本书聚焦半导体太赫兹量子级联激光器(THzQCL)，从基本原理出发，主要介绍有源区设计方法、微观电子输运与电磁场理论材料生长与器件制备、高性能THzQCL研制、THzQCL模式调控、THz

QCL光频梳及应用等。

本书由浅入深，分为概述篇(第1章~第2章)、基础篇(第3章~第5章)和专题篇(第6章~第10章)，可满足不同知识背景读者的阅读需求。本书可供半导体物理与器件、光电子、光学、电子信息等专业高年级本科生和研究生，以及从事太赫兹成像、通信等应用领域的工程技术人员学习和参考。

本书背景

太赫兹波通常指频率范围为100 GHz~10 THz（波长为3000μm~30μm）的电磁波。由于太赫兹波位于电子学与光子学之间，兼具微波与红外波的特性，例如对非金属及非极性材料具有较强穿透能力、光子能量低、高相干性以及覆盖部分物质特征吸收峰等，使其在光谱、成像和通信等领域展现出广阔的应用前景。太赫兹波可通过透射或反射获取材料内部结构信息，且其光子能量较低（数个meV），不易损伤被测样品，因此非常适用于无损检测与安全成像。在生物医学领域，太赫兹技术已被应用于医学检测、无标记基因检测及细胞成像；在工业和安防领域，可用于航天材料缺陷检测、隔墙探测、灾害搜救以及探地雷达等场景。此外，随着5G向6G演进，通信载波频率正逐步进入太赫兹波段，太赫兹技术也被视为未来超高速无线通信的重要支撑。鉴于太赫兹波在电磁波谱中的独特位置及其广泛的应用前景，美国、欧洲、日本等大力资助太赫兹研究，将太赫兹技术视为改变未来世界的十大技术之一（美国麻省理工学院技术评论）。

量子级联激光器是一种电泵浦的单极半导体器件，通过电子在子带间跃迁实现光受激放大。自1994年贝尔实验室研制出第一只在中红外波段激射的量子级联激光器以来，研究人员不断推动其向更低频率拓展。在2002年，意大利比萨高等师范学院研究团队首次实现了太赫兹波段量子级联激光器激射。作为太赫兹技术应用的核心器件，基于半导体的太赫兹量子级联激光器凭借其电泵浦驱动、宽频谱覆盖及大功率输出的特点，已成为1~5 THz频率范围内最高效的太赫兹辐射源之一。

半导体太赫兹量子级联激光器已经发展了二十余年，当前的研究重点主要涵盖有源区设计、微观电子输运与电磁场理论、材料生长与器件制备、高温工作、激光模式调控，以及光频梳及其应用等方面。本书是编著者长期从事半导体太赫兹量子级联激光器领域物理基础与前沿应用的研究成果凝练，并结合国内外最新进展，涵盖从基础理论到前沿技术、从器件制备到应用探索的全链条内容。

目录

第 1 章 太赫兹波与太赫兹辐射源

1.1 太赫兹波的性质与应用

1.2 基于电子学的太赫兹辐射源

1.3 基于光子学的太赫兹辐射源

参考文献

第 2 章 半导体太赫兹量子级联激光器概述

2.1 太赫兹量子级联激光器的发展历程

2.2 太赫兹量子级联激光器的基本原理

2.2.1 子带间跃迁

2.2.2 级联子带跃迁

2.2.3 激光器有源区结构设计

2.2.4 波导设计

2.3 太赫兹量子级联激光器的理论与实验方法

2.4 太赫兹量子级联激光器的研究现状与发展趋势

参考文献

第 3 章 太赫兹量子级联激光器的微观电子输运

3.1 太赫兹量子级联激光器的电子输运模拟方法

3.2 多量子阱结构中的电子态与波函数

3.2.1 子带中电子的波函数

3.2.2 传输矩阵方法

3.3 子带间的电子跃迁

3.3.1 自发辐射

3.3.2 受激辐射

3.3.3 非辐射跃迁

3.3.4 电子的隧穿过程

3.4 子带间的激光增益与吸收特性

3.4.1 激光增益与展宽

3.4.2 增益钳制效应

3.4.3 子带间电子跃迁吸收

3.5 电子输运过程与动态特性

3.5.1 基于三能级的速率方程

3.5.2 电子数分布计算

3.5.3 粒子数反转与光子数分布

参考文献

第 4 章 太赫兹量子级联激光器的电磁场理论

4.1 表面等离激元模型

4.1.1 表面等离激元的基本概念

4.1.2 表面等离激元的数学描述

4.1.3 表面等离激元在太赫兹量子级联激光器中的应用

4.2 传输线模型

4.2.1 传输线模型的基本概念

4.2.2 传输线模型的数学描述

4.2.3 传输线模型在太赫兹量子级联激光器中的应用

4.3 太赫兹量子级联激光器中电磁波的传导与反馈

4.3.1 法布里 - 珀罗腔

4.3.2 耦合腔

4.3.3 周期性波导结构

参考文献

第 5 章 太赫兹量子级联激光器的制备与表征技术

5.1 引言

5.2 太赫兹量子级联激光器的材料生长与表征技术

5.2.1 太赫兹量子级联激光器材料的外延生长

5.2.2 太赫兹量子级联激光器的材料表征技术

5.3 太赫兹量子级联激光器器件制备与封装技术

5.3.1 半绝缘表面等离子体波导结构的器件工艺

5.3.2 双面金属波导结构的器件工艺

5.4 太赫兹量子级联激光器的特性表征技术

5.4.1 功率 - 电流 - 电压测试

5.4.2 光谱测试

5.4.3 远场发散角测试

5.5 本章小结

参考文献

第 6 章 高温工作的太赫兹量子级联激光器

6.1 引言

6.2 限制高温工作的主要因素

6.2.1 声子辅助的非辐射跃迁

6.2.2 电子的热回流

6.2.3 热致电子逃逸

6.3 高温工作太赫兹量子级联激光器的有源区结构设计

6.3.1 三阱斜跃迁结构

6.3.2 四阱散射辅助注入 / 抽取结构

6.3.3 双阱直接跃迁结构

6.3.4 新型有源区结构设计

6.4 高温太赫兹量子级联激光器的研制

6.4.1 波导结构创新

6.4.2 热管理技术

6.4.3 电极接触优化

6.5 本章小结

参考文献

第 7 章 大功率太赫兹量子级联激光器

7.1 引言

7.2 大功率太赫兹量子级联激光器的设计

7.2.1 增益与阈值条件

7.2.2 波导效应

7.2.3 工作温度与激光功率的协同提升

7.3 大功率太赫兹量子级联激光器的研制

7.3.1 有源区结构改良

7.3.2 波导结构改良

7.3.3 封装结构改良

7.4 本章小结

参考文献

第 8 章 太赫兹量子级联激光器中的模式调控

8.1 模式竞争的调控

8.1.1 模式竞争的产生

8.1.2 模式竞争的调控方法

8.2 波前的调控

8.2.1 波前调控的挑战

8.2.2 波前调控方法

8.2.3 波前调控应用实例

8.3 激光频率的调谐

8.3.1 激光频率调谐机制

.............................

前言

太赫兹波作为电磁波谱中连接微波与红外光的独特频段，凭借其穿透性强、光子能量低、频谱信息丰富等固有特性，在光谱检测、安全成像、高速通信、天文观测、气体传感等诸多领域展现出不可替代的应用价值，成为近年来信息技术领域的研究热点之一。在众多太赫兹辐射源中，基于半导体的太赫兹量子级联激光器凭借电泵浦可集成、宽频谱覆盖、高功率输出等突出优势，成为该频段内最高效的辐射源之一，也成为推动太赫兹技术从实验室走向实际应用的关键核心器件。

本书是关于半导体太赫兹量子级联激光器的系统性综合专著，涵盖从基础理论到前沿技术、从器件制备到应用探索的全链条内容，是作者长期从事半导体太赫兹量子级联激光器领域物理基础与前沿应用的研究成果凝练，也是编著者从实践中探索出来的经验和方法总结。全书以 “夯实基础、聚焦前沿、兼顾应用” 为编写宗旨，按照 “概述篇 — 基础篇 — 专题篇” 的逻辑框架层层递进，系统介绍太赫兹波与辐射源概述、太赫兹量子级联激光器基本原理、微观电子输运特性、电磁场理论、制备与表征技术，以及高性能太赫兹量子级联激光器研制、模式调控、光频梳及多领域应用等核心内容。本书内容既有扎实的理论基础支撑，又有丰富的科研实践积累，更强调理论与实践的深度融合，助力读者快速构建该领域的知识体系，同时掌握解决实际问题的思路与方法。

本书创新在于：首先，突破传统专著偏重理论或单一技术的局限，实现从基础到前沿的系统性覆盖；其次，聚焦高温、大功率等关键性能提升方向及模式调控、光频梳等前沿技术，融入团队最新科研成果与创新性技术方案，展现该领域的前沿发展动态；最后，注重理论与实践的结合，在阐述核心技术时配套相关实验数据与制备工艺，增强内容的实用性与指导性。

出版本书，一是传达半导体太赫兹量子级联激光器领域的核心知识与前沿进展，梳理该领域的发展脉络与技术体系，为行业搭建清晰的知识传播桥梁；二是希望为从事太赫兹技术相关研究的科研人员、工程技术人员提供实用的技术参考与思路借鉴，加速高性能太赫兹量子级联激光器器件的研发进程与应用转化速度；三是固化团队多年积累的科研成果与技术经验，形成系统性的知识载体，推动该领域的学术交流与技术创新，请业内同行参考批评。因此，本书最直接的读者是从事半导体太赫兹量子级联激光器相关研究的科研人员、太赫兹成像与通信等应用领域的工程技术人员，亦可作为电子科学与技术、光学工程、电子信息等专业研究生和相应院所科研人员拓展应用学习。

衷心感谢李子平副研究员、周康博士、马旭红博士、刘贵宾、刘彬彬、李媛媛博士、朱怡璇博士、马钰博士、李伟江博士、陈雨博士、唐菁博士、赵翔宇、邵景铸、田钰栋、胥伯睿、刘雨晴等老师和同学在科研实践、资料整理、内容校对等方面提供的大力支持与辛勤付出。

编著者

2025 年 8 月