近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所黎華研究員團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)曾和平教授團(tuán)隊(duì)合作，在太赫茲（THz）三光梳光源領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種緊湊型THz三光梳光源的實(shí)現(xiàn)方案，構(gòu)建了由三個(gè)THz量子級聯(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量精度。研究團(tuán)隊(duì)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)（見圖1a），在實(shí)現(xiàn)樣品探測功能的同時(shí)，還提升了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。通過自探測技術(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。該工作不僅為THz光譜學(xué)、精密測量等領(lǐng)域提供了高性能光源解決方案，同時(shí)也為THz多光梳技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。該成果于2025年7月29日以“Terahertz Tri-Comb Laser Sources”為題在線發(fā)表在國際著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上。

圖1. THz三光梳系統(tǒng)示意圖及有限元模擬仿真

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

圖2. THz三光梳信號表征

論文第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士研究生劉彬彬，通訊作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所黎華研究員和華東師范大學(xué)曾和平教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62325509，62305364，62235019，61927813，62035005，61991430和62105351）、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目（2023ZD031000）、中國科學(xué)院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC009）、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（YSBR-069）等支持。