近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员团队与华东师范大学曾和平教授团队合作，在太赫兹（THz）三光梳光源领域取得重要研究进展。该成果于以“Terahertz Tri-Comb Laser Sources”为题在线发表在国际著名期刊Laser & Photonics Reviews上。论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士研究生刘彬彬，通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员和华东师范大学曾和平教授。
三光梳技术作为一种新兴的光谱测量方法，由三个具有微小重复频率差异的光频梳构成，近年来在双光梳技术的基础上迅速发展并成为研究热点。相较于传统双光梳系统，三光梳技术通过引入第三个光频梳，不仅有效解决了双光梳技术中存在的模糊问题，还显著提升了光谱测量的细节分辨能力。此外，该技术避免了多维相干光谱中传统机械移动部件（如延迟线）的使用，从而大幅降低了系统复杂度。这些优势使得三光梳技术在非线性相干光谱学领域展现出广泛的应用潜力，包括泵浦-探测光谱、光子回波光谱、受激拉曼光谱以及多维相干光谱等研究方向。
本研究创新性地提出了一种紧凑型THz三光梳光源的实现方案，构建了由三个THz量子级联激光器（QCL）组成的三光梳系统，提升了信息获取能力与测量精度。研究团队采用片上集成的双光梳（Comb-1和Comb-2）与独立单光梳器件（Comb-3）相结合的三光梳架构（见图1a），在实现样品探测功能的同时，有效提升了系统的热稳定性。通过自探测技术，可获得任意两组光频梳多外差混频产生的三光梳信号。
研究团队采用三维和二维有限元仿真方法，深入研究了三光梳间的耦合机制。三维模拟仿真显示，对于单面金属波导THz QCL光频梳来说，光场有很大部分存在于衬底中，因此Comb-1和Comb-2通过衬底实现有效耦合（图1b和c）。针对Comb-1（或Comb-2）与Comb-3的耦合，由于器件纳米级尺寸与厘米级间距的尺度不匹配，研究团队采用二维有限元仿真证实其主要通过自由空间实现耦合（图1d和e）。
图1. THz三光梳系统示意图及有限元模拟仿真
实验结果表明，该系统可产生信噪比超过30 dB的稳定三光梳信号，具有11个梳齿模式。该THz三光梳系统展现了灵活的光谱获取能力：当Comb-3作为快速探测器时，可同步获取Dual-Comb 13和Dual-Comb 23射频谱（图2a）；而当Comb-2作为探测器时，则可获得Dual-Comb 12和Dual-Comb 23射频谱（图2b）。相位噪声谱分析证实了该系统具有良好的稳定性（图2c）。此外，本工作还对THz QCL作为探测器的性能进行了研究，发现其在接近阈值电流时展现出最高探测灵敏度，能够获得更多模式数的双光梳信号。
图2. THz三光梳信号表征
本研究首次在THz波段成功实现了三光梳系统的构建，为高维THz光谱分析奠定了重要的技术基础。这一成果不仅拓展了THz QCL在精密光谱测量、高分辨率光谱分析、生物样品检测以及环境监测等中的应用潜力，还为发展紧凑型高精度光谱测量系统提供了新思路。未来通过进一步优化器件设计与系统参数，有望持续提升其性能表现，为复杂环境下的实时监测与高精度测量提供更加可靠的技术支持。
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https://doi.org/10.1002/lpor.202501255
