太赫茲被動光頻梳研究獲進展

科研信息網 劉洋 2019-10-26 11:19:25
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  近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員曹俊誠、黎華領銜的太赫茲(THz)光子學器件與應用團隊與華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室教授曾和平團隊、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所國際實驗室張凱團隊合作,在國際上率先實現基于THz量子級聯激光器(QCL)的增強型被動光頻梳,采用太赫茲泵浦探測技術,首次測量到THz QCL被動光頻梳的脈沖發射。研究結果以Graphene-Coupled Terahertz Semiconductor Lasers for Enhanced Passive Frequency Comb Operation 為題發表在Advanced Science 期刊,并被遴選為封面文章。

  自2005年光頻梳研究工作獲得諾貝爾物理學獎以來,光頻梳越來越受到人們的關注。由于具有高頻率穩定性和短脈沖(如果激光鎖模可實現)特性,光頻梳可以大幅提高光譜和時間測量的精度,在基礎研究和高分辨技術領域均有重要應用。一直以來,研究人員都在不斷研究探索光頻梳的全波段覆蓋,從而滿足不同應用需求。在THz波段,基于半導體的THz QCL具有高功率、低發散角、電泵浦等特點,是實現THz光頻率的理想載體。傳統的主動鎖模技術可成功實現THz QCL主動光頻梳并產生THz光脈沖。但是THz QCL主動鎖模技術往往涉及復雜的微波調制以及飛秒激光鎖相技術,其系統相當復雜。長期以來,研究人員不斷探索更為簡單有效的THz QCL被動鎖模技術。然而,受限于材料的非線性與激光器增益恢復時間等因素,一直以來基于被動鎖模的THz QCL光頻梳技術在國際上都沒有突破。

  在該工作中,研究團隊利用多層石墨烯材料的飽和吸收和色散補償特性,實現THz QCL增強型被動光頻梳。在THz QCL低峰值功率泵浦條件下,采用z-scan技術,成功觀察到石墨烯材料的非線性飽和吸收特性。飽和吸收體耦合的THz QCL光頻梳的射頻信號頻率線寬低至700 Hz。另外,基于飽和吸收特性,研究團隊采用THz泵浦探測技術首次直接測量了被動THz QCL光頻梳光脈沖寬度(16 ps),證明THz QCL實現了鎖模。該工作為將來進一步提高THz QCL光頻梳頻率穩定性和實現THz超短脈沖輸出奠定重要基礎。

  論文的第一和通訊作者為黎華,共同通訊作者為曹俊誠、曾和平、張凱。該項工作得到國家自然科學基金和中科院率先行動計劃經費支持。