近日，中科院上海微系統(tǒng)所曹俊誠(chéng)、黎華領(lǐng)銜的太赫茲（THz）光子學(xué)團(tuán)隊(duì)基于電泵浦THz量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）雙光梳，突破激光自探測(cè)，利用鎖相環(huán)技術(shù)，國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)THz QCL雙光梳鎖相。研究結(jié)果以“Active Stabilization of Terahertz Semiconductor Dual‐Comb Laser Sources Employing a Phase Locking Technique”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊，并被遴選為封面論文。

光頻梳與雙光梳在高精度光譜檢測(cè)、成像、通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在近紅外波段，光頻梳與雙光梳技術(shù)相對(duì)較成熟。而在遠(yuǎn)紅外尤其是THz波段，由于缺乏高效輻射源，光頻梳與雙光梳還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。THz QCL具有電泵浦、大功率輸出、高遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量、寬頻譜覆蓋等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)THz光頻梳和雙光梳的理想載體。另外，THz QCL光頻梳具有小的SWAP（尺寸、重量和功率消耗），在未來(lái)工業(yè)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。在前期工作中，中科院上海微系統(tǒng)所THz光子學(xué)團(tuán)隊(duì)在THz QCL光頻梳與雙光梳方面具有一定的積累，如實(shí)現(xiàn)了主/被動(dòng)穩(wěn)頻THz QCL光頻梳、THz片上雙光梳、雙光梳THz實(shí)時(shí)光譜檢測(cè)等。而在THz QCL雙光梳方面，目前國(guó)際上均采用的是自由運(yùn)行THz QCL光頻梳，其頻率穩(wěn)定性和相位噪聲相對(duì)較差。到目前為止，提高THz QCL雙光梳的頻率穩(wěn)定性是一個(gè)尚未解決的關(guān)鍵難題。

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圖1：THz QCL雙光梳鎖相工作原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。上圖：雙光梳鎖相工作原理。將THz QCL雙光梳中的一根梳齒（藍(lán)色圓圈）下轉(zhuǎn)換到90 MHz附近，然后利用帶通濾波器將其選出進(jìn)行鎖相。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控THz QCL的驅(qū)動(dòng)電流對(duì)雙光梳信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)頻鎖相。左下圖：鎖相之后的測(cè)量得到的THz QCL雙光梳頻譜，其雙光梳光學(xué)帶寬為165 GHz。右下圖：鎖相之后的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的THz QCL雙光梳時(shí)域脈沖信號(hào)

一個(gè)光頻梳中的每根梳齒頻率可以由兩個(gè)頻率完全定義，其一為載波漂移頻率（fCEO），其二為重復(fù)頻率（fREP）。對(duì)一個(gè)光頻梳的鎖定需要同時(shí)鎖定fCEO和fREP。而對(duì)于雙光梳的完全鎖定，需要同時(shí)鎖定四個(gè)不同的頻率（兩個(gè)fCEO和兩個(gè)fREP），難度巨大。在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)并非分別對(duì)兩個(gè)THz QCL光頻梳的fCEO和fREP進(jìn)行控制，而是利用激光自探測(cè)，將THz QCL雙光梳中的一根頻率線進(jìn)行下轉(zhuǎn)換，然后利用鎖相環(huán)進(jìn)行鎖定，最終提高整個(gè)THz QCL雙光梳的頻率穩(wěn)定性并大幅降低其相位噪聲。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)在鎖相的條件下，對(duì)THz QCL雙光梳成功進(jìn)行了時(shí)域脈沖信號(hào)測(cè)量。由于該鎖相技術(shù)并沒(méi)有直接對(duì)單個(gè)光頻梳的fCEO和fREP進(jìn)行鎖定，所以測(cè)量得到的雙光梳時(shí)域脈沖信號(hào)可以證明單個(gè)THz QCL光頻梳在沒(méi)有鎖相的條件可以產(chǎn)生時(shí)域脈沖。本工作為THz雙光梳穩(wěn)頻提供了一項(xiàng)簡(jiǎn)單有效的方案，為THz光譜高分辨、成像和寬帶THz通信等奠定重要基礎(chǔ)。

該論文的共同第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所博士生趙逸然、博士后李子平、和博士生周康，通訊作者為黎華研究員。新微半導(dǎo)體許東研究員、法國(guó)微電子與納米技術(shù)研究所（IEMN）Stefano Barbieri教授也為該工作做出了重要貢獻(xiàn)。該項(xiàng)工作得到了中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院儀器研制項(xiàng)目（YJKYYQ20200032）、國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金（62022084）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃（20XD1424700）、上海市青年拔尖人才開(kāi)發(fā)計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。

關(guān)于黎華

黎華，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。2009年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，獲工學(xué)博士學(xué)位；2009至2015年，先后在德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)肖特基研究所（洪堡學(xué)者）、日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所（日本學(xué)術(shù)振興會(huì)JSPS特別研究員）、法國(guó)巴黎七大材料與量子現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)室（博士后）開(kāi)展合作研究；于2014年底加入中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，任研究員。

黎華博士從事太赫茲（THz）量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）與光頻梳研究，在Advanced Science、Nature Communications、Optica、ACS Photonics、Advanced Optical Materials、Physical Review Applied等期刊發(fā)表SCI論文60余篇，在國(guó)際會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告20余次，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利15件。曾獲得國(guó)家優(yōu)青、入選上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人、上海市青年拔尖人才開(kāi)發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院高層次人才計(jì)劃、德國(guó)洪堡學(xué)者等。獲得上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第三）、中國(guó)電子學(xué)會(huì)“優(yōu)秀科技工作者”、國(guó)家人社部留學(xué)人員擇優(yōu)資助、中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)等。