南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王楓秋教授團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于單腔雙梳光源的高速泵浦-探測成像，完成了對大尺寸半導(dǎo)體樣品的快速掃描，單點(diǎn)泵浦-探測測量時(shí)間短于6 ms。

泵浦-探測（pump-probe spectroscopy）是一種被廣泛使用的超快光學(xué)表征技術(shù)，用以獲得光生載流子超快時(shí)域動(dòng)力學(xué)特征。與空間掃描功能結(jié)合的泵浦-探測成像技術(shù)（pump-probe microscopy），對于研究半導(dǎo)體表界面的時(shí)空輸運(yùn)模型，以及揭示缺陷特有的光學(xué)特性等具有重要意義。但受限于掃描耗時(shí)及系統(tǒng)復(fù)雜度等因素，泵浦-探測成像并未被廣泛普及。異步光學(xué)采樣技術(shù)(ASOPS) 是一種能夠顯著提升泵浦-探測速度的新興方法。ASOPS通常采用雙光梳光源構(gòu)建一對互掃描光束，擺脫了對光學(xué)延遲線的依賴。然而，目前商用雙光梳系統(tǒng)需要復(fù)雜的電子電路進(jìn)行鎖相，系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴。近年來，單腔雙光梳光源成為新興的研究熱點(diǎn)。單腔雙光梳激光器由于諧振腔共享的特性，在自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下（無需鎖相），重頻差即具有較高的穩(wěn)定性。目前已經(jīng)有研究人員開展了基于單腔雙梳光源的泵浦-探測研究，雙光梳光源的應(yīng)用已經(jīng)將探測光掃描范圍擴(kuò)展到了幾十納秒甚至微秒量級，有研究已經(jīng)對半導(dǎo)體樣品上單點(diǎn)的非線性動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了表征。然而，基于單腔雙梳技術(shù)對大尺寸半導(dǎo)體樣品進(jìn)行泵浦-探測成像還未見報(bào)道。

課題組先是實(shí)現(xiàn)了一種重頻差、工作波長均可調(diào)諧的全保偏單腔雙光梳激光器。激光腔采用兩個(gè)超快光開關(guān)和兩段增益光纖的雙支路結(jié)構(gòu)，以避免諧振腔內(nèi)多余的非線性效應(yīng)和增益競爭現(xiàn)象。利用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，進(jìn)一步將輸出波長拓展到1.9 μm-2.4 μm范圍。（IEEE Photonics Technology Letters，35,1291 [2023]）。近期，基于該光源，課題組實(shí)現(xiàn)了一套泵浦-探測成像系統(tǒng)（如圖2a），首次展示了對半導(dǎo)體材料的泵浦-探測二維成像。我們選擇了一個(gè)商用的GaAs 量子阱芯片作為樣品，結(jié)合高精度電動(dòng)平臺，實(shí)現(xiàn)了對樣品的全自動(dòng)掃描表征（如圖2c），證明了該系統(tǒng)對樣品表面的缺陷的探測和定位能力。通過基于單腔雙梳的ASOPS技術(shù)，泵浦-探測表征速度得到顯著提升，單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間短于6 ms。此外，我們進(jìn)一步對掃描過程中單腔雙梳光源的重頻差漂移情況進(jìn)行了監(jiān)控，通過實(shí)驗(yàn)證明了在自由運(yùn)轉(zhuǎn)條件下（無重頻差漂移修正），該系統(tǒng)的二維掃描表征能力足以勝任絕大多數(shù)的泵浦-探測應(yīng)用場景。該工作為快速且經(jīng)濟(jì)的泵浦-探測成像系統(tǒng)提供了一種新的解決方案，并將啟發(fā)更多基于單腔雙梳光源的泵浦-探測成像研究。相關(guān)成果發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域知名期刊IEEE Photonics Technology Letters, 37, 405 (2025)。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題的資助（2022YFA1204303），并得到了張榮院士的支持與指導(dǎo)。