太赫兹被动光频梳研究取得进展

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员曹俊诚、黎华领衔的太赫兹（THz）光子学器件与应用团队与华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授曾和平团队、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所国际实验室张凯团队合作，在国际上率先实现基于THz量子级联激光器（QCL）的增强型被动光频梳，采用太赫兹泵浦探测技术，首次测量到THz QCL被动光频梳的脉冲发射。研究结果以Graphene-Coupled Terahertz Semiconductor Lasers for Enhanced Passive Frequency Comb Operation 为题发表在Advanced Science 期刊，并被遴选为封面文章。

 

Advanced Science期刊论文封面

自2005年光频梳研究工作获得诺贝尔物理学奖以来，光频梳越来越受到人们的关注。由于具有高频率稳定性和短脉冲（如果激光锁模可实现）特性，光频梳可以大幅提高光谱和时间测量的精度，在基础研究和高分辨技术领域均有重要应用。一直以来，研究人员都在不断研究探索光频梳的全波段覆盖，从而满足不同应用需求。在THz波段，基于半导体的THz QCL具有高功率、低发散角、电泵浦等特点，是实现THz光频率的理想载体。传统的主动锁模技术可成功实现THz QCL主动光频梳并产生THz光脉冲。但是THz QCL主动锁模技术往往涉及复杂的微波调制以及飞秒激光锁相技术，其系统相当复杂。长期以来，研究人员不断探索更为简单有效的THz QCL被动锁模技术。然而，受限于材料的非线性与激光器增益恢复时间等因素，一直以来基于被动锁模的THz QCL光频梳技术在国际上都没有突破。 

在该工作中，研究团队利用多层石墨烯材料的饱和吸收和色散补偿特性，实现THz QCL增强型被动光频梳。在THz QCL低峰值功率泵浦条件下，采用z-scan技术，成功观察到石墨烯材料的非线性饱和吸收特性。饱和吸收体耦合的THz QCL光频梳的射频信号频率线宽低至700 Hz。另外，基于饱和吸收特性，研究团队采用THz泵浦探测技术首次直接测量了被动THz QCL光频梳光脉冲宽度（16 ps），证明THz QCL实现了锁模。该工作为将来进一步提高THz QCL光频梳频率稳定性和实现THz超短脉冲输出奠定重要基础。

THz QCL被动光频梳器件示意图

论文的第一和通讯作者为黎华，共同通讯作者为曹俊诚、曾和平、张凯。该项工作得到国家自然科学基金和中科院率先行动计划经费支持。 

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900460  

封面链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201970120