專(zhuān)利名稱(chēng)：一種太赫茲、紅外頻段激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于太赫茲、紅外頻段激光光源。
背景技術(shù)：
太赫茲波是指頻率范圍在0. I-IOTHz之間的電磁波。物質(zhì)的太赫茲光譜包含著豐富的物理和化學(xué)信息，在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、空間通信和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。紅外頻段是指頻率介于可見(jiàn)光和太赫茲波段的電磁波，紅外光譜應(yīng)用面廣，提供信息多且具有特征性，可應(yīng)用于物質(zhì)的化學(xué)組成進(jìn)行分析。它不受熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和蒸氣壓的限制，樣品用量少且可回收，屬于非破壞分析。已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)、分析化學(xué)最常用和不可缺少的工具。物體常溫的輻射譜主要集中在紅外波段，所以紅外探測(cè)在軍事和民用有著越來(lái)越重要的應(yīng)用前景。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏較為理想的太赫茲和紅外頻段的激光光源和相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)，致使這個(gè)波段在電磁波譜中形成一段發(fā)展相對(duì)落后。目前實(shí)現(xiàn)太赫茲、紅外的激光光源的方法有幾種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，基于自由電子激光(FEL)的太赫茲和紅外光源功率比較大，而且波長(zhǎng)在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，但是此種光源體積龐大，價(jià)格昂貴，現(xiàn)階段還只是實(shí)驗(yàn)室雛形，大大限制了其應(yīng)用范圍。半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。其特點(diǎn)為超小型、高效率、低成本、工作速度快等。但是半導(dǎo)體激光器需要利用到半導(dǎo)體的帶間躍遷輻射發(fā)光，其發(fā)光頻率由半導(dǎo)體帶隙寬度決定，帶隙越窄，波長(zhǎng)越長(zhǎng)；目前半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)覆蓋了紫外，可見(jiàn)到近紅外波段，而對(duì)于中紅外，遠(yuǎn)紅外和太赫茲頻率，則需要極窄帶半導(dǎo)體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)激射，這類(lèi)材料通常不穩(wěn)定而很少被利用。由于半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔短小，所以激光束的方向性較之其他典型的激光器要差很多，并且垂直于結(jié)的方向和平行于結(jié)的方向的光束發(fā)散角是不對(duì)稱(chēng)的，前者要大數(shù)倍。量子級(jí)聯(lián)激光器利用同一能帶內(nèi)的量子阱產(chǎn)生的量子化子能級(jí)直接的電子躍遷產(chǎn)生光子，由于子能級(jí)之間的躍遷能量比半導(dǎo)體能隙之間的躍遷小得多，所以量子級(jí)聯(lián)激光器能獲得長(zhǎng)波的激光輸出。此外波長(zhǎng)能過(guò)通過(guò)量子阱的寬度來(lái)控制。量子阱子帶躍遷效率比較低，量子級(jí)聯(lián)激光器通過(guò)有緣區(qū)和注入?yún)^(qū)的周期重復(fù)(通常多達(dá)幾十次)來(lái)提高外量子效率和降低閾值電流。每一個(gè)周期單元由多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層構(gòu)成，這導(dǎo)致了量子級(jí)聯(lián)激光器的量子阱層和壘層的數(shù)量高達(dá)好幾百，在制備過(guò)程中相當(dāng)復(fù)雜，需要高精度的分子束外延技術(shù)，大大增加了成本價(jià)格。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲、紅外頻段激光光源，利用平面金屬結(jié)構(gòu)結(jié)合低載流子濃度的半導(dǎo)體材料、量子阱或者異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生紅外、太赫茲波段激光，頻率和相干性可以通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明需含有平面金屬結(jié)構(gòu)層，半導(dǎo)體活性層和金屬底板層。
平面金屬結(jié)構(gòu)層和金屬底板層的存在可以有效增強(qiáng)半導(dǎo)體活性層的內(nèi)量子效率， 為活性層的量子數(shù)布居反轉(zhuǎn)以及激光的產(chǎn)生提供必要條件，同時(shí)還充當(dāng)電極的作用，下表面金屬層起到支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用，由于是工作頻率是紅外和太赫茲頻段，金屬表現(xiàn)為理想導(dǎo)體，因此本發(fā)明對(duì)金屬的種類(lèi)并沒(méi)有要求。平面金屬結(jié)構(gòu)層由一維或者二維周期排列的金屬單元組成，金屬單元可以是金屬條、金屬方片、金屬圓片。平面金屬結(jié)構(gòu)層也可以是具有同心環(huán)結(jié)構(gòu)的金屬柵構(gòu)成。當(dāng)平面金屬結(jié)構(gòu)層的周期和半導(dǎo)體活性層的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，本發(fā)明由于磁諧振形成了高品質(zhì)因數(shù)的相干表面態(tài)，這種表面態(tài)能可以有效調(diào)控活性層中模式的局域態(tài)密度，如果用入射電磁場(chǎng)作為歸一化的分母，可以放大活性層電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)2個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更多，這取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)。放大的電磁場(chǎng)增強(qiáng)了半導(dǎo)體的電子躍遷和電磁波之間相互耦合的幾率，為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供了前提條件。相干表面態(tài)通過(guò)周期結(jié)構(gòu)的金屬縫隙與外界平面波相互耦合而輻射到自由空間，平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬縫隙和單元周期長(zhǎng)度比值和耦合系數(shù)成反比關(guān)系，本發(fā)明利用較小比值(金屬縫隙和金屬單元周期長(zhǎng)度比值小于0. 2)使得相干表面態(tài)具有高的品質(zhì)因數(shù)，從而可以有效降低飽和吸收閾值并最終導(dǎo)致激光的產(chǎn)生，這給利用各種低載流子濃度增益材料實(shí)現(xiàn)受激輻射提供了必要條件，在所有利用超薄腔體產(chǎn)生受激輻射的方法中，本方法對(duì)材料增益系數(shù)的要求最低。發(fā)生激射的頻率與相干表面態(tài)的頻率一致，相干表面態(tài)受周期結(jié)構(gòu)的周期和活性層的介電常數(shù)控制，受縫隙，活性層的厚度等參數(shù)的微調(diào)， 因此調(diào)節(jié)激光產(chǎn)生的頻率可以很容易的由結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)從而覆蓋整個(gè)紅外、太赫茲頻率。 激光的空間相干性由金屬結(jié)構(gòu)層的縫隙大小控制，金屬縫隙越窄相干長(zhǎng)度越長(zhǎng)，反之相干長(zhǎng)度越短。半導(dǎo)體活性層由半導(dǎo)體材料組成，禁帶寬度在近紅外和中紅外波段的半導(dǎo)體材料有很多，例如砷化鎵，硫化鉛，碲鎘汞等，因此在這個(gè)波段可以采用半導(dǎo)體pn結(jié)，異質(zhì)結(jié)或者量子阱等常用的近紅外和中紅外發(fā)光材料作為活性層，平面金屬結(jié)構(gòu)和下底板金屬放大了活性層的電磁場(chǎng)大小，大大增加了光功率，降低了閾值電流，同時(shí)是采用的面發(fā)射機(jī)制， 光輸出容易，可實(shí)現(xiàn)二維激光器陣列。近紅外和中紅外波段活性層可以采取禁帶寬度在所需頻率的相應(yīng)半導(dǎo)體材料制成的pn結(jié)，量子阱結(jié)構(gòu)，或者異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。這些材料應(yīng)用于常用的半導(dǎo)體激光器中也能產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激光，但是其光學(xué)諧振腔必須完全垂直于結(jié)的方向，反射面必須很光滑，制作工藝比較復(fù)雜，產(chǎn)生的激光只有一個(gè)維度有方向性，激光輸出困難，很難應(yīng)用到二維面陣。 本發(fā)明的上表面金屬結(jié)構(gòu)層可通過(guò)在活性層上面蒸鍍一層金屬，并經(jīng)由微加工(MEMS)工藝實(shí)現(xiàn)，其工藝流程簡(jiǎn)單。金屬結(jié)構(gòu)層，下底板金屬和活性層構(gòu)成的相干表面態(tài)能增強(qiáng)活性層電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)4個(gè)數(shù)量級(jí)，極大程度的提高了活性層的內(nèi)量子效率，利用相干表面態(tài)實(shí)現(xiàn)激射而不用制作法布里帕洛諧振腔，空間相干性高，激光光束兩個(gè)維度發(fā)散度都很小，垂直于結(jié)的方向發(fā)射，容易實(shí)現(xiàn)光輸出。遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段活性層可以采用量子阱結(jié)構(gòu)或者超晶格結(jié)構(gòu)。低頻光子能量低，只能利用量子阱或者超晶格的子帶躍遷和光相互耦合，而通常情況下子帶躍遷量子效率非常低，現(xiàn)有技術(shù)只有通過(guò)量子級(jí)聯(lián)來(lái)增強(qiáng)量子阱超晶格的外量子效率，而此類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)光效率仍然比較低下，并且制作工藝很復(fù)雜，需要利用高精度的分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)幾百層半導(dǎo)體薄膜，價(jià)格高昂，大大限制了其應(yīng)用范圍。本發(fā)明的活性層厚度是亞波長(zhǎng)厚度，只需要利用到幾層量子阱結(jié)構(gòu)，材料生長(zhǎng)簡(jiǎn)單，平面結(jié)構(gòu)可以通過(guò)光刻實(shí)現(xiàn)，容易批量生產(chǎn)；活性層的電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)能放大4個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了量子阱的量子效率，增加了電光轉(zhuǎn)換效率，降低了閾值電流，激光光束具有高空間相干性，相干長(zhǎng)度可以通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1、由于本發(fā)明由平面金屬結(jié)構(gòu)層、半導(dǎo)體活性層和下底板金屬層構(gòu)成的低泄漏的磁諧振相干表面態(tài)增強(qiáng)活性層的內(nèi)量子轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)量子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激射。單色性好，并且頻率可由平面金屬結(jié)構(gòu)層的周期調(diào)節(jié)，覆蓋太赫茲和紅外波段。2、本發(fā)明活性層中的電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)被增益4個(gè)數(shù)量級(jí)，量子效率高，電光轉(zhuǎn)換效率高，容易實(shí)現(xiàn)常溫連續(xù)激光的輸出。3、本發(fā)明利用面發(fā)射輸出激光，容易實(shí)現(xiàn)二維激光面陣，光功率大。4、本發(fā)明的激光空間相干性可以由平面金屬結(jié)構(gòu)的空氣縫寬控制，兩個(gè)維度都具有高準(zhǔn)直性。5、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平面金屬結(jié)構(gòu)容易加工，用于遠(yuǎn)紅外和太赫茲的活性層量子阱層數(shù)少，材料生長(zhǎng)容易，成本低廉。


圖IA和圖IB是本發(fā)明激光光源第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明激光光源第一實(shí)施例實(shí)現(xiàn)激射頻譜圖；圖3A和圖;3B是本發(fā)明激光光源第一實(shí)施例激射的在E面和H面的角度譜；圖4是本發(fā)明激光光源第二實(shí)施例的平面結(jié)構(gòu)層示意圖；圖5是本發(fā)明激光光源第三實(shí)施例的平面結(jié)構(gòu)層示意圖；圖6是本發(fā)明激光光源第四實(shí)施例的平面結(jié)構(gòu)層示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖IA顯示為本發(fā)明太赫茲、紅外激光光源的第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明第一實(shí)施例由平面金屬結(jié)構(gòu)層1、半導(dǎo)體活性層2和金屬底板層3依次相疊而成，平面金屬層1 的金屬結(jié)構(gòu)采取一維周期排列的金屬條，圖IB是其結(jié)構(gòu)示意圖。金屬條寬度為5. 9微米， 金屬條之間的空氣間隙為0.2微米。整個(gè)平面金屬結(jié)構(gòu)層1為平面結(jié)構(gòu)，容易加工。金屬底板層3作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐層，厚度為100微米，具體可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求。平面金屬結(jié)構(gòu)層1和金屬底板層3的金屬為鋁，也可以是銅、金等其他金屬。本發(fā)明太赫茲、紅外激光光源的第一實(shí)施例工作波長(zhǎng)設(shè)計(jì)為15微米，半導(dǎo)體活性層2選用砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/AlxGai_xAS)量子阱結(jié)構(gòu)。砷化鎵/鋁鎵砷量子阱結(jié)構(gòu)可以通過(guò)設(shè)計(jì)勢(shì)壘層鋁的組分和勢(shì)阱層的厚度來(lái)達(dá)到紅外到太赫茲的電光轉(zhuǎn)換，但是背景暗電流較大，量子轉(zhuǎn)換效率很低，增益系數(shù)相當(dāng)小，很難實(shí)現(xiàn)量子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光輸出。已有的量子阱級(jí)聯(lián)激光器利用幾百層的砷化鎵/鋁鎵砷(GaAS/Alx(iai_xAS)多層結(jié)構(gòu)，從而提高量子阱的外量子效率達(dá)到激光輸出。本發(fā)明第一實(shí)施例利用金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的相干表面態(tài)提高砷化鎵/鋁鎵砷量子阱結(jié)構(gòu)的場(chǎng)增益，提高內(nèi)量子效率，達(dá)到激光輸出，整個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)層只要幾個(gè)周期，量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，整個(gè)結(jié)構(gòu)厚度為789納米，其量子阱勢(shì)壘層和勢(shì)阱層的厚度需根據(jù)具體工作波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，本發(fā)明第一實(shí)施例的量子阱層的增益中心波長(zhǎng)為15微米。圖2顯示為本發(fā)明太赫茲、紅外激光光源的第一實(shí)施例在入射平面波的激勵(lì)下的光增益頻譜。圖中顯示第一實(shí)施例在半導(dǎo)體活性層的場(chǎng)增益系數(shù)為126cm—1時(shí)候，對(duì)應(yīng)頻率為20THz (波長(zhǎng)15微米)光強(qiáng)被增大4個(gè)數(shù)量級(jí)實(shí)現(xiàn)激射，此增益峰值線寬小于0. 02THz, 單色性非常好。圖3A和圖:3B分別顯示本發(fā)明太赫茲、紅外激光光源的第一實(shí)施例在波長(zhǎng)為15微米不同入射角的平面波激勵(lì)下的光場(chǎng)增益圖。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器的一個(gè)方向具有高定向性，圖中顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的輸出的激光在兩個(gè)維度上都具有高方向性。本發(fā)明第一實(shí)施例利用一個(gè)一維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高增益，高定向性激光輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，利用面發(fā)射激光，很容易實(shí)現(xiàn)二維激光面陣，實(shí)現(xiàn)低閾值，高功率激光輸出。上述實(shí)施例只是本發(fā)明的太赫茲、紅外激光光源的一個(gè)較佳實(shí)施例，本發(fā)明的激光光源的平面金屬結(jié)構(gòu)層還有很多其他結(jié)構(gòu)。周期單元的圖案不限于上述第一實(shí)施例的形狀。圖3、圖4分別顯示了本發(fā)明的激光光源的第二、第三和第四實(shí)施例的平面金屬機(jī)構(gòu)層的圖案示意圖。在第二實(shí)施例中，平面金屬結(jié)構(gòu)層由二維周期排列而成的正方形貼片，在第三實(shí)施例中，平面金屬結(jié)構(gòu)層由二維周期排列而成的同心圓環(huán)組成，可以有效降低激光頻率。第四實(shí)施例中，平面金屬結(jié)構(gòu)層采取同心排列的多個(gè)圓環(huán)組成，此結(jié)構(gòu)在柱坐標(biāo)里可以和直角坐標(biāo)的一維排列的金屬條結(jié)構(gòu)相類(lèi)比。本發(fā)明的光源量子效率高，空間相干性可達(dá)到220倍波長(zhǎng)以上，光束具有兩個(gè)維度的高定向性，面發(fā)射，光功率高，頻率可調(diào)，結(jié)構(gòu)小巧，平面工藝，厚度超薄，加工容易，成本低廉。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于其包括平面金屬結(jié)構(gòu)層、半導(dǎo)體活性層和金屬底板層，金屬底板層為支撐層，半導(dǎo)體活性層和平面金屬結(jié)構(gòu)層依次疊于其上，形成相干表面態(tài)，放大半導(dǎo)體活性層電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述平面金屬結(jié)構(gòu)層由一維或者二維周期排列的金屬單元組成，或者由具有同心環(huán)結(jié)構(gòu)的金屬柵構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述金屬單元為金屬
4.如權(quán)利要求2所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述金屬單元為金屬方片或金屬圓片。
5.如權(quán)利要求1所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述平面金屬結(jié)構(gòu)層的周期和半導(dǎo)體活性層的波長(zhǎng)相比擬。
6.如權(quán)利要求1所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述相干表面態(tài)通過(guò)周期結(jié)構(gòu)的平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬縫隙與外界平面波相互耦合而輻射到自由空間，平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬縫隙和金屬單元周期長(zhǎng)度的比值和耦合系數(shù)成反比關(guān)系。
7.如權(quán)利要求6所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬縫隙與金屬單元周期長(zhǎng)度的比值小于0. 2。
8.如權(quán)利要求1所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述半導(dǎo)體活性層由半導(dǎo)體材料組成，近紅外和中紅外波段活性層采取禁帶寬度在所需頻率的相應(yīng)半導(dǎo)體材料制成的Pn結(jié)、量子阱結(jié)構(gòu)或者異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段活性層采用量子阱結(jié)構(gòu)或者超晶格結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的太赫茲、紅外頻段激光光源，其特征在于所述禁帶寬度在近紅外和中紅外波段的半導(dǎo)體材料選用砷化鎵、硫化鉛或碲鎘汞。
全文摘要
一種太赫茲、紅外頻段激光光源，其包括平面金屬結(jié)構(gòu)層、半導(dǎo)體活性層和金屬底板層，金屬底板層為支撐層，半導(dǎo)體活性層和平面金屬結(jié)構(gòu)層依次疊于其上，形成相干表面態(tài)，平面金屬結(jié)構(gòu)層由一維或者二維周期排列的金屬單元組成，或者由具有同心環(huán)結(jié)構(gòu)的金屬柵構(gòu)成。相干表面態(tài)通過(guò)平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬縫隙與外界平面波相互耦合而輻射到自由空間，而平面金屬結(jié)構(gòu)層的金屬縫隙和單元周期長(zhǎng)度的比值和耦合系數(shù)成反比關(guān)系，從而放大半導(dǎo)體活性層的電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)量子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生激射。本發(fā)明的激光光源頻率段寬、光功率大，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便。
文檔編號(hào)H01S5/34GK102237635SQ20101016942
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者余興, 張冶文, 曹揚(yáng), 李宏強(qiáng), 樊元成, 武超, 陳鴻, 韓縉, 魏澤勇 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)