近日，中科院上海微系統(tǒng)所曹俊誠(chéng)、黎華研究員領(lǐng)銜的太赫茲（THz）光子學(xué)團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)曾和平教授合作，在太赫茲雙光梳光譜檢測(cè)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)采用電泵浦THz量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）光頻梳，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)基于激光自探測(cè)技術(shù)的緊湊型實(shí)時(shí)THz雙光梳光譜檢測(cè)。研究結(jié)果以“Toward Compact and Real-Time Terahertz Dual-Comb Spectroscopy Employing a Self-Detection Scheme”為題發(fā)表在ACS Photonics期刊，并被遴選為封面文章。

光頻梳由一系列等間距、高穩(wěn)定性的頻率線組成。由于其頻率穩(wěn)定性高，光頻梳可以像“光尺”一樣用于頻率測(cè)量。傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)系統(tǒng)（如傅里葉變化光譜儀、光柵光譜儀、時(shí)域光譜等）都包含機(jī)械掃描裝置，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光譜信息獲取。而基于光頻梳的雙光梳光譜系統(tǒng)可以完全摒棄傳統(tǒng)光譜儀中的機(jī)械掃描裝置，可實(shí)現(xiàn)高分辨、實(shí)時(shí)光譜檢測(cè)[Journal of Semiconductors 40, 050402 (2019)]。雙光梳光譜系統(tǒng)通常有參考光梳、采樣光梳和高速探測(cè)器組成。利用參考光梳和采樣光梳在重復(fù)頻率上的少許差別，高速探測(cè)器可以將光譜信號(hào)直接下轉(zhuǎn)換到微波段，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高分辨光譜檢測(cè)。而在THz波段，由于高速探測(cè)器比較缺乏，傳統(tǒng)雙光梳方案很難直接應(yīng)用到THz雙光梳光譜檢測(cè)中來(lái)。

研究團(tuán)隊(duì)利用電泵浦THz QCL器件，在前期高穩(wěn)定光頻梳的研究基礎(chǔ)之上[Advanced Science 6, 1900460 (2019); Applied Physics Letters 114, 191106 (2019)]，實(shí)現(xiàn)了基于微波雙調(diào)制的寬譜THz QCL片上雙光梳[Physical Review Applied 12, 044068 (2019)]。在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用THz QCL光頻梳本身作為高速探測(cè)器，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了緊湊型、實(shí)時(shí)THz雙光梳光譜檢測(cè)系統(tǒng)。由于THz QCL是基于子帶間電子躍遷的半導(dǎo)體器件，其載流子弛豫時(shí)間在皮秒兩級(jí)，所以THz QCL在作為輻射源的同時(shí)也是一個(gè)天然的THz高速探測(cè)器。基于此原理，研究團(tuán)隊(duì)克服傳統(tǒng)雙光梳系統(tǒng)需要外置高速探測(cè)器的限制，成功實(shí)現(xiàn)了基于自探測(cè)的THz實(shí)時(shí)雙光梳系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)任何移動(dòng)掃描裝置，且不需要光學(xué)元件進(jìn)行光路準(zhǔn)直。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，僅490 nW的THz光耦合就能實(shí)現(xiàn)自探測(cè)THz雙光梳光譜檢測(cè)。該THz雙光梳系統(tǒng)將來(lái)可以應(yīng)用于顯微成像和THz近場(chǎng)系統(tǒng)，期望在THz時(shí)間、空間和光譜高分辨方面取得新的突破。

該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持。

太赫茲實(shí)時(shí)雙光梳光譜系統(tǒng)工作原理示意圖（左）和ACS Photonics期刊論文封面（右）