—'" + c.c.。將來(lái)自于方程
(S6)中關(guān)于h(y)的表達(dá)式插入方程(S7)并用泵浦波的兩個(gè)強(qiáng)度對(duì)表達(dá)式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，我 們得到經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)化后的DFG波的功率的表達(dá)式
<formula>formula see original document page 12</formula>這里，Wi是頻率為"i的模式的功率，以及l(fā)。。h = l/|k-(krk2) Z) " 0Wf)2，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化該表達(dá)式，然后我們得到
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，x (2)是QCL波導(dǎo)中非線性極化率的峰值，反應(yīng)的有效面積Seff由下式給出 J"(//^ (x, z))2j"(^^ (工，z))Vxcfe J"(^2 (x， z))^dz
<formula>formula see original document page 12</formula>注意，對(duì)于平面波，光束強(qiáng)度為I = W/S， x②為常量。我們重新得到平面波近似下的DFG 強(qiáng)度的表達(dá)式。 為了估計(jì)QCL波導(dǎo)中的THz DFG轉(zhuǎn)換效率，我們利用圖4(b)、圖4(c)和圖4(d) 中所示的模式分布圖對(duì)方程(S10)中的積分進(jìn)行估算，并參考圖4(a)忽略場(chǎng)強(qiáng)在x方向上 的依賴性。假設(shè)中紅外泵浦是TM。。模式并驗(yàn)證DFG對(duì)TM。。模式最有效率，對(duì)20 y m寬的脊形設(shè)備，我們得到Seff " 1800 ii m2。當(dāng)lcoh = 22線這導(dǎo)致內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率n int = W/ (W,2) 為 700yW/^，此處，功率Wi是在QCL波導(dǎo)內(nèi)側(cè)測(cè)得的。為了估算外部轉(zhuǎn)換效率，next = W/ (W具)，其中，功率Wi是在QCL波導(dǎo)外部測(cè)得的，我們可以利用Fresnel公式以及計(jì)算的 nrff來(lái)估算激光器前面的透射率。我們得到對(duì)于所有的三個(gè)波長(zhǎng)的功率透射系數(shù) 0. 7，并 得到next lmW/W2。注意，對(duì)于A = 60 iim以及 15X20 iim2的脊形波導(dǎo)橫截面，實(shí)際的 前面透射系數(shù)可能比由Fresnel公式給出小很多，這也會(huì)導(dǎo)致較小的nrat值。
總之，在上面結(jié)合圖4(a)的實(shí)施例討論的例子中，沒(méi)有企圖實(shí)現(xiàn)相位匹配，也沒(méi) 有最大化相干長(zhǎng)度。TM。。泵浦和THz DFG模式之間的相位失配k-(k「k》估計(jì)約為420cm—、 且THz DFG的損失a估計(jì)為 340cm—、參見(jiàn)方程(1)，其轉(zhuǎn)換成 22 y m的相干長(zhǎng)度。利 用le。h = 22 i！ m， x (2) " 4X 105pm/V的理論估計(jì)，并假設(shè)中紅外僅在TM。。模式下激發(fā)，預(yù)測(cè) DFG轉(zhuǎn)換效率在波導(dǎo)架構(gòu)下為lmW/W2的數(shù)量級(jí)(order)。針對(duì)中紅外和THzDFG信號(hào)收集 效率校正了的轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量值約為50nW/W2。該差異可能來(lái)自于許多因素，包括在許多高 階側(cè)邊模式下的中紅外激發(fā)，實(shí)際的x (2)值顯著偏小，較差的THz波失耦等。
雖然在圖4(a)的實(shí)施例中采用通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)的 10iim厚的InP頂部波導(dǎo)覆層120以為中紅外和THz模式提供介電模式限制，根據(jù)另一個(gè)實(shí) 施例，采用組合的介電/金屬_表面_等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，中紅外泵浦被限制在該介 電波導(dǎo)核心，且該THz模式被金屬層/壁所引導(dǎo)，這與在先研究的THz QCL(非基于DFG)的 結(jié)構(gòu)相類似。盡管該金屬層對(duì)THz模式有效，但它們對(duì)中紅外場(chǎng)引入了高的損失。因此，中 紅外模式應(yīng)當(dāng)與金屬化壁具有低的重疊。這可以通過(guò)如此的設(shè)計(jì)得到中紅外模式被定位 在厚的THz波導(dǎo)的中心，自然在壁上消失，因此與金屬有非常小的重疊。
根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)發(fā)明實(shí)施例，圖8(b)示出這種包括表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 180的QCL 100A的例子；而圖8(a)示出該QCL 100A的中紅外激光模式(中間的窄圖)和 THz模式(較寬的圖)的強(qiáng)度分布。特別地，在大約10.5ym厚的示例性波導(dǎo)中，對(duì)中紅外 模式和THz模式，沿生長(zhǎng)方向(從波導(dǎo)頂部計(jì)起的距離)示出了圖8(a)所示的強(qiáng)度分布， 所述波導(dǎo)由同時(shí)用作電流注入的接觸的兩個(gè)金屬壁170和172形成。如圖8(b)所示，整合 的有源區(qū)103占據(jù)了波導(dǎo)的中央?yún)^(qū)域(例如，4至5iim)。該波導(dǎo)的其余部分包括低摻雜的 緩沖材料(例如層116和118，相似于圖4(a)中所示的那些層)。 一方面，因?yàn)橹屑t外泵浦 模式的窄分布，在一些實(shí)現(xiàn)中不必像THz QC激光器那樣將整個(gè)波導(dǎo)用有源區(qū)填充。另一方 面，光柵182可選地放置在表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)180的表面并配置為沿著波導(dǎo)的長(zhǎng)度提 取DFG輻射。 根據(jù)另一實(shí)施例，基于DFG的QCL可能包括與高非線性極化率整合的單個(gè)量子級(jí) 聯(lián)結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生泵浦和DFG頻率二者。圖9和圖IO分別示出這種設(shè)備的能量圖和導(dǎo)帶圖。 該設(shè)計(jì)基于對(duì)二聲子諧振結(jié)構(gòu)的變型。在圖9和圖IO中，負(fù)責(zé)激光動(dòng)作和高二階非線性的 能級(jí)用粗體表示并標(biāo)注為1、2和3。 1到3或2到3的激光躍遷被設(shè)計(jì)為具有相同的振子 強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于THz輻射的頻率差為60 ii m。進(jìn)行平均為 5X 1016cm—3的摻雜，并假設(shè)電子數(shù) 量被狀態(tài)1和2均勻共享，則60 ii m DFG的非線性極化率可大到8X 105pm/V。
在根據(jù)本公開(kāi)的用于產(chǎn)生THz輻射的QCL的各種實(shí)施例中，QCL可以操作為產(chǎn)生 連續(xù)波(CW)或者脈沖輻射，也可以基于受控的工作溫度變化配置為可變化地調(diào)諧第一、第 二和第三頻率。為此，根據(jù)各實(shí)施例的設(shè)備還可以包括耦合到QCL(例如，參見(jiàn)圖4(a)和圖8(b))的熱電(TE)冷卻器190，以控制(穩(wěn)定在固定的點(diǎn)或變化)該QCL的工作溫度。一 方面，該TE冷卻器可以是單級(jí)或多級(jí)的冷卻器，也可以配置為提供大約195至295開(kāi)氏度 范圍的QCL工作溫度。 在依照上述發(fā)明概念的另一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)中，欲對(duì)圖4(a)所示的一般性的波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種變型以實(shí)現(xiàn)這樣的THz QCL:該THz QCL可以被調(diào)整為不同的工作波長(zhǎng)和/或 工作性能度量。圖11示出了一種例子，其QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與圖4(a)中所示的大體相似，但 是根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)發(fā)明實(shí)施例其具有一些變化。在一個(gè)基于圖ll所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 示例性實(shí)現(xiàn)中，根據(jù)上述概念的DFG的THz QCL可以被設(shè)計(jì)為以波長(zhǎng)A工=8. 9 y m和入2 =10. 5iim的中紅外操作，并產(chǎn)生A "60iim的太赫茲輸出，其在80開(kāi)氏度為7iiW的輸 出功率，在250開(kāi)氏度時(shí)為大約1 P W的輸出功率，并且在300開(kāi)氏度(亦即大約為室溫或 以上)時(shí)大約300nW的輸出功率。 更具體地，圖ll所示的QCL IOOB是基于由分子束外延(MBE)生長(zhǎng)的In。.53Ga。.47As/ In。.52Ga。.48As異質(zhì)結(jié)構(gòu)。特別地，MBE生長(zhǎng)始于n摻雜為9X 1016cm—3的InP基底122B，具有 設(shè)計(jì)為以10. 5ii m進(jìn)行發(fā)射的30級(jí)的二聲子諧振QC結(jié)構(gòu)112B，隨后是n摻雜為3X 1016cm—3 的100納米厚的GalnAs間隔物(未在圖11中示出)以及設(shè)計(jì)為以8. 9 y m進(jìn)行發(fā)射的30 級(jí)的束縛到連續(xù)QC結(jié)構(gòu)114B。對(duì)于該示例性設(shè)備，從注入阻擋層開(kāi)始，該束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu) 114B的一個(gè)周期的層順序(以A為單位)為40/24/7/65/8/64/8/58/22/40/13/38/14/37/ 15/36/19/36/25/36/25/35,而二聲子諧振結(jié)構(gòu)112B的一個(gè)周期的層順序?yàn)?0/20/7/60/9 /59/10/52/14/38/12/32/12/32/16/31/19/31/22/30/22/29。阻擋層以斜體表示，下劃線的 層被摻雜為n = 3X1017cm—3。在圖13中示出了該束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)在施加偏壓為37kV/cm時(shí) 一個(gè)周期的計(jì)算的導(dǎo)帶圖。如上所述，波浪形曲線代表波函數(shù)的模的平方。對(duì)于DFG重要 的電子態(tài)以粗體表示并標(biāo)記為1至3。 在圖11的QCL 100B中，MBE生長(zhǎng)以n摻雜為3 X 1016cm—3的50nm厚的GalnAs 層(圖11中未示出)結(jié)束。上波導(dǎo)覆層包括3. 5iim厚的層120Bi和0. 2iim厚的InP層 12( 2，其n摻雜分別為5X 1016cm—3和5X 1018cm—3，然后用MOCVD生長(zhǎng)在上面。與圖4(a)所 示的QCL相同，在一些實(shí)現(xiàn)中，材料可以處理成深度蝕刻的脊形波導(dǎo)，其大約2mm長(zhǎng)，15至 25 ii m寬(例如參見(jiàn)圖3)，且該脊的側(cè)邊壁上具有400nm厚的Si3N4絕緣層IIOB，以及具有 Ti/Au(20nm/400nm)頂接觸108B。非合金Ge/Au接觸124B可以被沉積在基底122B的背面 上。此外，高反射涂層(例如包括Al2(VAu(200nm/50nm)層)可以被沉淀在該設(shè)備的后表 面上。此外，光柵105B可以可選擇性地沉積在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面并被配置為沿著波導(dǎo)的長(zhǎng)度 提取DFG輻射。 再次參考上面結(jié)合方程(2)討論的，在圖11的QCL 100B中，該束縛到 連續(xù)結(jié)構(gòu)114B具有對(duì)于DFG明顯的x (2)。上激光態(tài)的電子密度可以通過(guò)"增 益=損失"條件確定。介質(zhì)中帶有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光增益由下面的表達(dá)式給出
孫1 、勝么|Zl《.r (3)其中，nj"》為該
激光模式的有效折射率，n指低激光能級(jí)。QCL的"增益=損失"條件由下式給出gmaxX r =a wg+ a m (4)其中，gmax為方程(3)中激光
增益的峰值，r是帶有有源區(qū)的模式交疊因子(modal overl即factor), a wg和a m分別為波導(dǎo)和鏡像損失。對(duì)于QCL100B，參數(shù)分別取r " 0. 4， a wg " 8cm—、 a m " 3cm—、則得到 gmax " 28cm—、取r ij " 7. 5meV，從方程(2) 、 (3) 、 (4)中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于我們的設(shè)備的DFG 過(guò)程，ANe " 2X 1015cm—3， | x (2) | " 4X 104pm/V。 關(guān)于上面結(jié)合圖4(a)討論的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，指出了圖4(a)和圖11結(jié)構(gòu)之間的一些不 同。首先，有源區(qū)和波導(dǎo)層的摻雜降低了，這導(dǎo)致了THz波的損失的減少。第二，現(xiàn)在為相 位匹配k = kl-k2設(shè)計(jì)了波導(dǎo)。利用對(duì)中紅外泵浦和THz波的TM。。模式計(jì)算的的有效折射 率，以及THz模式損失，圖11的QCL的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度(參見(jiàn)方程1)在25至60iim寬的脊中大 約為50至80ym，其大約比圖4(a)的QCL的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度大三倍。le。h的限制因子為T(mén)Hz下的 波導(dǎo)損失，其計(jì)算為a " 250cm—、應(yīng)當(dāng)了解，通過(guò)進(jìn)一步減小基底、波導(dǎo)層和有源區(qū)的摻 雜，可以將a減小到100cm—1以下。 圖12示出圖11的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)的頂視圖。正如上面所指出的，該波導(dǎo)可 以被處理形成深蝕刻脊形波導(dǎo)，其大約2mm長(zhǎng)25 m寬，包括錐形部分360、向前面370的方 向展寬到大約60iim。此外，包括Al203/Au(200nm/50nm)層的高反射涂層可以被沉淀在后 表面380上。 一方面，該錐形部分360提高了來(lái)自于波導(dǎo)的THz輻射的外耦合效率。圖14 中示出IR和THz波的計(jì)算的波導(dǎo)模式，以及波導(dǎo)折射率分布圖。在圖14中，TM。。波導(dǎo)模式 中的磁場(chǎng)強(qiáng)度在右軸表示，折射率分布在左軸表示，波長(zhǎng)分別為A 二8.9ym(細(xì)黑線)以 及60ym(粗灰線)。同樣，以灰色顯示的是有源區(qū)的兩部分。 對(duì)于測(cè)量，根據(jù)圖11所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示例性QCL在250kHz重復(fù)率60ns脈沖的 脈沖模式下操作。使用兩個(gè)2"直徑的拋物線鏡面收集輻射一個(gè)具有5cm的聚焦長(zhǎng)度以 收集來(lái)自設(shè)備的光，另一個(gè)具有15cm的聚焦長(zhǎng)度以將其重聚焦至熱電堆或者汞鎘碲化物 (MCT)檢測(cè)器以進(jìn)行中紅外測(cè)量，或重聚焦至氦制冷的校準(zhǔn)的硅輻射熱計(jì)以進(jìn)行THz測(cè)量。 針對(duì)我們的設(shè)置的70%的收集效率校正了中紅外功率。波譜使用傅里葉變換紅外波譜儀取 得。對(duì)于THz測(cè)量，使用光學(xué)過(guò)濾器阻擋中紅外輻射。這些示例性的QCL以雙重波長(zhǎng)工作 直到室溫。圖15(a)中示出了電流-電壓特性、兩個(gè)中紅外泵浦功率的乘積W("》XW("2) 對(duì)電流的依賴關(guān)系以及典型設(shè)備的典型發(fā)射譜。作為比較，圖15(b)中也示出了THz DFG 波譜，其使用圖15(a)中的中紅外波譜激發(fā)。 由于波導(dǎo)中次波長(zhǎng)THz模式限制，一方面來(lái)自QCL的THz DFG輸出可能顯著地發(fā) 散，THz外耦合效率可能較差。相應(yīng)地，在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖12所示，硅超半球透鏡390 可選擇地附著在輸出面370上或者與其實(shí)現(xiàn)光學(xué)通信(例如與其適當(dāng)接近)。在一個(gè)示例 性實(shí)現(xiàn)中，透鏡390可以是直徑2mm、高1. 19mm的高阻硅超半球透鏡，放置在輸出面370的 5iim之內(nèi)。對(duì)于透鏡準(zhǔn)直，來(lái)自QCL的中紅外輸出可以利用MCT檢測(cè)器成像。在一些實(shí)現(xiàn) 中，與沒(méi)有透鏡的設(shè)備相比，帶有透鏡的QCL的收集的THz DFG功率輸出提高了 25倍。在 其它方面，該提高來(lái)自于提高的收集效率(從估計(jì)小于10%到大約100% )以及THz外耦 合效率的增加。圖15(c)中示出在不同溫度收集的具有透鏡的設(shè)備的典型THz DFG波譜。 在高至室溫的情況下觀察到了 THz輸出，其THz功率，對(duì)收集效率進(jìn)行修正后，從80開(kāi)氏度 時(shí)大約7iiW降低至250開(kāi)氏度時(shí)的liiW以及室溫時(shí)的300nW。該趨勢(shì)在圖15(d)中示出， 其中畫(huà)出了不同溫度下的中紅外泵浦功率的乘積。圖15(d)中的數(shù)據(jù)表明，THz功率輸出的 下降很大程度上來(lái)自于中紅外泵浦功率的下降(參見(jiàn)方程l)，而此時(shí)THz DFG轉(zhuǎn)換效率保 持在常量 5iiW/W2。 (d)中的測(cè)量以及所有波譜的測(cè)量都是用在重復(fù)速率為250kHz、60ns3. 5A的脈沖電流下操作的設(shè)備進(jìn)行的。 總之，根據(jù)各實(shí)施例，所公開(kāi)的QCL設(shè)備被配置為同時(shí)以三個(gè)紅外波長(zhǎng)產(chǎn)生窄波
段輻射，由此擴(kuò)展到整個(gè)中遠(yuǎn)紅外區(qū)域。這種光源可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在例如各種材料的波譜儀、
遠(yuǎn)程感應(yīng)(包括爆炸檢測(cè))以及射電天文外差式接收器的本地振蕩器中。 盡管這里已描述和闡述了各種本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地想到
許多其它手段和/或結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行這些功能和/或得到這些結(jié)果和/或?qū)崿F(xiàn)一個(gè)或多個(gè)此處
描述的優(yōu)點(diǎn)。任一這些改變或變型都在這里公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施例的范圍內(nèi)。更一般地說(shuō)，
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地了解此處描述的所有的參數(shù)、維度、材料和配置都是示例性的，
實(shí)際的參數(shù)、維度、材料和/或配置將依賴于使用本發(fā)明教導(dǎo)的具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員
會(huì)認(rèn)識(shí)到或使用不超出常規(guī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼_定與此處公開(kāi)的實(shí)施例等同的許多方式。因此可
以理解，前面給出的實(shí)施例僅是示例性方式，在所附的權(quán)利要求書(shū)和等同物的范圍內(nèi)，本發(fā)
明實(shí)施例可能被與此處描述和要求保護(hù)的不同地進(jìn)行實(shí)踐。本公開(kāi)的發(fā)明性實(shí)施例適用于
此處描述的每一單獨(dú)的特征、系統(tǒng)、部件、材料、工具和/或方法。此外，如果這種特征、系
統(tǒng)、部件、材料、工具和/或方法不是完全不一致的，任何兩個(gè)或更多這些特征、系統(tǒng)、部件、
材料、工具和/或方法的組合也包括在本公開(kāi)的發(fā)明范圍內(nèi)。 所有這里定義和使用的定義，都應(yīng)當(dāng)理解為控制在辭典的定義、參考文獻(xiàn)所引入 的文獻(xiàn)中的定義，和/或已定義術(shù)語(yǔ)的普通意思。 在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的非限定冠詞"一"，除非有明確相反的明示，均應(yīng) 理解為"至少一個(gè)"之意。 在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的短語(yǔ)"和/或"，應(yīng)該理解為其所連接的元素的 "每一個(gè)或二者均是"，也就是說(shuō)，這些元素在一些情況下相連接出現(xiàn)，而在另一些情況下不 相連接出現(xiàn)。以"和/或"列示的多個(gè)元素應(yīng)當(dāng)以同樣的方式解釋，也就是說(shuō)，"一個(gè)或多個(gè)" 這些元素相連接。其它元素可以選擇性地出現(xiàn)，而不是具體由"和/或"短語(yǔ)具體定義的元 素出現(xiàn)，無(wú)論這些可選擇出現(xiàn)的其它元素與這些由"和/或"短語(yǔ)具體定義的元素是相關(guān)還 是不相關(guān)的。因此，作為一個(gè)不具備限制性的例子，在指"A和/或B"時(shí)，當(dāng)其與開(kāi)放式結(jié) 尾的語(yǔ)言，例如"包括"相連接使用時(shí)，在一種情況下，其僅指A (可選擇性地包括非B的其 它元素)；在另一種情況下，其僅指B(可選擇性地包括非A的其它元素)；而在又一種情況 下，其指A和B(可以選擇性地包括其它元素)；等。 在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的"或"，應(yīng)該理解為與上面定義的"和/或"的意義 相同。例如，當(dāng)在一個(gè)列表中分隔項(xiàng)目時(shí)，"或"或"和/或"應(yīng)當(dāng)解釋為包括，也就是說(shuō)，包 括至少一個(gè)，但是也包括多于一個(gè)數(shù)目或者列表中的元素，以及可選擇地包括其它未列在 表中的元素。僅當(dāng)有明確相反指示的詞語(yǔ)，例如"僅僅一個(gè)"或者"恰好一個(gè)"，或者當(dāng)使用
在權(quán)利要求書(shū)中時(shí)，"由......組成"是指恰好包括一個(gè)元素或者元素的列表。 一般說(shuō)來(lái)，
當(dāng)前面具有排除性的術(shù)語(yǔ)，如"任一個(gè)"、"其中之一"、"僅其中之一"或"恰好其中之一"時(shí)， 此處使用的術(shù)語(yǔ)"或"僅僅解釋為表明排除了替代物(也就是說(shuō)，一個(gè)或另一個(gè)，但不是二
者均有)。"主要由......組成"當(dāng)用在權(quán)利要求書(shū)中時(shí)，其具有其在專利法律領(lǐng)域中的一
般含義。 在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的短語(yǔ)"至少一個(gè)"，在指向一個(gè)或多個(gè)元素組成的 列表時(shí)，應(yīng)該理解為至少一個(gè)元素從任意一個(gè)或多個(gè)列表中的元素中選擇出來(lái)，但是并不必定包括在元素列表中具體列出的每一個(gè)元素的至少一個(gè)，而且，也不排除任何元素列表 中的元素的組合。這一定義也允許元素可以選擇性地出現(xiàn)，而不是具體定義在短語(yǔ)"至少 一個(gè)"所指的元素列表中的元素，無(wú)論這些元素與那些具體定義的元素相關(guān)還是不相關(guān)。因 此，作為一個(gè)非限制性的例子，"至少A和B中的一個(gè)"(或者等同地，"至少A或B中的一 個(gè)"，或者等同地，"至少A和/或B中的一個(gè)")，在一種情況下，指至少一個(gè)，可選擇性地包 括多于一個(gè)A，且沒(méi)有B出現(xiàn)(可以選擇性地包括非B的元素)；在另一種情況下，指至少一 個(gè)，可選擇性地包括多于一個(gè)B，且沒(méi)有A出現(xiàn)(可以選擇性地包括非A的元素)；在又一 種情況下，指至少一個(gè)，可選擇性地包括多于一個(gè)A，且至少一個(gè)，可選擇性地包括多于一個(gè) B(可以選擇性地包括其它元素)，等。 還應(yīng)當(dāng)理解，除非有明確相反的明示，在權(quán)利要求中的任何方法，其包括超過(guò)一個(gè) 步驟或動(dòng)作，該方法中的該些步驟或動(dòng)作的順序并不必然限制在該方法中的該些步驟或動(dòng) 作被引用的順序。 在權(quán)利要求書(shū)以及在上面的說(shuō)明書(shū)中，所有的連接短語(yǔ)，例如"包含"、"包括"、"帶 有"、"具備"、"含有"、"涉及"、"具有"、"包含有"以及類似的表述應(yīng)當(dāng)理解為開(kāi)放式結(jié)尾的，
也就是說(shuō)，其表示包括但不限于。僅僅有連接短語(yǔ)"由......組成"和"主要由......組
成"應(yīng)當(dāng)分別是封閉式或半封閉式的連接短語(yǔ)，就像美國(guó)專利局專利審查程序手冊(cè)2111. 03 部分所提出的那樣。
權(quán)利要求
一種設(shè)備，包括量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)，具有整合在所述QCL的有源區(qū)中的顯著的二階非線性極化率(χ(2))，所述QCL被配置為基于來(lái)自于所述非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來(lái)產(chǎn)生第一頻率ω1的第一輻射、第二頻率ω2的第二輻射，以及第三頻率ω3＝ω1-ω2的第三輻射。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述QCL包括 第一量子級(jí)聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)，被配置為產(chǎn)生所述第一輻射；以及 第二 QC結(jié)構(gòu)，被配置為產(chǎn)生所述第二輻射，其中，將所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)中。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述 第二QC結(jié)構(gòu)二者中。
4. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述非線性極化率僅整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所 述第二QC結(jié)構(gòu)的一個(gè)中。
5. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述非線性極化率整合在所述第二 QC結(jié)構(gòu)中而不 整合在所述第一QC結(jié)構(gòu)中。
6. 如權(quán)利要求2至5中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中， 所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)二聲子結(jié)構(gòu)；以及 所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括大約從20到30個(gè)二聲子結(jié)構(gòu)；以及 所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括大約30個(gè)束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述QCL包括單個(gè)量子級(jí)聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生所述 第一、第二和第三輻射。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述單個(gè)QC結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)改良的二聲子結(jié)構(gòu)。
10. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述第一輻射和所述第二輻射分別具 有電磁譜的中紅外波段中的第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)，且所述第三輻射具有所述電磁譜的太赫 茲(THz)波段中的波長(zhǎng)。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)在大約5到10微米的范圍內(nèi)；以及 所述第三波長(zhǎng)在大約30到300微米的范圍內(nèi)。
12. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在室溫下工作。
13. 如權(quán)利要求l至ll中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在低于等于大約 250開(kāi)氏度的溫度工作。
14. 如權(quán)利要求l至ll中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在低于等于大約 150開(kāi)氏度的溫度工作。
15. 如權(quán)利要求l至ll中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在低于等于大約 80開(kāi)氏度的溫度工作。
16. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為基于工作溫度的受 控變化可變地調(diào)諧所述第一、第二和第三頻率。
17. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，還包括耦合到所述QCL以控制所述QCL的工作溫度的熱電冷卻器。
18. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述熱電冷卻器被配置為提供覆蓋大約從195開(kāi) 氏度至295開(kāi)氏度的范圍的工作溫度。
19. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在連續(xù)波(CW)模 式下工作。
20. 如權(quán)利要求1至18中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在脈沖模式下工作。
21. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述QCL包括表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
22. 如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)實(shí)質(zhì) 地限制所述第三輻射的導(dǎo)電面。
23. 如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為使得所述 第一和第二輻射不與所述至少一個(gè)導(dǎo)電面顯著交疊。
24. 如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中，所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括 第一和第二導(dǎo)電面，其中，所述有源區(qū)被設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電面之間；以及 低摻雜的緩沖材料，與所述有源區(qū)一起被設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電面之間。
25. 如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，所述第一和第二導(dǎo)電面包括金屬接觸，以便于向 所述設(shè)備施加電流。
26. 如權(quán)利要求21至25中任一個(gè)所述的設(shè)備，還包括光柵，設(shè)置在所述表面等離子 體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，并被配置為沿著所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度提取所述第三輻射。
27. 如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述QCL具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括所述第三輻射的至少一部分發(fā)射出的背面和前面。
28. 如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括接近于所述前面的錐形部分。
29. 如權(quán)利要求27或28所述的設(shè)備，還包括與所述前面進(jìn)行光學(xué)通信的透鏡。
30. —種方法，包括A)將顯著二階非線性極化率(x (2))整合在量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的有源區(qū)中，從而便 于基于來(lái)自于所述非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來(lái)產(chǎn)生第一頻率的第一輻射、第二 頻率"2的第二輻射，以及第三頻率"3= "r"2的第三輻射。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述QCL包括被配置為產(chǎn)生所述第一輻射的第一 量子級(jí)聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)，以及被配置為產(chǎn)生所述第二輻射的第二 QC結(jié)構(gòu)，其中，A)包括將所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)中。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，A)包括將所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)二者中。
33. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，A)包括將所述非線性極化率僅整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)的一個(gè)中。
34. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，A)包括將所述非線性極化率整合在所述第二 QC結(jié)構(gòu)中而不整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)中。
35. 如權(quán)利要求31至34中任一個(gè)所述的方法，其中 所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)二聲子結(jié)構(gòu)；以及所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中， 所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括大約20個(gè)二聲子結(jié)構(gòu)；以及 所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括大約30個(gè)束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
37. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述QCL包括單個(gè)量子級(jí)聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生所 述第一、第二和第三輻射。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述單個(gè)QC結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)改良的二聲子結(jié)構(gòu)。
39. 如權(quán)利要求30至38中任一個(gè)所述的方法，其中，所述第一輻射和所述第二輻射分 別具有電磁譜的中紅外波段中的第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)，且所述第三輻射具有所述電磁譜的 太赫茲(THz)波段中的波長(zhǎng)。
40. 如權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)在大約5到10微米的范圍內(nèi)；以及 所述第三波長(zhǎng)在大約30到300微米的范圍內(nèi)。
41. 如權(quán)利要求30至40中任一個(gè)所述的方法，還包括 在室溫下操作所述QCL。
42. 如權(quán)利要求30至40中任一個(gè)所述的方法，還包括 在低于等于大約250開(kāi)氏度的溫度下操作所述QCL。
43. 如權(quán)利要求30至40中任一個(gè)所述的方法，還包括 在低于等于大約150開(kāi)氏度的溫度下操作所述QCL。
44. 如權(quán)利要求30至40中任一個(gè)所述的方法，還包括 在低于等于大約80開(kāi)氏度的溫度下操作所述QCL。
45. 如權(quán)利要求30至44中任一個(gè)所述的方法，還包括可控地改變所述OCL的工作溫度，從而可變地調(diào)諧所述第一、第二和第三頻率。
46. 如權(quán)利要求45所述的方法，其中，可控地改變工作溫度包括在大約從195至295 開(kāi)氏度的范圍上可控地改變所述工作溫度。
47. 如權(quán)利要求30至46中任一個(gè)所述的方法，還包括 向所述QCL施加連續(xù)電流，從而在連續(xù)波(CW)模式下操作所述QCL。
48. 如權(quán)利要求30至46中任一個(gè)所述的方法，還包括 向所述QCL施加脈沖電流，從而在脈沖模式下操作所述QCL。
全文摘要
用于通過(guò)差頻產(chǎn)生(DFG)產(chǎn)生輻射的設(shè)備和方法。在一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)中，量子級(jí)聯(lián)激光(QCL)具有整合在所述QCL的有源區(qū)中的顯著的二階非線性極化率(x(2))。所述QCL被配置為基于來(lái)自于所述非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來(lái)產(chǎn)生第一頻率ω1的第一輻射、第二頻率ω2的第二輻射，以及第三頻率ω3＝ω1-ω2的第三輻射。一方面，所述QCL可以被配置為在室溫下產(chǎn)生明顯的THz輻射。
文檔編號(hào)H01S5/34GK101730961SQ200880016230
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者米哈伊爾·A·貝爾金, 費(fèi)德里科·卡帕索, 阿列克謝·別利亞寧 申請(qǐng)人:哈佛大學(xué);德克薩斯A&M大學(xué)系統(tǒng)