一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器

本发明属于半导体激光器，涉及一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器。

背景技术：

1、矢量光束具有丰富的空间自由度，在光交互、光通信和光成像等方面有着广泛的应用。柱矢量光束作为一种特殊的矢量光束，具有空心形状圆对称的光场分布，两个特殊的例子为径向偏振和切向偏振柱矢量光束。随着人们在通信、成像等方面日渐增长的需求，有许多报道的结果采用无源分立元件通过级联产生矢量光束(naidoo,darryl,et al.naturephotonics 10.5(2016):327-332.，cai,xinlun,et al.science 338.6105(2012):363-366.等)。但是，随着现代信息技术的发展，光学系统越来越要求光电器件小型化、低功耗和稳定性。

2、最近，在可见光、近红外波段，有报道通过在芯片上集成的方式产生矢量光束，而不依赖外部光学元件。比如光泵浦的片上近红外光通信波段的矢量光束半导体激光器(miao,pei,et al.science 353.6298(2016):464-467.)，电泵浦的径向偏振矢量光束激光器(zhang,juan,et al.nature communications 9.1(2018):2652.)等。在太赫兹波段，elvis 利用角向分布反馈光栅产生了矢量光束(elvis,et al.appliedphysics letters 95.1(2009):011120.)。wang qijie研究组试图通过二阶同心圆分布反馈光栅产生矢量光束(liang,guozhen,et al.acs photonics 2.11(2015):1559-1566.，liang,guozhen,et al.optics express21.26(2013):31872-31882.)，不过在实验中并未成功观测到中空圆对称的光场分布，原因在于其激光器谐振腔不能很好的区分基模与二阶角向模式。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术，本发明提出了一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，通过将一阶同心圆金属掩埋光栅与二阶同心圆金属-空气光栅结合，作为一种新的方法能够片上集成的获得垂直面出射的径向偏振柱矢量光束。

2、所述一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器其结构从下至上依次为：衬底层1，下电极层2和有源区层3。有源区层3上有位于中心的圆形第一上电极层5，围绕着第一上电极层5圆环状的第二上电极层2和围绕着第二电极层2圆环状的吸收边界层4。

3、所述有源区层3与第一上电极层5交界处上表面腐蚀圆环状凹槽，第一上电极层5填充腐蚀的凹槽形成一阶同心圆金属掩埋光栅，其中第一上电极层5厚度与凹槽深度相等。

4、所述一阶同心圆金属掩埋光栅与第二上电极层6的二阶同心圆金属-空气光栅结构的圆心对齐。

5、所述下电极层2为ti和au复合材料层，ti的厚度为10nm–20nm，au的厚度为0.8μm-1μm，其中ti在au上。

6、所述第一上电极层5为圆形状的ti和au复合材料层，ti的厚度为10nm–20nm，au的厚度为1.5μm–2.5μm，其中ti在au下，圆半径大小为80μm–130μm。

7、所述一阶同心圆金属掩埋光栅沿半径方向的周期为工作频率下光在介质中波长的1/2，对应周期为12.1μm；光栅最中心圆环的半径为光栅周期的3/4，对应半径为9μm；光栅占空比为50％，光栅周期个数为6–10，光栅深度为1.5μm–2.5μm。

8、所述第二上电极层6为圆环状ti和au复合材料层，ti的厚度为10nm–20nm，au的厚度为0.8μm–1μm，其中ti在au下，圆环沿半径方向大小为150μm–250μm。所述第二上电极层6的结构为二阶同心圆金属-空气光栅。所述二阶同心圆金属-空气光栅沿半径方向的周期为工作频率下光在介质中的一个波长，对应周期为24.2μm，周期个数为6-10，占空比为50％。

9、所述吸收边界层4为圆环状n型重掺杂的gaas材料层，材料的掺杂浓度为1018cm-3，材料厚度为0.6μm，圆环沿半径方向大小为200μm–300μm。

10、本发明能够通过电泵浦直接片上集成的获得垂直面发射的径向偏振的柱矢量光束，光束呈现环状远场光斑，偏振特性为沿圆环半径方向偏振，具有集成度高、稳定性高、激发效率高等优点。

技术特征：

1.一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，包括衬底层(1)，下电极层(2)和有源区层(3)；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述下电极层(2)为ti和au复合材料层，ti的厚度为10nm–20nm，au的厚度为0.8μm-1μm，其中ti在au上。

3.根据权利要求1所述的一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述第一上电极层(5)为圆形状的ti和au复合材料层，ti的厚度为10nm–20nm，au的厚度为1.5μm–2.5μm，其中ti在au下，圆半径大小为80μm–130μm。

4.根据权利要求1所述的一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述一阶同心圆金属掩埋光栅沿半径方向的周期为工作频率下光在介质中波长的1/2，对应周期为12.1μm；光栅最中心圆环的半径为光栅周期的3/4，对应半径为9μm；光栅占空比为50％，光栅周期个数为6–10，光栅深度为1.5μm–2.5μm。

5.根据权利要求1所述的一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述第二上电极层(6)为圆环状ti和au复合材料层，ti的厚度为10nm–20nm，au的厚度为0.8μm–1μm，其中ti在au下，圆环沿半径方向大小为150μm–250μm。所述第二上电极层(6)的结构为二阶同心圆金属-空气光栅；所述二阶同心圆金属-空气光栅沿半径方向的周期为工作频率下光在介质中的一个波长，对应周期为24.2μm，周期个数为6-10，占空比为50％。

6.根据权利要求1所述的一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述吸收边界层(4)为圆环状n型重掺杂的gaas材料层，材料的掺杂浓度为1018cm-3，材料厚度为0.6μm，圆环沿半径方向大小为200μm–300μm。

技术总结
本发明涉及一种产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器，结构从下至上依次为，衬底层，下电极层和有源区层。有源区层上有位于中心的圆形第一上电极层，围绕着第一上电极层的圆环状第二上电极层和围绕着第二上电极层的圆环状吸收边界层。所述有源区层与第一上电极层交界处结构为一阶同心圆金属掩埋光栅，第二上电极层的结构为二阶同心圆金属‑空气光栅。一阶同心圆金属掩埋光栅与二阶同心圆金属‑空气光栅的圆心重合。一阶同心圆金属掩埋光栅激射角向基模，在波导内产生各向同性的柱面波辐射；二阶同心圆金属‑空气光栅将波导内光耦合为垂直面发射的径向偏振柱矢量光束。最终本发明器件可以单片集成的获得径向偏振的柱矢量光束。

技术研发人员：徐刚毅,刘国文,王凯,甘良华,白弘宙,谭诚,臧善志,严川峰,林春,何力,丁瑞军
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13