上海微系统所在太赫兹实时双光梳光谱检测方面取得进展

近日，中科院上海微系统所曹俊诚、黎华研究员领衔的太赫兹（THz）光子学团队与华东师范大学曾和平教授合作，在太赫兹双光梳光谱检测领域取得重要进展。研究团队采用电泵浦THz量子级联激光器（QCL）光频梳，在国际上率先实现基于激光自探测技术的紧凑型实时THz双光梳光谱检测。研究结果以“Toward Compact and Real-Time Terahertz Dual-Comb Spectroscopy Employing a Self-Detection Scheme”为题发表在ACS Photonics期刊，并被遴选为封面文章。

光频梳由一系列等间距、高稳定性的频率线组成。由于其频率稳定性高，光频梳可以像“光尺”一样用于频率测量。传统的光谱检测系统（如傅里叶变化光谱仪、光栅光谱仪、时域光谱等）都包含机械扫描装置，从而无法实现实时光谱信息获取。而基于光频梳的双光梳光谱系统可以完全摒弃传统光谱仪中的机械扫描装置，可实现高分辨、实时光谱检测[Journal of Semiconductors 40, 050402 (2019)]。双光梳光谱系统通常有参考光梳、采样光梳和高速探测器组成。利用参考光梳和采样光梳在重复频率上的少许差别，高速探测器可以将光谱信号直接下转换到微波段，从而实现实时、高分辨光谱检测。而在THz波段，由于高速探测器比较缺乏，传统双光梳方案很难直接应用到THz双光梳光谱检测中来。

研究团队利用电泵浦THz QCL器件，在前期高稳定光频梳的研究基础之上[Advanced Science 6, 1900460 (2019); Applied Physics Letters 114, 191106 (2019)]，实现了基于微波双调制的宽谱THz QCL片上双光梳[Physical Review Applied 12, 044068 (2019)]。在本工作中，研究团队利用THz QCL光频梳本身作为高速探测器，在国际上率先实现了紧凑型、实时THz双光梳光谱检测系统。由于THz QCL是基于子带间电子跃迁的半导体器件，其载流子弛豫时间在皮秒两级，所以THz QCL在作为辐射源的同时也是一个天然的THz高速探测器。基于此原理，研究团队克服传统双光梳系统需要外置高速探测器的限制，成功实现了基于自探测的THz实时双光梳系统。该系统无任何移动扫描装置，且不需要光学元件进行光路准直。实验结果显示，仅490 nW的THz光耦合就能实现自探测THz双光梳光谱检测。该THz双光梳系统将来可以应用于显微成像和THz近场系统，期望在THz时间、空间和光谱高分辨方面取得新的突破。

该项工作得到了国家自然科学基金和中科院“从0到1”原始创新项目经费支持。

太赫兹实时双光梳光谱系统工作原理示意图（左）和ACS Photonics期刊论文封面（右）