光注入下太赫兹量子级联激光器的动力学性质研究
发布时间：2020-11-18 08:14
太赫兹波是波长范围介于微波和红外之间的电磁波,因具有低光子能量、强穿透性、包含大量分子指纹谱等特性,成为近年来研究的热点。对太赫兹波的深入研究推动了太赫兹科学技术在远程无线通信、高分辨率成像、材料分析以及国防安全等领域的进步,目前太赫兹波已经被成功应用于环境监测、材料分析、生物医学、远程通信等领域。太赫兹量子级联激光器(THz QCLs)是新型的太赫兹光源,其辐射波长不依赖于带隙,仅取决于超晶格多量子阱的厚度,是一种频率可调范围大的紧凑型太赫兹源。但是,单个THz QCL器件输出功率有限,光束质量也有待提高,互注入锁相激光阵列是提高THz QCLs的单模输出功率和光束质量的重要手段,研究其锁相性质有助于研究侧面耦合及其他类型锁相QCLs阵列的基本性质。然而,与传统的半导体激光器互注入阵列相比,互注入THz QCLs的相位锁定、噪声、调制以及自混合传感应用的研究仍然有限。本论文主要从三个方面研究了光注入下THz QCLs的动力学行为,具体研究内容如下:(1)基于速率方程理论,研究了互注入THz QCLs的相位锁定、噪声和调制响应性质。发现激光器的耦合强度κ和线宽增强因子α是影响相位锁定范围的主要因素,且锁相带宽随κ和α增大而增大。在非锁相工作状态下,随参数不同光场表现出周期振荡等非线性行为,特别是当两激光器频率失谐足够大时,电场受到频率为失谐频率的调制。然后,我们计算了自由运行、主从注入以及互注入THz QCLs的自发辐射噪声,三种情况均在低频范围表现为白噪声,且相同参数下互注入THz QCLs噪声最强,减小互注入耦合强度和增大注入电流是降低噪声的两个方法。最后,通过小信号分析,我们计算了锁相THz QCLs的调制响应特性,互注入阵列的调制带宽随注入电流和耦合强度增大而增大,在低频极限下,两个激光器的相位完全同步,增大调制频率阵列内激光器相位差随之增大。这些结果有助于加深对光注入THz QCLs的非线性动力学行为的理解,并为THz QCLs锁相阵列的设计提供理论支持。(2)理论研究了互注入THz QCLs阵列的自混合速度传感方案,分析了不同频率失谐和反馈强度参数下阵列的自混合工作特性。在锁相范围内,自混合注入较弱时,阵列中的每个激光器仍可以保持相位锁定,并均可用作自混合速度传感器;当频率失谐足够大,阵列内激光器之间耦合被破坏无法锁相,只有接收反馈光的激光器仍可用于自混合速度测量;强自混合反馈下THz QCLs阵列虽不稳定,但是也可用于自混合速度测量;此外,互注入THz QCLs能够同时测量两个独立的移动目标。这些结果为THz QCLs阵列自混合传感和多目标快速测量应用提供了理论支持。(3)研究了互注入THz QCLs和二极管激光器的非线性动力学行为。当两个激光器频率失谐为0时,互注入THz QCLs可以在模拟的耦合强度范围内保持稳定工作,且其动力学行为和单个THz QCL的自混合相似;互注入二极管激光器虽在小的耦合强度条件下可以相位锁定,但随耦合强度增大电场幅度先为周期振荡之后表现为复杂的非线性振荡。当两个激光器频率失谐不为0时,如果互注入的THz QCLs耦合强度不大,电场幅度表现为周期振荡,当耦合强度足够大,则可以锁相稳定工作;互注入的二极管激光器随着频率失谐增大,经历从周期振荡到非线性振荡的过程,这些结果有助于加深对互注入THz QCLs在不同参数下工作特性和非线性行为的理解。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
?第１章绪论???第１章绪论??１．１太赫兹波简介??太赫兹（ＴＨｚ）波是介于红外和微波之间，波长为３０？３００（Ｖｍ，频率为０．１？??１０?ＴＨｚ的电磁波。传统电子学器件大多工作于ＧＨｚ及更低的频段，光学器件大??多工作在几十太赫兹以上的高频段。以半导体器件为例，如图１．１所示，基于电??子输运的晶体管和其他量子器件的频率限制约为５０?ＧＨｚ，高于此频率的器件效??率会大幅降低；另一方面，半导体激光器的波长仅可以扩展到１０＂?ｍ?（约为３０??ＴＨＺ）。因此，太赫兹波在电磁波频谱中的地位十分特殊，晶体管和传统的半导体??ＩＲ?＾?Ｖｉｓｉｂｌｅ；＾??图１．１太赫兹间隙示意图１１１??激光器无法产生０．３?ＴＨｚ到３０?ＴＨｚ频率范围的电磁波，电能不能有效地转换为??电磁辐射，即存在所谓的太赫兹间隙。除了太赫兹源的缺乏，在过去很长的一段??时间里，其它诸如太赫兹探测器、调制器等基础器件也处于欠发展状态，因此，??与红外、毫米波、可见光等波段相比，太赫兹技术研究和应用相对落后。??在过去的二十年中，高性能紧凑型的太赫兹源和检测器不断出现，推动了太??赫兹技术的深入研究，太赫兹波的独特性质被逐渐揭示出来。首先，太赫兹辐射??能够穿透许多通常在可见／红外频率下是不透明的非极性和非金属的材料，这些??材料包括塑料、纸张、陶瓷、木材和织物。这种穿透力，再加上亚毫米级衍射极??限，引起了人们对其在安检成像、无损检查和质量控制等应用领域的兴趣。??太赫兹波的第二个重要特性是它们在一系列有机和无机材料中激发振动模??式的能力，可以根据材料的化学成分和晶体结构来区分样品，推动了太赫兹成像??技术在化学药品（包括非法药物
射线弱约六个数量级，因此可以保证对活组织没有危害。??不过，太赫兹波在应用中也存在一些限制，例如金属和水是两类可以阻止太??赫兹波通过的材料，任何厚度超过几微米的金属层都能完全反射入射的太赫兹??波。液态水和所有湿物质，包括大多数生物组织，都具有很强的吸收系数，比可??见光范围的吸收系数高约六个数量级。尽管实验上观测到了可通过高达２?ｃｍ水??层传输的太赫兹波，但对于医疗应用而言仍然不足。不过这种在生物组织中的强??吸收在农业中有应用前景，可以对植物水含量进行精确，无创的测量［２］。图１．２是??使用太赫兹波进行透射成像的演示，由于水对太赫兹波有较大的吸收系数，拍摄??活蜥蜴的透射图像较为困难，但是可以测量新鲜叶片中的水分。??Ｗ?（６）??图１．２水对太赫兹波的吸收演示１３１??如今，太赫兹波源和检测手段取得了长足的进步，太赫兹波被广泛应用于信??息和通信技术１４，５１、生物医学［６，７１、材料无损检测＆１（）１、食品和农产品的质量控??制ｎｕ２ｉ、环境监测ｉｂｉ以及超快速计算等越来越广泛的领域中。??２??
?第１章绪论???ｂｅａｍ?ｅｐｉｔａｘｙ，?ＭＢＥ）技术生长，激发波长为４．３＾ｍ的量子级联激光器的导带能级??示意图［３１］。??＾?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??ｕｕ?ｉｔｌｎ??￣Ａｔｆｉｖｅ￣Ｉ?ＤｖｔａＪＴｙ?Ｉ?＾??ｒｅｇｉｏｎ?ｇｒａｄｅｄ?Ｂｌｌｏｙ?■一?？?ｌｒ－???－ＴＴ—■－??图１．３量子级联激光器能带示意图？??ＱＣＬｓ具有包含２０？３０个有源区和注入区的级联结构，图示了其中两个重??复的周期。通过求解薛定谔方程，可以得出所有能级的波函数。图中仅绘制了任??一重复周期的前三个束缚态，注入区用虚线表示。在图１．３的例子中，有源区量??子阱厚度为６．０ｎｍ和４．７ｎｍ，中间势垒的厚度为１．６ｎｍ，这种设计决定了?３能级??和２能级的能量差为２０７?ｍｅＶ（对应于６．０ｐｍ的波长），２能级和１能级的能量差为??３７ｍｅＶ，这非常接近ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ有源区材料的纵光学声子的能量。在适当的??偏压下，电子从注入区隧穿到３能级（上辐射态），电子从该能级散射到较低的能??级２和１，并发出纵光学声子（ＬＯ）。根据Ｆｒｏｅｈｌｉｃｈ相互作用模型，各能级的散??射时间为ｔ３２?＝?２．２?ｐｓ，ｔ３ｉ?＝?２．１?ｐｓ，?ｔ２ｉ?＝?０．３?ｐｓ，共振声子设计保证了?２能级到??１能级的散射时间非常短。通过从前一个注入区隧穿的电子，仅需足够快地注入??到３能级，通过隧穿从２能级离开，并迅速从１能级到达到注入区，在外部偏压??下再次获得能量，并注入到下一周期的有源区，从而可以实现级联发光［３２＿３４］。??子带间跃迁有几个关键优势，首先，基于分子束外延技术（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍ
【参考文献】
本文编号：2888512
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN248
【部分图文】：
?第１章绪论???第１章绪论??１．１太赫兹波简介??太赫兹（ＴＨｚ）波是介于红外和微波之间，波长为３０？３００（Ｖｍ，频率为０．１？??１０?ＴＨｚ的电磁波。传统电子学器件大多工作于ＧＨｚ及更低的频段，光学器件大??多工作在几十太赫兹以上的高频段。以半导体器件为例，如图１．１所示，基于电??子输运的晶体管和其他量子器件的频率限制约为５０?ＧＨｚ，高于此频率的器件效??率会大幅降低；另一方面，半导体激光器的波长仅可以扩展到１０＂?ｍ?（约为３０??ＴＨＺ）。因此，太赫兹波在电磁波频谱中的地位十分特殊，晶体管和传统的半导体??ＩＲ?＾?Ｖｉｓｉｂｌｅ；＾??图１．１太赫兹间隙示意图１１１??激光器无法产生０．３?ＴＨｚ到３０?ＴＨｚ频率范围的电磁波，电能不能有效地转换为??电磁辐射，即存在所谓的太赫兹间隙。除了太赫兹源的缺乏，在过去很长的一段??时间里，其它诸如太赫兹探测器、调制器等基础器件也处于欠发展状态，因此，??与红外、毫米波、可见光等波段相比，太赫兹技术研究和应用相对落后。??在过去的二十年中，高性能紧凑型的太赫兹源和检测器不断出现，推动了太??赫兹技术的深入研究，太赫兹波的独特性质被逐渐揭示出来。首先，太赫兹辐射??能够穿透许多通常在可见／红外频率下是不透明的非极性和非金属的材料，这些??材料包括塑料、纸张、陶瓷、木材和织物。这种穿透力，再加上亚毫米级衍射极??限，引起了人们对其在安检成像、无损检查和质量控制等应用领域的兴趣。??太赫兹波的第二个重要特性是它们在一系列有机和无机材料中激发振动模??式的能力，可以根据材料的化学成分和晶体结构来区分样品，推动了太赫兹成像??技术在化学药品（包括非法药物
射线弱约六个数量级，因此可以保证对活组织没有危害。??不过，太赫兹波在应用中也存在一些限制，例如金属和水是两类可以阻止太??赫兹波通过的材料，任何厚度超过几微米的金属层都能完全反射入射的太赫兹??波。液态水和所有湿物质，包括大多数生物组织，都具有很强的吸收系数，比可??见光范围的吸收系数高约六个数量级。尽管实验上观测到了可通过高达２?ｃｍ水??层传输的太赫兹波，但对于医疗应用而言仍然不足。不过这种在生物组织中的强??吸收在农业中有应用前景，可以对植物水含量进行精确，无创的测量［２］。图１．２是??使用太赫兹波进行透射成像的演示，由于水对太赫兹波有较大的吸收系数，拍摄??活蜥蜴的透射图像较为困难，但是可以测量新鲜叶片中的水分。??Ｗ?（６）??图１．２水对太赫兹波的吸收演示１３１??如今，太赫兹波源和检测手段取得了长足的进步，太赫兹波被广泛应用于信??息和通信技术１４，５１、生物医学［６，７１、材料无损检测＆１（）１、食品和农产品的质量控??制ｎｕ２ｉ、环境监测ｉｂｉ以及超快速计算等越来越广泛的领域中。??２??
?第１章绪论???ｂｅａｍ?ｅｐｉｔａｘｙ，?ＭＢＥ）技术生长，激发波长为４．３＾ｍ的量子级联激光器的导带能级??示意图［３１］。??＾?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??ｕｕ?ｉｔｌｎ??￣Ａｔｆｉｖｅ￣Ｉ?ＤｖｔａＪＴｙ?Ｉ?＾??ｒｅｇｉｏｎ?ｇｒａｄｅｄ?Ｂｌｌｏｙ?■一?？?ｌｒ－???－ＴＴ—■－??图１．３量子级联激光器能带示意图？??ＱＣＬｓ具有包含２０？３０个有源区和注入区的级联结构，图示了其中两个重??复的周期。通过求解薛定谔方程，可以得出所有能级的波函数。图中仅绘制了任??一重复周期的前三个束缚态，注入区用虚线表示。在图１．３的例子中，有源区量??子阱厚度为６．０ｎｍ和４．７ｎｍ，中间势垒的厚度为１．６ｎｍ，这种设计决定了?３能级??和２能级的能量差为２０７?ｍｅＶ（对应于６．０ｐｍ的波长），２能级和１能级的能量差为??３７ｍｅＶ，这非常接近ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ有源区材料的纵光学声子的能量。在适当的??偏压下，电子从注入区隧穿到３能级（上辐射态），电子从该能级散射到较低的能??级２和１，并发出纵光学声子（ＬＯ）。根据Ｆｒｏｅｈｌｉｃｈ相互作用模型，各能级的散??射时间为ｔ３２?＝?２．２?ｐｓ，ｔ３ｉ?＝?２．１?ｐｓ，?ｔ２ｉ?＝?０．３?ｐｓ，共振声子设计保证了?２能级到??１能级的散射时间非常短。通过从前一个注入区隧穿的电子，仅需足够快地注入??到３能级，通过隧穿从２能级离开，并迅速从１能级到达到注入区，在外部偏压??下再次获得能量，并注入到下一周期的有源区，从而可以实现级联发光［３２＿３４］。??子带间跃迁有几个关键优势，首先，基于分子束外延技术（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍ
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 顾立;谭智勇;武庆钊;王长;曹俊诚;;20 Mbps wireless communication demonstration using terahertz quantum devices[J];Chinese Optics Letters;2015年08期
相关硕士学位论文 前1条
1 李玉梅;GaN基太赫兹耿氏二极管结构及工艺研究[D];西安电子科技大学;2018年
本文编号：2888512
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