用“天平”定量“称”出太赫兹半导体激光器的稳定度

太赫兹（THz）波位于微波和红外光之间，其频率通常被定义为0.1~10 THz之间。在整个电磁波谱中，太赫兹波是最后一个有待全面开发和认识的波段。与其它波段相比，它具有很多独特优势，如很多大分子的特征指纹谱位于太赫兹波段，太赫兹波对塑料包装材料透明，太赫兹通信与微波通信相比潜在带宽较大等等。因此，太赫兹波以及太赫兹技术在基础科学和技术应用方面具有重要作用。

太赫兹技术的核心元器件之一是太赫兹辐射源,而高精度太赫兹辐射源是推动太赫兹技术向高精尖方向发展的关键。长期以来，由于缺少宽带、高速太赫兹探测器和成熟的太赫兹频率锁定技术，对太赫兹激光源频率稳定性的表征以及锁定极具挑战。当前已报道的提高和表征太赫兹激光源频率稳定性的方法一般涉及高稳定太赫兹本地振荡源（频率参考），系统十分复杂。

近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚、黎华研究员团队提出了“相对锁相”技术,运用锁相环锁定两个半导体太赫兹量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）的外差混频信号。通过将锁相环的误差信号分别反馈回两个QCL光源，即可定量地比较两个QCL的频率稳定性，同时可以提高太赫兹激光源的频率稳定性。相关工作以“Relative phase locking of a terahertz laser system configured with a frequency comb and a single mode laser”为题发表于Advanced Photonics Nexus 2023年第2期。

在测得混频信号后，研究人员选取f2信号传送至锁相环的射频信号端口，实现了单模信号与次邻近的梳齿之间的频率间隔的锁定。锁相环的误差信号首先被反馈回光频梳QCL1，在它的影响下QCL1的频率会跟随自由运行的单模QCL2不断变化，以保持f₂的锁定状态和恒定的频率间隔。随后,误差信号被反馈回单模QCL2，使 QCL2同样跟随自由运行的光频梳QCL1。在这两种情况下，分别测量出被反馈误差信号的QCL的频率变化率，即可表征另一个QCL在自由运行状态下的频率稳定性。

为了直观地表现激光器的频率稳定性，研究人员定义频率随时间的变化率为频率不稳定度∆f，该值越大说明激光器越不稳定。实验中∆f 即为测得的激光器电流调谐率和激光器驱动电流变化量的乘积。在40 s的测量时间内，QCL1 和QCL2对应1 mA以内的频率不稳度分别为2.3 MHz和大于4.9 MHz。该实验不仅定量地表征了两个QCL的频率稳定性，而且也说明当以光频梳QCL1为参考源锁相环误差信号反馈回单模QCL2时，频率稳定性可以提升一倍。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所2020级博士生管玟为论文一作，黎华研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重点项目、国家优秀青年科学基金项目、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院“从0到1”原始创新项目、中科院仪器研制项目、上海市优秀学术带头人计划等资助。