濱松成功開發了小型半導體光源:太赫茲差頻量子級聯激光器
發布時間:2018-12-03

我司長年開發中紅外區域量子級聯激光器(以下QCL:Quantum Cascade Laser)、結合了多年積累的量子設計技術,以獨創的反交叉雙重高能態結構(Anticrossed dual-upper-state, AnticrossDAUTM),在世界上首次成功開發了室溫下工作的單一芯片太赫茲波光源“太赫茲差頻量子級聯激光器”。它有望應用于科研成像,或以藥物為代表的有機物光譜分析上。

* 量子級聯激光器(QCL):因其發光層采用了特殊的量子結構,與以往的半導體激光不同,它可以在從中紅外到遠紅外的特定波長區域實現高功率輸出。
* 太赫茲(THz)波:THz是頻率單位,是10的12次方(1萬億)Hz,頻率約為1 THz的電磁波,具有電波和光之間的中間特性,波長在300微米(μm)左右的遠紅外區域。



太赫茲波


<開發背景>

本新開發產品是可以在室溫下產生頻率為1~5THz的太赫茲波小型半導體光源。該半導體光源結合了濱松多年以來積累的量子結構設計技術、采用了發光制程完全不同于以往的反交叉雙重高能態結構、為了使之發出雙波長的紅外光、在晶體內部加了衍射光柵。此外、我們通過設計波導結構來減少太赫茲波在半導體芯片內部的吸收、從而提高了輸出效率。從1個半導體芯片產生2個波長的中紅外光、通過利用它們頻率差、成功且高效地實現太赫茲波的波長轉換。目前,市場上銷售的太赫茲QCL為了實現激光諧振,需要冷卻機來使半導體器件冷卻。而我們新研發的產品,采用中紅外領域的QCL波長轉換的方法,實現世上首個可在室溫下就能工作的太赫茲QCL。因為不需要制冷,體積是市場上銷售產品的2000分之一、重量約為其500分之一,是目前世界上尺寸最小的太赫茲QCL。

市場上有銷售各種各樣的小型半導體光源,如諧振隧穿二極管等,但其振蕩頻率1THz以下的亞THz范圍。與之相對,我們開發的產品可以在高于1THz的頻帶中穩定地輸出太赫茲波。

與使用傳統的亞太赫茲光源相比,因為可以顯著提高分辨率,非常期待它在文物的內部觀察等學術研究類的高分辨率成像方面的應用,以及因為可以吸收高于1THz的高頻帶。也期待它在藥劑、爆炸物光譜分析方面的應用。另外,由于目前太赫茲波段可在室溫下工作的探測器種類有限,且響應速度極慢,靈敏度低。因此,期待將本產品作為標準光源,推進更高性能的太赫茲波檢測器的開發。

今后,在推進產品化的同時,我們還將通過優化器件結構,提高太赫茲波的提取效率,進一步增加輸出,并通過反交叉雙重高能態結構擴大輸出的頻率范圍。此外,我們在推進各種太赫茲應用領域的研發同時,將繼續推進便攜式太赫茲成像系統的發展。

<主要特點>

1.通過濱松獨特的發光層結構,實現可在室溫工作,為世界首例
具有極寬的波段,采用濱松獨特的反交叉雙重高能態結構,這與以往的結構有著本質上的不同,同時在晶體內部加了衍射光柵,使1個半導體芯片發出2個不同的中紅外光,即通過同一芯片內部的非線性光學效應將波長轉換為太赫茲光。在波長轉換過程中,通過使多個量子能級發生諧振的反交叉雙重高能態結構,實現了極高的轉換效率。同時在波導結構上下功夫,減少了半導體芯片內的太赫茲波吸收。另外,由于采用了從中紅外波段QCL的波長轉換方法,無需制冷,是世界上首個可在室溫工作的太赫茲QCL。

*非線性光學效應:發生兩種入射光頻率之差的光的現象
*量子能級:在原子級微觀世界中,與日常世界不同,電子不能處于自由能狀態,只能以離散的方式 獲取離散的能量狀態,此成為量子能級。

2.世界最小的太赫茲QCL
因為可以在室溫下工作,所以不像市場上銷售的其他太赫茲QCL,需要制冷系統在液氮溫度(-196℃)進行冷卻,體積減少到2000分之一,重量是500分之1,是世界上體積最小的太赫茲QCL。

<研發背景>

由于太赫茲波同時具有光和電波的特性,可以獲取物體內部的透射圖像并檢測分子相互作用,因此對安全領域和光譜分析領域的應用給予了很大的期望。然而,需要制冷的傳統太赫茲QCL,體積巨大且價格昂貴,僅限于在實驗室中使用,因而沒能將其應用推廣以及產品化。因此,開發在室溫下能穩定產生太赫茲波的小型半導體光源成為一個大的課題。

<主要規格>

項目參數單位
中心頻率2~3THz
工作溫度-20-30
峰值光功率100μW
外形尺寸(W x D x H)30.7 x 25.4 x7.8mm
重量10g



太赫茲差頻QCL


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