本發(fā)明屬于半導體激光器領域，具體涉及一種周期破缺的光柵面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器及優(yōu)化方法。

背景技術：

1、太赫茲(thz，terahertz)量子級聯(lián)激光器(qcl，quantum?cascade?laser)是一種體積小，能量轉換效率高，便于集成的電泵浦全固態(tài)半導體激光器，其在化學、生物與醫(yī)學成像、天文遙感，物體檢測等領域具有重要應用。其通常存在面發(fā)射與邊發(fā)射兩種不同的輸出方式，與邊發(fā)射thz?qcl相比，面發(fā)射結構在外腔耦合、光學對準、封裝測試、陣列集成等方面具有顯著優(yōu)勢，然而目前面發(fā)射太赫茲qcl與近紅外波激光器相比輸出功率仍較低，在各種應用方面具有很大局限性，因此如何提高面發(fā)射太赫茲qcl的輸出功率仍然是目前太赫茲qcl研究中的重要問題。

2、由于太赫茲量子級聯(lián)激光器工作在橫向磁場偏振模式下，難以通過垂直腔實現(xiàn)垂直發(fā)射，可以利用表面光柵結構實現(xiàn)面發(fā)射，其典型代表為二階分布式反饋(dfb)結構。二階分布式反饋面發(fā)射太赫茲qcl具有單周期光柵結構，其光柵波矢與衍射波矢以及腔內入射導波波矢之間滿足布拉格衍射關系，可以實現(xiàn)垂直方向太赫茲輻射。二階分布式反饋面發(fā)射太赫茲qcl存在對稱模式與反對稱模式兩種模式，其對稱模式輻射損耗更高，具有更高的閾值增益，無法實現(xiàn)對稱模式工作，二階dfb-qcl通常工作在反對稱模式，其在遠場產生相消干涉，具有低輻射效率和較低的輸出功率。

3、目前在光柵結構研究中，有學者采用漸變式光子異質結構，二階四階混合光柵結構，準周期序列光柵結構等方法進行模場控制，實現(xiàn)qcl在指定高輻射效率模式激射，從而提高qcl輻射效率與輻射功率，然而這些光柵結構構成的太赫茲qcl輻射效率仍有很大提升空間。

4、在申請?zhí)枮閏n?202310671204.7的專利中，通過分段設計一階分布式反饋光柵結構與耦合輸出光柵，進一步通過調節(jié)耦合光柵周期長度與周期數(shù)目來實現(xiàn)穩(wěn)定單模狀態(tài)下太赫茲輸出，并在一定范圍內調節(jié)激光器諧振腔的品質因子。然而這種分段結構具有較低的輻射效率，并且無法實現(xiàn)輸出光角度與q值的單獨調節(jié)。

5、在申請?zhí)枮閏n?202110100819.5的專利中設計了一種由周期性窄脊條結構構成的非均勻偶極天線陣列，使得激光器的發(fā)光面為整個偶極天線陣列表面，實現(xiàn)了較高的輸出功率與功率斜率效率，并且可以通過合理設計脊條寬度差來實現(xiàn)最大功率輸出。然而其通過增加脊條寬度差所帶來的輸出功率提升比較有限，相較國際先進水平還有差距。

6、綜上所述，使用表面光柵結構的面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器，亟需一種具有高輻射效率與高設計靈活性的新結構及設計方法。

技術實現(xiàn)思路

1、目前使用光柵結構的面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器在其輸出功率與輻射效率方面亟需提升，同時較為復雜的模式控制也給太赫茲qcl波導結構設計帶來挑戰(zhàn)。為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種周期破缺的光柵面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器及優(yōu)化方法。本發(fā)明引入了周期破缺的光柵結構，由于其在光柵排布上介于均勻周期結構與非周期結構之間，其模場表現(xiàn)為非規(guī)則的對稱模式與反對稱模式的結合，具有高輻射效率的特點，可以實現(xiàn)太赫茲波高功率輸出；其次，提出了基于遺傳算法的周期破缺光柵排布方式優(yōu)化方法，通過優(yōu)化的思想可以簡化復雜的模場控制與分析過程，并且具有很高的設計靈活性。

2、本發(fā)明所采用的具體技術方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種周期破缺的光柵面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器，該器件采用雙金屬波導結構，包括襯底、下電極層以及脊波導結構；

4、所述下電極層位于襯底的上表面，所述脊波導結構位于下電極層的上表面；

5、其中脊波導結構由上電極、上接觸層、有源區(qū)、下接觸層自上而下依次疊層復合形成；上電極位于上接觸層的中心區(qū)域且不完全覆蓋上接觸層，從而使環(huán)繞上電極的上接觸層邊緣處形成吸收邊界區(qū)；所述上電極區(qū)的中心區(qū)域開設有周期破缺光柵結構，中心區(qū)域兩側各自保留引線區(qū)；所述周期破缺光柵結構包括若干平行且等間隔排列的固有狹縫，相鄰兩條固有狹縫之間為一個周期，周期破缺光柵結構中以激光器輻射效率最大化為目標，通過遺傳算法確定每個周期內是否開設一條額外的破缺狹縫，以及確定周期破缺光柵結構中所有狹縫的寬度和每條破缺狹縫的開設位置。

6、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述周期破缺光柵結構中，周期長度等于激光器工作頻率在激光器波導結構中的等效波長。

7、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述激光器工作頻率的范圍在1.2-5.4thz之間。

8、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述周期破缺光柵結構中所有狹縫的寬度范圍均在0.05λ～0.5λ之間，其中λ為激光器工作頻率在激光器波導結構中的等效波長。

9、第二方面，本發(fā)明提供了一種如上述第一方面任一項方案所述周期破缺的光柵面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器的遺傳算法優(yōu)化方法，其包括：

10、s1、根據所述周期破缺光柵結構中包含的周期總數(shù)n，設置破缺狹縫標記序列b1b2b3…bn來記錄n個周期中是否開設破缺狹縫，設置破缺狹縫位置序列a1a2a3…an來記錄n個周期中如需開設破缺狹縫時破缺狹縫與指定側固有狹縫之間的距離，設置狹縫寬度序列w1w2w3…w2n來記錄n個周期中所有固有狹縫和假設全部開設的破缺狹縫各自的寬度；將破缺狹縫標記序列b1b2b3…bn，破缺狹縫位置序列a1a2a3…ai與狹縫寬度序列w1w2w3…w2n分別編碼為二進制序列，作為種群中每個個體的染色體，并通過隨機算法生成指定數(shù)目的個體作為初始化的種群；

11、s2、基于初始化的種群和遺傳算法，按照選擇、交叉與變異的過程迭代進行種群的優(yōu)化；且在迭代過程中，每個個體均需要將自身的染色體序列轉化為光柵參數(shù)并用于建模所述光柵面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器對應的有限元仿真模型，通過仿真獲得激光器工作頻率的面發(fā)射光子損失率并以此作為個體的適應度進行種群更新；

12、s3、待遺傳算法達到迭代終止條件時停止迭代，將適應度最高的個體的染色體序列轉化為最終優(yōu)化得到的所述周期破缺光柵結構的設計參數(shù)。

13、作為上述第二方面的優(yōu)選，所述遺傳算法迭代過程中，通過編寫腳本程序自動讀入種群數(shù)據，并將其轉換為光柵參數(shù)進行建模，聯(lián)合有限元仿真軟件進行仿真并自動求解每個個體的適應度。

14、作為上述第二方面的優(yōu)選，所述遺傳算法迭代過程中，選擇、交叉與變異的具體過程為：首先對種群中個體按照每個個體的適應度高低選擇一定比例個體作為新種群的個體，其次按照所設置交換的比例對相鄰個體交換部分染色體片段來產生新個體，最后對群體中某些個體染色體的某些位置上的基因按照所設置變異概率作變異操作，通過模擬生物種群的進化過程產生下一代種群。

15、作為上述第二方面的優(yōu)選，所述遺傳算法的迭代終止條件為迭代次數(shù)達到所設定的最高迭代次數(shù)，或在種群中適應度最高的個體的適應度達到了所設定的目標適應度時停止迭代

16、作為上述第二方面的優(yōu)選，通過仿真獲得激光器工作頻率的面發(fā)射光子損失率的方法為：

17、針對目標個體，首先將目標個體的染色體序列轉化為光柵參數(shù)，并按照該光柵參數(shù)建模所述光柵面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器對應的有限元仿真模型；然后通過有限元軟件仿真中的特征頻率模塊，模擬獲得不同模式對應的電場空間分布和磁場空間分布以及特征頻率，并利用模式損耗計算公式計算不同特征頻率下的模式損耗，進而得到特征頻率和模式損耗之間的模式損耗譜，以模式損耗譜中最低模式損耗對應的特征頻率作為激光器工作頻率，進而基于有限元仿真的結果計算該激光器工作頻率下的面發(fā)射光子損失率，所述面發(fā)射光子損失率由激光器垂直方向上時間平均功率流積分除以諧振器內部能量得到。

18、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術而言，具有以下有益效果：

19、本發(fā)明提出了一種周期破缺的面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器結構，周期破缺結構中潛在的周期性保證了分布式反饋的形成，可以實現(xiàn)激光器內部的諧振與選頻，同時由于周期破缺結構在局部表現(xiàn)出的非周期特點，其諧振模式介于對稱模式與反對稱模式之間，而非低輻射效率的反對稱模式，因此可以有效提高激光器的輻射效率與功率。

20、同時本發(fā)明通過遺傳算法進行光柵參數(shù)的優(yōu)化，降低了通過分析模場進行光柵結構正向設計的難度與時間成本，具有較高的設計自由度與靈活性。在多次優(yōu)化迭代之后，得到了高模式損耗與高光子損失率的周期破缺光柵結構，其模式損耗與面發(fā)射光子損失率仿真結果為目前單個脊波導太赫茲qcl的最高結果，表明了所設計的太赫茲量子級聯(lián)激光器光柵結構具有高輻射效率，可以實現(xiàn)高功率輸出。