[发明专利]一种太赫兹、红外频段激光光源

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太赫兹、红外频段激光光源。

背景技术

太赫兹波是指频率范围在0.1-10THz之间的电磁波。物质的太赫兹光谱包含着丰富的物理和化学信息，在物理、化学、生物医学、空间通信和军事应用等领域有着广泛的应用前景。红外频段是指频率介于可见光和太赫兹波段的电磁波，红外光谱应用面广，提供信息多且具有特征性，可应用于物质的化学组成进行分析。它不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，属于非破坏分析。已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。物体常温的辐射谱主要集中在红外波段，所以红外探测在军事和民用有着越来越重要的应用前景。

但长期以来，由于缺乏较为理想的太赫兹和红外频段的激光光源和相关检测系统，致使这个波段在电磁波谱中形成一段发展相对落后。目前实现太赫兹、红外的激光光源的方法有几种，各有优缺点。其中，基于自由电子激光(FEL)的太赫兹和红外光源功率比较大，而且波长在大范围内连续可调，但是此种光源体积庞大，价格昂贵，现阶段还只是实验室雏形，大大限制了其应用范围。半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快等。但是半导体激光器需要利用到半导体的带间跃迁辐射发光，其发光频率由半导体带隙宽度决定，带隙越窄，波长越长；目前半导体激光器的波长覆盖了紫外，可见到近红外波段，而对于中红外，远红外和太赫兹频率，则需要极窄带半导体材料来实现激射，这类材料通常不稳定而很少被利用。由于半导体激光器的光学谐振腔短小，所以激光束的方向性较之其他典型的激光器要差很多，并且垂直于结的方向和平行于结的方向的光束发散角是不对称的，前者要大数倍。量子级联激光器利用同一能带内的量子阱产生的量子化子能级直接的电子跃迁产生光子，由于子能级之间的跃迁能量比半导体能隙之间的跃迁小得多，所以量子级联激光器能获得长波的激光输出。此外波长能过通过量子阱的宽度来控制。量子阱子带跃迁效率比较低，量子级联激光器通过有缘区和注入区的周期重复(通常多达几十次)来提高外量子效率和降低阈值电流。每一个周期单元由多层势垒层和势阱层构成，这导致了量子级联激光器的量子阱层和垒层的数量高达好几百，在制备过程中相当复杂，需要高精度的分子束外延技术，大大增加了成本价格。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹、红外频段激光光源，利用平面金属结构结合低载流子浓度的半导体材料、量子阱或者异质结结构产生红外、太赫兹波段激光，频率和相干性可以通过金属结构的结构参数调节。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明需含有平面金属结构层，半导体活性层和金属底板层。

平面金属结构层和金属底板层的存在可以有效增强半导体活性层的内量子效率，为活性层的量子数布居反转以及激光的产生提供必要条件，同时还充当电极的作用，下表面金属层起到支撑整个结构的作用，由于是工作频率是红外和太赫兹频段，金属表现为理想导体，因此本发明对金属的种类并没有要求。

平面金属结构层由一维或者二维周期排列的金属单元组成，金属单元可以是金属条、金属方片、金属圆片。平面金属结构层也可以是具有同心环结构的金属栅构成。当平面金属结构层的周期和半导体活性层的波长相比拟时，本发明由于磁谐振形成了高品质因数的相干表面态，这种表面态能可以有效调控活性层中模式的局域态密度，如果用入射电磁场作为归一化的分母，可以放大活性层电磁场场强2个数量级甚至更多，这取决于结构参数。放大的电磁场增强了半导体的电子跃迁和电磁波之间相互耦合的几率，为实现粒子数反转提供了前提条件。相干表面态通过周期结构的金属缝隙与外界平面波相互耦合而辐射到自由空间，平面金属结构层的金属缝隙和单元周期长度比值和耦合系数成反比关系，本发明利用较小比值(金属缝隙和金属单元周期长度比值小于0.2)使得相干表面态具有高的品质因数，从而可以有效降低饱和吸收阈值并最终导致激光的产生，这给利用各种低载流子浓度增益材料实现受激辐射提供了必要条件，在所有利用超薄腔体产生受激辐射的方法中，本方法对材料增益系数的要求最低。发生激射的频率与相干表面态的频率一致，相干表面态受周期结构的周期和活性层的介电常数控制，受缝隙，活性层的厚度等参数的微调，因此调节激光产生的频率可以很容易的由结构参数调节从而覆盖整个红外、太赫兹频率。激光的空间相干性由金属结构层的缝隙大小控制，金属缝隙越窄相干长度越长，反之相干长度越短。