强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。
本期“档案”大揭秘
项目名称：高性能太赫兹量子级联激光器及仪器关键技术
完成单位：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
完成人：曹俊诚 等
奖励等级：技术发明一等奖
在“奇光异彩”的电磁波谱中，有这么一段区域，它位于看不见的红外光与微波之间，是电磁波研究的最后一块处女地，它就是太赫兹频段，俗称“太赫兹空隙（Terahertz Gap）”。该频段具有丰富的战略频谱资源、独特的指纹谱和良好的穿透性等特点，是各国争相抢占的电磁波普频段。太赫兹辐射与物质相互作用所呈现出的丰富物理内涵和应用潜力，也引起了科学家们极大的兴趣。“太赫兹技术”也被美国麻省理工学院誉为“改变未来世界的十大技术之一”。
多年来，由于缺乏高品质的太赫兹辐射源，该频段的应用进展缓慢，且绝大多数仪器设备严重依赖进口，国产仪器的研发迫在眉睫。由于太赫兹光的光子能量很小，是可见光光子能量的千分之一、X光光子能量的百万分之一，无法用传统的半导体体材料来实现该频段的激光。随着能带工程和半导体材料技术的发展，科学家采用多周期半导体薄层结构实现了太赫兹频段的紧凑型激光器，即太赫兹量子级联激光器。不过，由于多周期半导体薄层的制备难度极大，该技术自实现以来，一直被国外垄断，解决上述激光器的国产自主可控问题成了当时我国太赫兹领域发展亟需解决的重大难题。研究团队针对太赫兹频段缺乏高品质激光源和国产仪器的痛点，系统开展了太赫兹紧凑型激光源的研制及应用开发，从最难的多周期半导体薄层结构和材料制备进行突破，发明了一系列具有自主知识产权的太赫兹激光器研制、激光探测及太赫兹成像仪器的关键技术，在激光器光束发散角、有效输出功率以及激光源模块综合性能等方面达到了国际先进水平。
01 强化理论 结构创新
太赫兹半导体激光器的有源区是器件的核心组成部分，由上千层半导体薄层组成，其能带结构的设计和模拟非常复杂。有源区结构设计的好坏，直接关系到激光器能否实现激射以及工作温度和输出功率等性能，因此激光器的结构设计和优化是关键。
研究团队抓住激光器工作时导带电子起主要作用的特点，充分发挥团队在太赫兹物理方面的优势，专注于研究激光器内部电子的输运和散射机制，独立发展了基于蒙特-卡洛方法的太赫兹半导体激光器模拟方法，提出了高工作温度激光器有源区结构。通过单声子阱的创新设计，延长了上能级的电子寿命，提高了有源区的注入效率和抽取效率；同时优化设计共振隧穿参数，抑制电子反注入，进一步降低高温下激光器的开启电流，使得该结构的激光器最高工作温度进入热电致冷温区，极大方便了使用环境。高工作温度性能为实现更大功率的太赫兹半导体激光器奠定了重要基础。
02 突破材料 性能提升
除了激光器有源区结构的精确设计和优化之外，有源区材料的生长也至关重要。材料生长质量的好坏，直接决定了器件工作性能的优劣。为了突破高性能太赫兹半导体激光器的材料生长技术，研究团队在原子级精度的分子束外延生长系统上，充分发挥人才的专业优势，开展了材料优化生长研究，重点优化了生长材料所需元素源的参数（束流、生长速度、掺杂浓度等）和生长条件（真空度、生长温度等）。基于束流自动修正技术，在多手段在线监测技术的辅助下，获得了高质量材料生长的各项条件。
同时，针对生长系统稳定性要求，研究团队从生长流程软件的控制步骤到每一步生长过程易出现的问题，逐一排查、优化。由于上千层半导体薄层的原子级精度生长耗时费力，加上系统预处理过程，单次生长的时间经常超过12小时，为了能获得优异的材料，研究团队加班加点，最终突破了大功率太赫兹半导体激光器的材料生长与制备。研究团队针对太赫兹半导体激光器光束发散难题，采用集成的超半球耦合技术，大幅降低了激光的光束发散角，再加上器件材料设计与制备方面的突破，激光器有效输出功率提高了两个数量级。
此外，在频率匹配的太赫兹半导体探测器设计方面，团队提出了多周期砷化镓量子阱双层结构与发光二极管（LED）体材料集成的新方法，采用精确控制铝元素的生长状态和束流，突破了超低铝组分太赫兹半导体量子阱探测器的材料制备，在国际上率先研制了太赫兹频段到近红外频段的频率上转换探测器件，器件性能达到国际先进水平。
03 模块优化 实现应用
在太赫兹频段，紧凑型激光源是一种不可或缺的研究工具。针对太赫兹探测与成像等领域的应用需求，研究团队利用中心对称原理，发明了基于Z形热沉片的激光器耦合结构，实现了双反射镜集成装配结构，将激光器两个端面的光束高效耦合输出，提高了模块化太赫兹光源的有效输出功率。在小型电制冷技术的助力下，大幅降低了激光模块的体积和重量，提升了太赫兹半导体激光源的便携性和应用优势。
此外，为了实现性能优异的太赫兹频率上转换成像芯片，研究团队重点突破了量子阱材料与体材料集成均匀性难题，大幅降低了太赫兹探测产生光电流驱动LED发光成像时的电流聚集效应，实现了单帧成像时长小于1微秒（相当于百万帧每秒）的太赫兹阵列成像。
针对危险品的检测与识别难题，研究团队解决了太赫兹光匀束问题，研制出太赫兹实时成像仪，有效促进了对毒品和爆炸物等多种危险品的分析与识别。经过多年的推广应用，团队研发的太赫兹半导体激光器芯片、模块化光源、频率匹配的快速探测模块以及成像系统，在16家单位获得应用。研制的模块化太赫兹器件成功应用于太赫兹混频探测本振源、自由电子激光大科学装置的太赫兹辐射检测等。大幅提升了我国在太赫兹技术领域的国内外地位，为我国抢占太赫兹频段的频谱资源奠定了重要基础。
供稿来源：上海市科学技术奖励中心
供稿：曹俊诚
编辑：拾
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