双波长垂直耦合腔面发射激光器及其差频产生太赫兹波辐射研究

Terahertz radiation source is the key to promote the development of terahertz science and technology. Difference-frequency generation (DFG) of THz radiation is of great potential for room temperature operating THz source. However, the existing schemes for DFG of THz suffer from low efficiency,enormous volume, uncontrolled directionality and poor coherence.. This project proposes vertical coupled-cavity surface-emitting lasers( VCSEL) to surport daul-wavelength lasing and collinear phase-matching directly in AlGaAs based high-Q micro-cavity. The reseach will focus on the physics and mechanism of novel coupled-cavity, coupled wave equation, nonlinear DFG process and anomalous dispersion of AlGaAs around Reststrahlen’s band , loss and waveguiding of THz radiation from VCSEL. The main advantage of the proposed structure is expected to develop a compact room-operating current-pumped THz source.

太赫兹波辐射源的开发是推动太赫兹科学和技术发展的关键所在。双波长激光差频产生太赫兹辐射是最具潜力实现室温工作太赫兹光源的途径之一，但通常的方法存在转换效率低、所得太赫兹辐射相干性和方向性差、结构复杂且体积大等缺点，难以实用化。.本项目提出采用耦合腔结构的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)实现腔内双波长激光振荡，同时利用AlGaAs材料的高非线性系数和反常色散效应在VCSEL的高Q值微腔内建立共线相位匹配，进而在室温下直接从半导体激光器中差频产生太赫兹辐射。项目研究将针对反常色散补偿的相位匹配机制、VCSEL中近红外和太赫兹波的耦合波方程、VCSEL微腔中太赫兹波的非线性转换机理和效率影响因素、VCSEL台面结构中的太赫兹损耗和波导机制等相关科学问题展开研究。项目研究有望在GaAs基双波长VCSEL基础上实现室温下的电流注入太赫兹光源，具有结构紧凑、差频效率高、可室温电注入工作等。

太赫兹波辐射源的开发是推动太赫兹科学和技术发展的关键所在。双波长激光差频产生太赫兹辐射是最具潜力实现室温工作太赫兹光源的途径之一，但通常的方法存在转换效率低、所得太赫兹辐射相干性和方向性差、结构复杂且体积大等缺点，难以实用化。本项目提出采用耦合腔结构的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)实现腔内双波长激光振荡，同时利用AlGaAs材料的高非线性系数实现非线性差频，进而在室温下直接从半导体激光器中差频产生太赫兹辐射。.项目研究针对耦合腔VCSEL的外延结构设计、双波长激光的模式控制、双波长VCSEL的器件制备研究、InGaAs量子阱自发发射研究、VCSEL微腔内多模调控等相关科学问题展开研究。本研究实现了电流注入的垂直耦合腔双波长面发射激光器，发射光谱为1158nm和1183nm的双激射峰，双峰的位置随电流同步漂移使频率差保持在4.5THz附近。基于双尺寸量子点的双波长FP激光器激射光谱为1010nm附近的双峰，室温连续输出功率167 mW，波长差7.5-11 nm，频率差2.2-3.5 THz，该器件为下一步室温腔内差频太赫兹奠定了基础。