脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置及方法，该装置包括光源部分、光路部分和探测部分；太赫兹量子级联激光器发出的太赫兹光通过该测量装置抵达太赫兹量子阱探测器，接收并产生相应的电流信号；信号处理电路将该电流信号提取为电压信号并放大，输入示波器中读取和显示，根据太赫兹量子阱探测器在激光器激射频率处的响应率，通过计算完成对脉冲激射型太赫兹量子级联激光器输出功率的测量。本发明避免了采用热探测器测量脉冲工作模式下太赫兹量子级联激光器输出功率时的积分估算，可直接根据探测器响应脉冲信号的幅度得到激光器输出的脉冲功率值。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，涉及一种脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装 置及方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)频段是介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的一段电 磁波区域，其频率范围为100GHz-10THz。随着光子学和纳米技术领域的不断革新，THz波 在信息通信技术、国家安全、生物医学、无损检测、食品和农产品的质量控制、全球性环境 监测等方面取得了较快发展，并被认为在上述领域中具有重大的应用前景和应用价值。近年 来，THz领域发展迅速，作为THz频段重要辐射源的太赫兹量子级联激光器(Terahertz Quantum  Cascade Laser，THz QCL)得到了广泛而深入的研究，并取得了重要的进展。THz QCL具有 能量转换效率高、响应速度快、体积小、易集成以及使用寿命长等特点。到目前为止，脉冲 工作模式下THz QCL的最高工作温度为186K，在最优的工作条件下器件的最高输出功率可 达248mW；通过器件有源区结构的改进，目前脉冲工作模式下THz QCL的工作温度已经达 到(其中ω为激光器的激射频率)，并有望进一步改进结构使器件实现室温激射； 在激射频率方面，目前THz QCL的最低工作频率为1.2THz，在磁场辅助下可达0.68THz。 随着上述器件工作性能的快速发展，上述器件的应用也倍受关注。目前THz QCLs已经成功 应用于外差接收的局域振荡源、THz无线通信、THz实时成像等THz应用技术中。而脉冲工 作模式下的THz QCL，由于其所需制冷量小，单个脉冲的峰值功率比连续工作模式器件的输 出功率值大很多，使其在THz探测与成像应用中更具优势。

输出功率是器件应用的重要性能指标，器件输出功率的大小直接决定了其应用领域和范 围。因此，如何精确地测量出器件的有效输出功率是器件应用过程的关键环节。由于脉冲激 射型太赫兹量子级联激光器输出激光的重复频率通常为2kHz(对应为0.5ms)左右，而普通 热探测器(如Golay Cell)的时间常数通常为20ms左右，因此采用普通的热探测器来测量脉 冲激射型太赫兹量子级联激光器输出激光的功率很难实现。目前，国际上对脉冲激射型太赫 兹量子级联激光器输出功率的测量主要采用液氦杜瓦冷却的bolometer探测器，通过对单个 THz脉冲照射在探测器敏感面上产生的热响应波形进行积分，估算出单个THz脉冲的能量， 进而得到单个THz脉冲的峰值功率。太赫兹量子阱探测器(terahertz quantum-well photodetector， THz QWP)是一种与THz QCL工作频率范围非常匹配的半导体探测器，器件对可探测范围内 的THz光的响应速率可达GHz量级(ns量级)，因此采用THz QWP测量脉冲激射型THz QCL 的输出功率时不需要上述积分过程，可直接根据THz QWP对脉冲THz光的响应信号幅度及 其在THz QCL激射频率处的响应率，得到THz QCL输出的脉冲THz光的峰值功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量 方法，该测量方法可以非常直观地得到激光器激射脉冲的峰值功率，避免了传统测量方法中 通过积分计算来估算激射脉冲峰值功率的步骤；

此外，本发明还提供一种脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，包括光源部分、光路部分和探 测部分；

所述光源部分包括第一冷头、安装于所述第一冷头内的第一热沉、安装于第一热沉上的 太赫兹量子级联激光器、与所述太赫兹量子级联激光器连接的脉冲电源、安装于第一冷头上 的第一聚乙烯窗片；其中，所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹光通过第一聚乙烯窗 片射出；

所述光路部分包括第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜；所述第一离轴抛物镜收集经所述 第一聚乙烯窗片射出的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛 物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射过来的太赫兹光，并使该太赫兹光反射至所述探测部分；

所述探测部分包括第二冷头、安装于第二冷头上的第二聚乙烯窗片、安装于第二冷头内 的第二热沉、安装于第二热沉上的太赫兹量子阱探测器、与所述太赫兹量子阱探测器连接的 信号处理电路以及与所述信号处理电路连接的示波器；其中，所述第二聚乙烯窗片使所述第 二离轴抛物镜反射过来的太赫兹光进入所述第二冷头内，并到达所述太赫兹量子阱探测器的 敏感面上；所述太赫兹量子阱探测器用以接收所述第二离轴抛物镜反射过来的太赫兹光，并 产生相应的电流信号；所述信号处理电路将所述电流信号提取为电压信号，并进行放大；所 述示波器用以对所述信号处理电路放大后的电压信号进行读取和显示，得到所述电压信号的 幅度。

作为本发明的一种优选方案，所述太赫兹量子阱探测器为光电导型低维半导体探测器， 其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs层和AlGaAs层的方式形成。

作为本发明的再一种优选方案，所述太赫兹量子阱探测器的有源区包括23个周期结构， 每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层各一层。

作为本发明的再一种优选方案，所述太赫兹量子阱探测器的峰值探测频率为3.2THz，主 要探测频率范围为3.0-5.3THz，其中主要探测频率范围是指其响应幅度≥峰值响应幅度40％的 频率范围。

作为本发明的另一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率范围为4.02-4.13 THz。

作为本发明的再一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的有源区是通过在半绝缘 GaAs衬底上交替生长GaAs层和AlGaAs层的方式形成的。

作为本发明的再一种优选方案，所述太赫兹量子级联激光器的有源区为四阱共振声子结 构，其包括178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.15Ga_0.85As层各四 层。

作为本发明的再一种优选方案，所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均采用高强度聚 乙烯材料。

作为本发明的再一种优选方案，所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均通过将灌制的 高强度聚乙烯圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成。

作为本发明的再一种优选方案，所述第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜的反射面均为镀 金离轴抛物面。

作为本发明的再一种优选方案，所述脉冲电源为可编程脉冲式电源，包括正偏压和反偏压 两种供电模式，所述脉冲电源的可输出电流范围为0-5A，脉宽调节范围为50ns-5μs，输出 脉冲重复频率范围为1-10kHz，脉冲的最大占空比为1％。

作为本发明的再一种优选方案，所述信号处理电路包括电压放大器一个，供电电池一节， 分压电阻一个，电路连接线若干，其中，供电电池、分压电阻与太赫兹量子阱探测器串联为 闭合回路，并采用电压放大器提取分压电阻两端的电压。

作为本发明的再一种优选方案，所述示波器为数字示波器，包括4个可测量通道；所述示 波器的测量带宽为500MHz，采样速率为4Gsa/s，存储深度为8Mpts。

一种基于上述功率测量装置的脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量方法，包括 以下步骤：

步骤一，采用脉冲电源给太赫兹量子级联激光器施加一个周期性的脉冲驱动电压，使其 辐射出周期性的脉冲太赫兹光，所述周期性的脉冲太赫兹光经过第一聚乙烯窗片后到达第一 离轴抛物镜上；

步骤二，所述第一离轴抛物镜接收经所述第一聚乙烯窗片射出的周期性脉冲太赫兹光， 并使该周期性脉冲太赫兹光反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离 轴抛物镜反射过来的周期性脉冲太赫兹光，并使该周期性脉冲太赫兹光反射至所述探测部 分，经所述第二离轴抛物镜反射过来的周期性脉冲太赫兹光透过所述探测部分的第二聚乙烯 窗片后到达所述第二热沉上的太赫兹量子阱探测器的敏感面上；

步骤三，所述探测部分的太赫兹量子阱探测器对入射的周期性脉冲太赫兹光响应后产生 相应的周期性脉冲电流信号，采用所述信号处理电路将所述电流信号提取为电压信号，并将 所述电压信号放大后输入所述示波器中，所述示波器对所述电压信号进行读取和显示，得到 所述电压信号的幅度，该电压信号幅度的大小反映了太赫兹量子阱探测器对太赫兹光响应的 强弱；

步骤四，根据所述示波器中显示的电压信号幅度和太赫兹量子阱探测器在太赫兹量子级 联激光器激射频率处的响应率，计算得到到达太赫兹量子阱探测器敏感面的太赫兹光功率， 再根据整个测量装置的收集效率计算出太赫兹量子级联激光器从所述第一聚乙烯窗片处辐 射出的太赫兹光功率，进而完成对脉冲激射型太赫兹量子级联激光器输出功率的测量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用了工作频率范围与太赫兹量子级联激光器激射频率范围相匹配的太赫兹 量子阱探测器作为接收端，对脉冲太赫兹光的探测效果非常良好；

(2)太赫兹量子阱探测器对太赫兹光具有快速的响应能力，可以很好地将脉冲太赫兹光 信号转换成对应的脉冲电信号，再通过信号处理电路和示波器可以很好地得到脉冲电信号的 幅度，进而可以很直观地得到激光器激射脉冲的峰值功率，避免了传统方法中采用的积分估 算过程；

(3)本发明所述的脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置在太赫兹频段有很 好的反射(或透射)特性，可以使测量装置达到尽可能大的太赫兹光收集效率。

附图说明

图1为本发明所述的脉冲激射型太赫兹量子级联激光器功率测量装置的结构示意图；

图2为厚度分别为1.8mm和5.0mm的聚乙烯窗片在2.0-6.0THz光频段的透射谱测量结 果；

图3为大气在3.0-5.0THz光频段的透射谱测量与推算结果；

图4为太赫兹量子阱探测器的光响应谱与太赫兹量子级联激光器激光发射谱的对比图；

图5为采用示波器读取的太赫兹量子级联激光器外加脉冲偏压信号波形和太赫兹量子阱 探测器对脉冲太赫兹光响应信号波形的对比图，其中插图为方框范围内的局部放大图。

主要组件符号说明：

A、光源部分；        B、光路部分；

C、探测部分；        1、脉冲电源

2、第一冷头；        3、第一热沉；

4、第一聚乙烯窗片；  5、第一离轴抛物镜；

6、第二离轴抛物镜；  7、第二冷头；

8、第二聚乙烯窗片；  9、第二热沉

10、信号处理电路；   11、示波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明公开了一种测量脉冲激射型太赫兹量子级联激光器输出激光功率的装置及其功率 测量方法，其包括：光源部分(脉冲电源、第一冷头、安装于第一冷头内的第一热沉、安装 于第一热沉上的太赫兹量子级联激光器、安装于第一冷头上的第一聚乙烯窗片)、光路部分 (两个离轴抛物镜和大气)和探测部分(第二冷头、安装于第二冷头上的第二聚乙烯窗片、 安装于第二冷头内的第二热沉、安装于第二热沉上的太赫兹量子阱探测器、信号处理电路和 示波器)。本发明的优点在于：采用了具有快速响应能力、工作频率范围与太赫兹量子级联 激光器激射频率范围相匹配的太赫兹量子阱探测器作为接收端，可以很好地将脉冲太赫兹光 信号转换成对应的脉冲电信号，再通过信号处理电路和示波器很好地得到脉冲电信号的幅度， 进而可以很直观地得到太赫兹量子级联激光器激射脉冲的峰值功率，避免了传统方法中采用 的积分估算过程。

实施例一

本实施例提供一种脉冲激射型太赫兹量子级联激光器的功率测量装置，如图1所示。

该装置包括光源部分A、光路部分B和探测部分C。

【光源部分A】

光源部分A包括：脉冲电源1、第一冷头2、安装于所述第一冷头2内的第一热沉3、安 装于第一热沉3上的太赫兹量子级联激光器，以及第一聚乙烯窗片4；所述第一聚乙烯窗片4 安装于所述第一冷头2上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹光通过第一聚乙烯窗 片4射出。

其中，所述脉冲电源1为可编程脉冲式电源，包括正偏压和反偏压两种供电模式，所述 脉冲电源1的可输出电流范围为0-5A，脉宽调节范围为50ns-5μs，输出脉冲重复频率范围 为1-10kHz，脉冲的最大占空比为1％。所述的第一热沉3为铜质材料，在低温技术领域常作 为微型器件的导热体。所述太赫兹量子级联激光器的有源区为“四阱共振声子”结构，通过分子 束外延方法在半绝缘的GaAs衬底上交替生长GaAs层和Al_0.15Ga_0.85As层的方式形成，有源区 总共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.15Ga_0.85As层各四层， 器件尺寸为1mm×40μm(长×宽)，可激射频率范围为4.02-4.13THz，本实施例中激光器的 激射频率优选为4.13THz，器件工作时的温度为10K。提供低温环境的第一冷头2为闭循环 机械制冷系统的一部分，其最低温度可以达到9K；第一聚乙烯窗片4为高强度聚乙烯(HDPE) 材料，窗片通过对灌制的HDPE圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成，窗片直径为60mm， 厚度为5.0mm，其对4.13THz电磁波的透过率为56％，如图2所示。

【光路部分B】

光路部分B包括：第一离轴抛物镜5和第二离轴抛物镜6以及太赫兹光所经过的大气； 所述第一离轴抛物镜5接收经所述第一聚乙烯窗片4射出的太赫兹光，并使该太赫兹光反射 至第二离轴抛物镜6；所述第二离轴抛物镜6接收经所述第一离轴抛物镜5反射过来的太赫兹 光，并使该太赫兹光反射至所述探测部分C。

其中，第一离轴抛物镜5和第二离轴抛物镜6的焦距均为101.6mm，反射面均为镀金离 轴抛物面，其对4.13THz电磁波的反射率均为98％；上述太赫兹光所经过的大气距离为1000 mm，根据相同相对湿度(RH47％)下对1480mm厚度大气透过率(T)的测量结果，以及透 过率与介质厚度(L)的关系(T∝e^-αL，α为吸收系数)，计算得到1000mm厚度的大气对4.13 THz电磁波的透过率为63％，如图3所示。

【探测部分C】

探测部分C包括：第二冷头7、安装于第二冷头7上的第二聚乙烯窗片8、安装于第二冷 头7内的第二热沉9、安装于第二热沉9上的太赫兹量子阱探测器、信号处理电路10和示波 器11；经所述第二离轴抛物镜6反射的太赫兹光透过所述第二聚乙烯窗片8后会聚于所述第 二热沉9上的太赫兹量子阱探测器的敏感面上，太赫兹量子阱探测器对太赫兹光进行快速响 应后产生相应的电流信号，所述信号处理电路10将所述电流信号提取为电压信号，并将所述 电压信号放大后输入所述示波器11，所述示波器11对该电压信号进行读取和显示后可得到该 电压信号的幅度，该电压信号幅度的大小反映了太赫兹量子阱探测器对太赫兹光响应的强弱。

其中，所述的第二热沉9为铜质材料，在低温技术领域常作为微型器件的导热体。所述 太赫兹量子阱探测器为光电导型低维半导体探测器，其有源区采用分子束外延方法在半绝缘 的GaAs衬底上交替生长GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层而形成，有源区总共有23个周期结构， 每个周期结构内包含交替生长的GaAs层和Al_0.015Ga_0.985As层各一层，器件尺寸为800μm×800 μm(长×宽)，器件的峰值探测频率为3.2THz，主要探测频率范围(响应幅度≥峰值响应幅度 的40％)为3.0-5.3THz，其在4.13THz处的响应幅度为峰值响应幅度的67％(见图4)，器件 的工作温度为4.2K，外加偏压为-48mV。提供低温环境的第二冷头7为闭循环机械制冷系统 的一部分，其最低温度可以达到3K；第二聚乙烯窗片8为高强度聚乙烯(HDPE)材料，窗 片通过对灌制的HDPE圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成，窗片直径为35mm，厚度为 1.8mm，其对4.13THz电磁波的透过率为75％(见图2)。所述信号处理电路10包括电压放 大器一个，供电电池一节，分压电阻一个，电路连接线若干。供电电池、分压电阻与太赫兹 量子阱探测器串联为闭合回路，并采用电压放大器提取分压电阻两端的电压。其中电压放大 器的耦合方式为直流耦合，放大倍数为2倍，所用供电电池为5号干电池，分压电阻的阻值 为5MΩ。所述示波器11为数字示波器，其主要参数为：4个可测量通道，500MHz测量带 宽，4Gsa/s采样速率以及标准的8Mpts存储深度。

本装置用于脉冲激射型太赫兹频段激光器输出功率的测量，具体为太赫兹量子级联激光 器输出功率的测量，测量装置中采用了对太赫兹光具有快速响应能力的太赫兹量子阱探测器 作为探测装置，采用了对太赫兹光吸收较弱的聚乙烯材料作为窗片，采用了对太赫兹光反射 率较高的镀金离轴抛物镜作为太赫兹光的收集和反射装置。

实施例二

本实施例描述的是实施例一所述的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一，采用脉冲电源给安装于光源部分的第一热沉上的太赫兹量子级联激光器施加幅 度为12.4V、周期为500μs(对应重复频率为2kHz)、脉冲宽度为5μs的电压脉冲信号后(见 图5，为使对比效果明显，图中激光器的驱动信号被归一化)，所述太赫兹量子级联激光器辐 射出周期为500μs(对应重复频率为2kHz)、脉冲宽度为5μs的脉冲太赫兹光(激光频率为 4.13THz)，脉冲太赫兹光经过第一聚乙烯窗片后到达第一离轴抛物镜上；

步骤二，所述第一离轴抛物镜接收经所述第一聚乙烯窗片射出的脉冲太赫兹光，并将该 脉冲太赫兹光反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射 过来的脉冲太赫兹光，并将该脉冲太赫兹光反射至所述探测部分；经所述第二离轴抛物镜反 射过来的脉冲太赫兹光透过所述第二聚乙烯窗片后到达探测部分的第二热沉上的太赫兹量子 阱探测器的敏感面上；

步骤三，所述探测部分的太赫兹量子阱探测器对所述第二离轴抛物镜反射过来的脉冲太 赫兹光进行快速响应后产生相应的脉冲电流信号，采用所述信号处理电路将所述脉冲电流信 号提取为脉冲电压信号(周期为500μs、脉冲宽度为5μs)，并将该脉冲电压信号放大后输 入所述示波器中进行读取和显示，显示结果如图5所示(为使对比效果明显，图中探测器的 响应信号被归一化)，所述示波器对该脉冲电压信号进行读取和显示后可得到该脉冲电压信 号的幅度，该脉冲电压信号幅度的大小反映了太赫兹量子阱探测器对脉冲太赫兹光响应的强 弱；

步骤四，根据所述示波器中显示的脉冲电压信号幅度和太赫兹量子阱探测器在太赫兹量 子级联激光器激射频率处的响应率，计算得到到达太赫兹量子阱探测器敏感面上的脉冲太赫 兹光的功率，再根据整个测量装置的收集效率计算出太赫兹量子级联激光器从所述第一聚乙 烯窗片处辐射出的脉冲太赫兹光的功率，进而完成对脉冲激射型太赫兹量子级联激光器输出 功率的测量。

其中，太赫兹量子阱探测器的响应率采用标准黑体辐射源来标定，当标准黑体辐射源照 射太赫兹量子阱探测器的敏感面时，探测器将产生光生电流，致使其电阻发生变化，由于加 在探测器和分压电阻两端的电压固定，此时分压电阻两端的电压发生改变，根据分压电阻两 端的电压变化值及其与太赫兹量子阱探测器的串联关系，可精确计算得到标准黑体辐射源照 射下探测器产生的光生电流，根据标准黑体辐射源的输出功率和探测器的光电流谱，可计算 得到探测器在其可探测频率范围内不同频率下的响应率，进而完成对太赫兹量子阱探测器响 应率的标定；整个测量装置的收集效率为所述太赫兹量子级联激光器激射频率下的太赫兹光 在整个测量装置中传输的通过率，即第一聚乙烯窗片对该太赫兹光的透过率、第二聚乙烯窗 片对该太赫兹光的透过率、第一离轴抛物镜对第一聚乙烯窗片处出射太赫兹光的收集效率、 第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜对该太赫兹光的反射效率、以及整个光路中的大气对该太 赫兹光的透过率的乘积。

实施例三

本实施例对实施例一所述的测量装置的收集效率进行了检测，需要检测的内容有五个部 分：

(1)第一冷头的第一聚乙烯窗片对4.13THz光的透过率；

(2)第二冷头的第二聚乙烯窗片对4.13THz光的透过率；

(3)第一离轴抛物镜对第一聚乙烯窗片处出射太赫兹光的收集效率；

(4)第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜对4.13THz光的反射效率；

(5)整个光路中的大气对4.13THz光的透过率。

以对4.13THz光的收集效率为例获得的实验测量结果如下：

(1)安装于第一冷头上的第一聚乙烯窗片的透过率为56％；

(2)安装于第二冷头上的第二聚乙烯窗片的透过率为75％；

(3)第一离轴抛物镜对4.13THz光的收集效率为10％；

(4)两个离轴抛物镜组合起来对4.13THz光的反射率为96％；

(5)整个光路部分(1000mm距离)对4.13THz光的透过率为63％；

因此，整个测量装置对4.13THz光的收集效率为2.54％。

此外，本实施例还提供了脉冲激射型太赫兹量子级联激光器出射功率的计算方法，该方 法的主要内容为：

首先，根据示波器中显示的与太赫兹量子阱探测器响应信号相对应的电压信号的幅度和 探测器在激光器激射频率处的响应率，计算得到到达太赫兹量子阱探测器敏感面上的脉冲太 赫兹光的光功率值；

然后，根据整个测量装置对太赫兹光的收集效率计算得到脉冲激射型太赫兹量子级联激 光器从第一冷头的第一聚乙烯窗片处出射的脉冲太赫兹光的光功率，从而得到了脉冲激射型 太赫兹量子级联激光器的输出功率。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所 披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和 等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特 征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来 实现。