近日，中科院上海微系統(tǒng)所曹俊誠、黎華研究員領(lǐng)銜的太赫茲（THz）光子學(xué)器件與應(yīng)用團(tuán)隊與華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室曾和平教授團(tuán)隊、中科院蘇州納米所國際實驗室張凱研究員團(tuán)隊合作，在國際上率先實現(xiàn)基于THz量子級聯(lián)激光器（QCL）的增強(qiáng)型被動光頻梳，采用太赫茲泵浦探測技術(shù)，首次測量到THz QCL被動光頻梳的脈沖發(fā)射。研究結(jié)果以“Graphene-Coupled Terahertz Semiconductor Lasers for Enhanced Passive Frequency Comb Operation”為題發(fā)表在Advanced Science期刊（影響因子：15.804），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(xué)獎以來，光頻梳越來越受到人們的關(guān)注。由于具有高頻率穩(wěn)定性和短脈沖（如果激光鎖模可實現(xiàn)）特性，光頻梳可以大幅提高光譜和時間測量的精度，在基礎(chǔ)研究和高分辨技術(shù)領(lǐng)域均有重要應(yīng)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(yīng)用需求。在THz波段，基于半導(dǎo)體的THz QCL具有高功率、低發(fā)散角、電泵浦等特點，是實現(xiàn)THz光頻率的理想載體。傳統(tǒng)的主動鎖模技術(shù)可成功實現(xiàn)THz QCL主動光頻梳并產(chǎn)生THz光脈沖。但是THz QCL主動鎖模技術(shù)往往涉及復(fù)雜的微波調(diào)制以及飛秒激光鎖相技術(shù)，其系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)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(shù)。然而，受限于材料的非線性與激光器增益恢復(fù)時間等因素，一直以來基于被動鎖模的THz QCL光頻梳技術(shù)在國際上都沒有突破。
在本工作中，研究團(tuán)隊利用多層石墨烯材料的飽和吸收和色散補(bǔ)償特性，實現(xiàn)THz QCL增強(qiáng)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(shù)，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(tuán)隊采用THz泵浦探測技術(shù)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(xiàn)了鎖模。該工作為將來進(jìn)一步提高THz QCL光頻梳頻率穩(wěn)定性和實現(xiàn)THz超短短脈沖輸出奠定重要基礎(chǔ)。
論文的第一和通信作者為黎華研究員，共同通信作者為曹俊誠研究員、曾和平教授、張凱研究員。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金和中科院率先行動計劃經(jīng)費支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201900460
封面鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201970120
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