太赫茲量子級聯激光器電子結構設計

未來更精確地對太赫茲QCL的能級結構及波函數分布進行模擬和設計，研究者發展了基于分區級數解法和非正基對角化方法的新型計算手段。在驗證了這種新的數值算法的可靠性和普適性后，設計多種不同模式的太赫茲QCL激發區超晶格結構，用于指導實驗制備相關器件及作為進一步理論研究的基礎。

　　發展了精確求解電池下耦合多量子阱電子結構的計算方法

　　研究者發展了基于分區級數解法和非正交基對角化方法的耦合多量子阱電子結構計算程序，用于太赫茲QCL激發區電子結構的計算和設計。其中分區級數解法是一種解析與數值結合的精確求解各種二階常微分方程的有效手段，對于各種超越合流超幾何方程而無法獲得解析解的二階常微分方程都能夠給出精確的結果。其基本思想是將方程解在常點、正則奇點及非正奇點附近開展不同形式的級數，進而利用銜接條件得到方程的解。

　　為驗證這些計算方法的精確性，研究者將計算結果與國際多個實驗和理論結果進行了對比，發現利用研究者的計算方法，能夠獲得與實驗定量相符的結果，理論與實驗測量的偏差均小于3%，甚至更小，且計算結果通常好于文獻中的Schr-dinger-Poisson方程解法的結果。

　　給出了基于共振聲子及連續-束縛態轉變的太赫茲QCL結構設計

　　利用分區級數解法和非正交基對角化方法可以根據QCL器件對子帶壽命的要求設計其中的多量子阱結構。對于太赫茲QCL，最重要的是在兩個能量很接近的子帶間實現粒子束反轉，這既需要兩子帶間非輻射躍遷時間長，同時要分別實現對上輻射能級和下輻射能級的選擇性注入和抽取。根據子帶粒子數反轉條件實現方法的不同，常見的QCL激發區結構包括共振聲子、束縛-連續態轉變、啁啾超晶格等模式。不論哪種模式，都是通過對耦合多量子阱中能級和波函數分布的設計以實現控制不同子帶壽命的目的。

　　基于對QCL子帶間散射機制及其規律的深入分析，利用發展的計算方法，研究者給出了多種太赫茲QCL激發區設計方案，其中包括共振聲子模式方案、束縛-連續態轉變模式方案、以及將兩種方案混合在一起的新型激發區模式方案。在束縛-連續態轉變與共振聲子的混合激發區設計中上輻射態勢一個局域態，下輻射態勢一個微帶頂的連續態，下輻射態由于處于微帶頂，其上的電子可以很快的通過聲子散射躍遷至微帶中能量更低的態，從而造成上下輻射態之間的粒子數反轉；通過多量子阱結構設計，在下輻射態之下36MeV附近增加了一條能級，利用GaAs材料中縱光學聲子的共振散射進一步提高了下輻射態粒子數耗盡的效率，相信這種設計能夠提高太赫茲QCL的工作溫度。