近日，中科院上海微系統(tǒng)所曹俊誠、黎華研究員領(lǐng)銜的太赫茲（THz）光子學團隊與華東師范大學曾和平教授合作，在太赫茲雙光梳光譜檢測領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊采用電泵浦THz量子級聯(lián)激光器（QCL）光頻梳，在國際上率先實現(xiàn)基于激光自探測技術(shù)的緊湊型實時THz雙光梳光譜檢測。研究結(jié)果以“Toward Compact and Real-Time Terahertz Dual-Comb Spectroscopy Employing a Self-Detection Scheme”為題發(fā)表在ACS Photonics期刊，并被遴選為封面文章。

光頻梳由一系列等間距、高穩(wěn)定性的頻率線組成。由于其頻率穩(wěn)定性高，光頻梳可以像“光尺”一樣用于頻率測量。傳統(tǒng)的光譜檢測系統(tǒng)（如傅里葉變化光譜儀、光柵光譜儀、時域光譜等）都包含機械掃描裝置，從而無法實現(xiàn)實時光譜信息獲取。而基于光頻梳的雙光梳光譜系統(tǒng)可以完全摒棄傳統(tǒng)光譜儀中的機械掃描裝置，可實現(xiàn)高分辨、實時光譜檢測[Journal of Semiconductors 40, 050402 (2019)]。雙光梳光譜系統(tǒng)通常有參考光梳、采樣光梳和高速探測器組成。利用參考光梳和采樣光梳在重復(fù)頻率上的少許差別，高速探測器可以將光譜信號直接下轉(zhuǎn)換到微波段，從而實現(xiàn)實時、高分辨光譜檢測。而在THz波段，由于高速探測器比較缺乏，傳統(tǒng)雙光梳方案很難直接應(yīng)用到THz雙光梳光譜檢測中來。

研究團隊利用電泵浦THz QCL器件，在前期高穩(wěn)定光頻梳的研究基礎(chǔ)之上[Advanced Science 6, 1900460 (2019); Applied Physics Letters 114, 191106 (2019)]，實現(xiàn)了基于微波雙調(diào)制的寬譜THz QCL片上雙光梳[Physical Review Applied 12, 044068 (2019)]。在本工作中，研究團隊利用THz QCL光頻梳本身作為高速探測器，在國際上率先實現(xiàn)了緊湊型、實時THz雙光梳光譜檢測系統(tǒng)。由于THz QCL是基于子帶間電子躍遷的半導(dǎo)體器件，其載流子弛豫時間在皮秒兩級，所以THz QCL在作為輻射源的同時也是一個天然的THz高速探測器。基于此原理，研究團隊克服傳統(tǒng)雙光梳系統(tǒng)需要外置高速探測器的限制，成功實現(xiàn)了基于自探測的THz實時雙光梳系統(tǒng)。該系統(tǒng)無任何移動掃描裝置，且不需要光學元件進行光路準直。實驗結(jié)果顯示，僅490 nW的THz光耦合就能實現(xiàn)自探測THz雙光梳光譜檢測。該THz雙光梳系統(tǒng)將來可以應(yīng)用于顯微成像和THz近場系統(tǒng)，期望在THz時間、空間和光譜高分辨方面取得新的突破。

該項工作得到了國家自然科學基金和中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項目經(jīng)費支持。

太赫茲實時雙光梳光譜系統(tǒng)工作原理示意圖（左）和ACS Photonics期刊論文封面（右）