太赫茲三光梳系統(tǒng)示意圖及有限元模擬仿真

近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員黎華團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)教授曾和平團(tuán)隊(duì)合作，在太赫茲(THz)三光梳光源研究方面取得進(jìn)展。該研究提出了緊湊型太赫茲三光梳光源的實(shí)現(xiàn)方案，構(gòu)建了由三個(gè)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)組成的三光梳系統(tǒng)，提升了信息獲取能力與測(cè)量精度。研究采用片上集成的雙光梳(Comb-1和Comb-2)與獨(dú)立單光梳器件(Comb-3)相結(jié)合的三光梳架構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)樣品探測(cè)功能的同時(shí)提升了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。研究顯示，通過(guò)自探測(cè)技術(shù)，可獲得任意兩組光頻梳多外差混頻產(chǎn)生的三光梳信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)采用三維和二維有限元仿真方法，研究了三光梳間的耦合機(jī)制。三維模擬仿真顯示，對(duì)于單面金屬波導(dǎo)THz QCL光頻梳來(lái)說(shuō)，光場(chǎng)有很大部分存在于襯底中，因此Comb-1和Comb-2通過(guò)襯底實(shí)現(xiàn)有效耦合。針對(duì)Comb-1(或Comb-2)與Comb-3的耦合，由于器件納米級(jí)尺寸與厘米級(jí)間距的尺度不匹配，研究采用二維有限元仿真證實(shí)其主要通過(guò)自由空間實(shí)現(xiàn)耦合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可產(chǎn)生信噪比超過(guò)30 dB的穩(wěn)定三光梳信號(hào)，具有11個(gè)梳齒模式。該太赫茲三光梳系統(tǒng)展現(xiàn)了靈活的光譜獲取能力：當(dāng)Comb-3作為快速探測(cè)器時(shí)，可同步獲取Dual-Comb 13和Dual-Comb 23射頻譜;當(dāng)Comb-2作為探測(cè)器時(shí)，可獲得Dual-Comb 12和Dual-Comb 23射頻譜。相位噪聲譜分析證實(shí)，這一系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

上述研究為太赫茲光譜學(xué)和精密測(cè)量等領(lǐng)域提供了高性能光源解決方案，并為太赫茲多光梳技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

7月29日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《激光與光子學(xué)評(píng)論》(Laser & Photonics Reviews)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新-2030重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

審核編輯 黃宇