中国科学家团队在国际上率先实现基于量子级联激光器（QCL）的被动式增强型太赫兹（THz）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。
长期以来，该研究受限于材料的非线性与激光器增益恢复时间等因素，基于被动锁模的THz QCL光频梳技术在国际上都没有突破。因太赫兹光频梳具有高频率稳定性和短脉冲（如果激光锁模可实现）特性，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。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光频梳的理想载体。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。
THz QCL被动光频梳器件示意图
在太赫兹芯片光频梳研究中，由大学与科研院组成的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。
该团队包括来自中科院上海微系统所太赫兹光子学器件团队、华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、中科院苏州纳米所、上海理工大学，其中华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授团队负责光梳的光学特性测量、非线性光学测量及光谱测量，利用pump-probe测量太赫兹光梳的时域特性、频域特性，利用Z-scan检测石墨烯样品在太赫兹波段的非线性。在华东师范大学与重庆市科技局、重庆两江新区管理委员会共同成立的政产学研相结合的高新技术研究院：华东师范大学重庆研究院下设立超快激光装备、时频测控仪器与太赫兹相控阵等研发部，发展基于太赫兹光频梳的相控阵THz波谱成像仪器设备，用于获得高精度、噪声免疫的THz光谱成像，为全面构建红外分子精密指纹光谱数据库提供支持。在此契机下，重庆研究院与中科院上海微系统所太赫兹光子学器件团队、中科院苏州纳米所、上海理工大学将积极开展双边学术交流活动，为太赫兹光频梳的发展与创新应用共同出力。
此次合作研究在太赫兹光频梳方面取得的重要进展，可为将来进一步提高THz QCL光频梳频率稳定性和实现THz超短短脉冲输出奠定重要基础。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900460
