近日，海南师范大学物理与电子工程学院曲轶研究员课题组，依托海南省激光技术与光电功能材料重点实验室、海南省半导体激光器国际联合研究中心、海南省院士团队创新中心，于2026年5月18日以“Research on polygonal microcavity 9µm quantum cascade lasers with waveguide output from a master oscillator power amplifier”为题开展长波红外多边形微腔量子级联激光器研究，相关成果发表于SCI二区期刊《Optics Express》。海南师范大学物理与电子工程学院硕士林非为论文第一作者，曲轶研究员为通讯作者，且海南师范大学为论文第一完成单位。
量子级联激光器（QCL）是中红外‑太赫兹波段极具代表性的光源，在红外对抗、痕量气体探测、自由空间光通信等领域拥有重要应用价值。微腔激光器凭借高品质因子、小模式体积的优势，能够实现低阈值激射；但传统回音壁模式微腔大多依靠辐射方式向外输出光场，面临定向发射与光束质量之间难以兼顾的固有矛盾，难以满足片上集成应用对高功率、低发散角光束的需求。针对该技术瓶颈，研究团队提出并数值仿真研究了集成输出波导的MOPA（主振荡器‑功率放大器）构型多边形微腔9μm量子级联激光器。
研究首先采用Nextnano软件完成基于InP基底的9μm波段QCL有源区设计，采用In0.362Al0.638As/In0.593Ga0.407As材料体系，共50个周期，仿真结果表明器件增益峰值对应9.19μm，实现9μm波段的波长匹配。随后使用Ansys Lumerical开展多边形微腔‑MOPA耦合结构仿真优化，确定适配9μm长波红外的微腔尺寸，微腔边长参数a优选100μm；对比多边形微腔顶点耦合、边中点耦合两种输出方式：边中点耦合利于实现单模输出，顶点耦合更容易产生多模输出，可面向可调激光器场景；同时对比四边形、六边形、八边形微腔，随着多边形边数增加，微腔Q值升高，定向输出能力减弱，适合低阈值器件应用。
图1. 多边形微腔QCL光场仿真：(a)四边形微腔边中点与 MOPA 耦合；(b)四边形微腔顶点与MOPA耦合；(c)六边形微腔光场仿真；(d)八边形微腔光场仿真；(e)不同类型多边形微腔的Q因子对比。
团队利用时域有限差分FDTD方法系统探究功率放大区（PA）扩束半锥角、主振荡区（MO）长度、功率放大区腔长这三类关键结构参数，对输出光强、慢轴发散角、高阶衍射行为的影响。仿真结果表明，合适角度的扩束功率放大器可以对横向模式进行重塑，有效抑制高阶衍射，显著压缩慢轴发散角，同时保留微腔本身的谐振特性；主振荡区长度主要改变输出端面相位分布，对发散角影响有限；功率放大区存在最优腔长，能够同时兼顾光束质量与输出性能。
图2. PA段不同锥角下光强放大与慢轴发散角压缩对比。
在MO‑PA长度2000μm‑2000μm条件下，当PA半锥角取2°时器件综合性能最优，光强达到峰值，高阶衍射得到充分抑制；半锥角2.5°时可获得最小慢轴发散角。主振荡区长度对比仿真显示：MO长度变化对慢轴发散角压缩效果影响很小，但会改变输出面相位演化，有源工作条件下更长MO腔有利于降低镜面损耗、提升热稳定性与模式稳定性。改变功率放大区腔长的仿真表明，PA腔长2000μm时光束压缩效果最优，腔长过短会残留零级衍射次级峰，腔长过长会累积非理想相位扰动，削弱对高阶衍射的抑制效果。
图3. 不同MO段长度下微腔QCL慢轴发散角对比。
该多边形微腔‑MOPA架构突破传统微腔辐射式输出带来的光束质量短板，为实现片上集成、低阈值、高功率、高光束质量长波红外微腔量子级联激光器提供完整可行的设计方案，为后续流片制备与器件测试奠定理论基础。下一步团队将继续开展模式精确调控的可调方案以及器件热效应研究。
本研究得到国家自然科学基金（62464006）、海南省科技专项基金（ZDYF2025GXJS007）、海南省院士创新平台专项研究基金（YSPTZX202513）、海南省外国专家项目（H20260407006E）、海南省国际科技合作专项（GHYF2025030）、海南省柔性人才引进创新平台科研项目（RXPTXM202609）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.592004
