上海微系統所在太赫茲實時雙光梳光譜檢測方面取得進展

  

  近日,山东11选5上海微系統所曹俊誠、黎華研究員領銜的太赫茲(THz)光子學團隊與華東師范大學曾和平教授合作,在太赫茲雙光梳光譜檢測領域取得重要進展。研究團隊采用電泵浦THz量子級聯激光器(QCL)光頻梳,在國際上率先實現基于激光自探測技術的緊湊型實時THz雙光梳光譜檢測。研究結果以“Toward Compact and Real-Time Terahertz Dual-Comb Spectroscopy Employing a Self-Detection Scheme”為題發表在ACS Photonics期刊,并被遴選為封面文章。

  光頻梳由一系列等間距、高穩定性的頻率線組成。由于其頻率穩定性高,光頻梳可以像“光尺”一樣用于頻率測量。傳統的光譜檢測系統(如傅里葉變化光譜儀、光柵光譜儀、時域光譜等)都包含機械掃描裝置,從而無法實現實時光譜信息獲取。而基于光頻梳的雙光梳光譜系統可以完全摒棄傳統光譜儀中的機械掃描裝置,可實現高分辨、實時光譜檢測[Journal of Semiconductors 40, 050402 (2019)]。雙光梳光譜系統通常有參考光梳、采樣光梳和高速探測器組成。利用參考光梳和采樣光梳在重復頻率上的少許差別,高速探測器可以將光譜信號直接下轉換到微波段,從而實現實時、高分辨光譜檢測。而在THz波段,由于高速探測器比較缺乏,傳統雙光梳方案很難直接應用到THz雙光梳光譜檢測中來。

  研究團隊利用電泵浦THz QCL器件,在前期高穩定光頻梳的研究基礎之上[Advanced Science 6, 1900460 (2019); Applied Physics Letters 114, 191106 (2019)],實現了基于微波雙調制的寬譜THz QCL片上雙光梳[Physical Review Applied 12, 044068 (2019)]。在本工作中,研究團隊利用THz QCL光頻梳本身作為高速探測器,在國際上率先實現了緊湊型、實時THz雙光梳光譜檢測系統。由于THz QCL是基于子帶間電子躍遷的半導體器件,其載流子弛豫時間在皮秒兩級,所以THz QCL在作為輻射源的同時也是一個天然的THz高速探測器。基于此原理,研究團隊克服傳統雙光梳系統需要外置高速探測器的限制,成功實現了基于自探測的THz實時雙光梳系統。該系統無任何移動掃描裝置,且不需要光學元件進行光路準直。實驗結果顯示,僅490 nWTHz光耦合就能實現自探測THz雙光梳光譜檢測。該THz雙光梳系統將來可以應用于顯微成像和THz近場系統,期望在THz時間、空間和光譜高分辨方面取得新的突破。

  該項工作得到了國家自然科學基金和山东11选5“從01”原始創新項目經費支持。

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