光学频率梳（optical frequency comb, OFC）简称“光梳”，在时域上表现为具有均匀时间间隔的脉冲序列，在频域上表现为等间距分布的相干梳齿，梳齿间隔对应于脉冲序列的重复频率，这种独特的时频特性使得光梳在高精度测量和光学计量领域具有显著优势^[1]。随着双光梳系统（dual comb system, DCS）的出现，其在光谱分辨率和数据采集速度等方面展现出卓越的性能^[2-3]。在近红外波段，光频梳与双光梳技术日趋成熟，且在高分辨成像、光谱检测与距离测量等领域应用广泛 ^[4-7]。

2006年，Yasui等^[8]将DCS系统扩展至太赫兹（terahertz，THz）波段，基于异步光学采样技术（asynchronous optical sampling，ASOPS）搭建了太赫兹双光梳光谱系统（THz-DCS），实现了2.5×10⁻⁷的频率精度和81.8 MHz的梳齿分辨率。然而，THz-DCS的长期稳定运行仍面临挑战，其性能高度依赖于双光梳光源在时域和频域上的高精度控制。面对这一挑战，研究人员提出了多种提高THz-DCS的梳齿分辨率和频率稳定性的方案。目前，太赫兹量子级联激光器（THz quantum cascade laser，THz-QCL）具有输出功率高、光束质量好、频率覆盖范围宽等优势，被认为是产生THz频率梳的理想载体 ^[9-11]。但这种紧凑型THz源在梳状模式之间存在相对较大的频率间隔，并且梳状模式之间的相干性较差，导致采样间隔粗糙、光谱分辨率有限。此外，利用光学方法产生THz频率梳的方法包括锁模激光器（mode-locked lasers，MLLs）、单腔双梳系统、自适应采样和实时反馈系统。这些方法的实施，将THz范围内的频率不稳定性从10⁻⁷降至10^{−9 [12-14]}。在此前的工作中，本课题组开发了一种基于自适应采样的太赫兹光梳光谱探测系统，通过对THz采样过程中时间抖动的实时补偿，最终实现了频谱分辨率为66.14 MHz、梳线宽度为1.9 kHz的太赫兹光梳光谱探测 ^[15]。然而，在MMLs系统中，受到谐振腔的物理尺寸与锁模过程的影响，锁模光梳重频的可调范围及变频速率均有限，使得THz光谱无法实现更高的分辨精度，且系统的复杂性限制了其适用性。

近年来，电光频率梳因具有结构简单、可调谐性、梳齿平坦度等优势，已成为光学领域的研究热点之一^[16-18]。电光频率梳通过电光调制技术对连续波激光进行调制产生，其显著优势在于无需依赖复杂的有源反馈机制或时序抖动校正即可获得高稳定性、高相干性以及低相位噪声的频率梳输出。然而，在提高光梳光源灵敏度和精确度的同时兼顾宽频谱和窄脉宽，以搭建可适用产生超稳定THz脉冲的光梳光源，一直是相关科研工作者不断探究的方向。

本文制备了一种基于电调制的超低噪声飞秒光梳光源，并搭建了基于飞秒电光频率梳的太赫兹光梳光谱产生和探测系统。该光源采用电光调制技术，利用频率校准的低噪声微波源对超稳连续激光进行调制，并结合孤子自频移（soliton self-frequency shift，SSFS）和滤波效应，实现了低噪声的光学频率梳输出，经功率放大和脉冲压缩，获得了脉冲宽度为百飞秒量级的电光频率梳。该电光梳具有低相位噪声、频率捷变等特点。进一步搭建基于电光双梳的太赫兹异步取样系统，测量并分析了太赫兹信号的时域和频域信息，获得了脉冲宽度1.06 ps、频谱宽度为3.4 THz的宽带太赫兹光梳。随后，经过多次相干平均后，实现了梳齿间隔为50 MHz，梳齿线宽为5.51 MHz的宽带高精度太赫兹光梳光谱探测。

1 实验装置

本文搭建的基于电调制的飞秒光梳光源系统如图1所示。系统采用中心波长为1550.12 nm、输出功率约40 mW的窄线宽超稳连续激光器（SLS−INT−1550−200−1−FPGA, Stable Laser System, linewidth < 1 Hz, Allan Deviation < 3×10⁻¹⁵@1s）作为种子光源。由第一台射频信号发生器（SG1，SMB 100A，ROHDE&SCHWARZ）输出5 GHz信号，驱动法布里−珀罗腔（F−P）电光调制波导（FP-EOM，WTEC−01−25，Optocomb）对种子光进行强度调制。借助F−P腔的滤波，有效抑制射频驱动信号在梳齿上引入的相位噪声，最终生成脉宽2 ps、功率200 μW、重复频率5 GHz的超短光脉冲序列。随后，采用自制掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）将光脉冲功率提升至40 mW。实验所用电光强度调制器（EOM，KY−AMU−15−10G−PP−A，科扬光电）由皮秒脉冲发生器（PPG，KY−T 240，科扬光电，脉冲宽约100 ps）驱动，其射频输入信号由第二台50 MHz射频信号发生器（SG2，SMC 100A，ROHDE&SCHWARZ）提供。EOM输出端产生重复频率50 MHz、功率100 μW的光脉冲信号，该信号是通过对前述5 GHz光脉冲进行脉冲选择获得的。经自制EDFA放大后，在放大过程中产生的自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）会诱发四波混频（four-wave mixing，FWM）和拉曼效应（Raman Effect），造成光梳能量损耗，同时产生非相干超连续谱，从而影响相干光谱展宽过程。通过引入一段2 m长的保偏光纤（PM 1550），利用SSFS实现了光谱向长波长区域的移动。随后，采用带阻滤波器（band-stop filter, BSF）有效滤除了短波长分量，同时抑制了由ASE引起的相位噪声。该过程选择性地保留了具有较低相位噪声的频谱分量，从而优化了光谱质量。然后，接入一段掺铒光纤（Er 80）进行色散补偿。在此基础上，利用EDFA将输出功率提升至30 mW，并通过Er 80光纤将脉冲宽度压缩至187 fs，最终输出重复频率50 MHz的电光频率梳（EO-comb）。

基于上述光源，搭建了如图2所示的电光双梳太赫兹异步取样系统。系统中，EO-comb 1作为本振光梳，用于激发光电导天线（PCA1，TERA 15−TX−FC, Menlo Systems）。PCA1在95 V偏置电压下工作，输入光功率为25 mW。该天线辐射的太赫兹信号首先经离轴抛物面镜（off-axis parabolic mirror, OAP 1, RFL=50.8 mm）聚焦并反射为平行光，随后经过OAP 2（RFL=50.8 mm）会聚至探测光电导天线（PCA2, TERA 15−TX−FC, Menlo Systems），PCA2由探测光梳EO-comb2激发。系统输出的电信号经高增益电流放大器（AMP，FEMTO，HCA-10-100K，带宽10 MHz，增益1×10⁵ V/A）放大后，由高速数据采集卡（DAC，Alazar，ATS9462）完成数据采集，采集速率设置为10 MS/s。

值得注意的是，本系统中的EO-comb 1和EO-comb 2均由同一台超稳窄线宽连续激光器输出种子光生成。该共源设计从根本上消除了载波包络相移频率（carrier-envelope offset frequency, f_CEO）的抖动，使得两台电光梳的相干性得到了有效保证，为异步光学采样（asynchronous optical sampling，ASOPS)提供了理想的光源条件。其次，信号发生器SG1与SG2均同步于同一台氢原子钟（hydrogen maser, HC, 频率稳定性10⁻¹³），进一步保证了系统的频率稳定性。

2 实验结果与分析

本实验制备的电光梳光源的参数性能如图3所示。图3（a）展示了电光梳的最终输出光谱特性，采用光谱分析仪（OSA, AQ6370D）测量得到光谱中心波长为1565 nm，3 dB带宽为19.8 nm。由傅里叶变换极限公式Δt_FWHM = 0.44λ²/cΔλ，其中Δt_FWHM为傅里叶极限脉宽，λ为光波长，c为光速，Δλ为展宽光谱，计算可得其对应的傅里叶极限脉宽约为182 fs。在实验中，使用自相关仪（pulseCheck, S08485）测量压缩后的脉冲宽度，采用高斯拟合方式拟合得到的自相关曲线如图3（b）所示，最终测得的脉宽为187 fs，这一结果验证了脉冲压缩方案的有效性。

在频率稳定性测试方面，系统采用50 MHz的重复频率，并通过频率计数器（Tektronix, FCA3103）进行1 h的稳定性监测。测量结果如图4（a）所示，系统重复频率的峰−峰值抖动范围约为±2 mHz，重复频率的标准差为527.68 μHz。通过分析，系统重复频率抖动主要来源于：信号发生器的相位噪声、传输光纤的热相位波动、光纤器件的固有噪声。在实验中，首先，引入了一段2 m的保偏光纤，在此光纤传输过程中，受到SSFS的影响，产生新的频率成分，向长波长处移动。随后使用BSF将噪声较大的短波长部分滤除，保留低相位噪声部分。其次，将两台信号发生器均参考于同一氢原子钟，确保了频率基准的稳定性，以提高系统的频率稳定性。为进一步量化系统性能，图4（b）给出了系统在1 s时间尺度下的艾伦偏差（Allan Deviation）为10⁻⁴量级。在此前工作中，所使用的锁模激光器峰−峰值抖动范围约为10 mHz，重复频率标准差为1.31 mHz ^[19]。与此相比，所制备的电光梳光源具有优异的频率稳定性，满足高精度光学频率梳的应用需求。

基于电光双梳的太赫兹光梳光谱系统采集的实验结果如图5所示。图5（a）展示了太赫兹信号的时域波形特征，其中太赫兹脉冲宽度通过时域脉冲第一个下降沿的1/2处t₁与第二个下降沿的1/2处t₂之间的时间间隔确定，计算得Δt=t₂−t₁=1.06 ps。通过对时域信号进行傅里叶变换，获得了相应的频域光谱，如图5（b）所示。结果表明，该系统在0.1～3.4 THz频率范围内表现出良好的光谱响应特性，其动态范围达到40.7 dB。

基于上述系统，采用ASOPS对多个THz脉冲进行采样。具体而言，将EO-comb 1的重复频率f₁设置为50 MHz，EO-comb 2的重复频率f₂设置为50.000020 MHz，两台电光梳差频为Δf = 20 Hz。实验过程中，通过DAC对多个THz脉冲进行数据采集，共获取1000组数据，每组数据包含9个连续的THz脉冲信号。对采集的1000组数据进行相干平均处理后，得到如图6所示的实验结果。图6（a）展示了对9个太赫兹脉冲进行傅里叶变换后的频域信息，获得的太赫兹频率梳频谱有效带宽为0.01～1.25 THz。为进一步分析系统性能，在有效的频谱宽度内随机选取了THz信号幅度较强的0.4252～0.4258 THz对THz信号的梳齿间隔以及线宽进行展示。如图6（b）所示，多条太赫兹频率梳的恒定间隔为50 MHz，与实验中激发光电导天线产生THz信号的光源重复频率50 MHz高度吻合，这一结果充分证实了系统具有优异的梳齿分辨率特性。并且，在0.425 THz光谱区域内随机选取一根梳齿进行分析，测得该梳齿的线宽为5.51 MHz（定义为光谱谱线强度降至最大值一半时的全宽半高，FWHM）。实验结果表明，采用多脉冲连续采样结合多次相干平均的处理方法，不仅显著提高了太赫兹时域信号的信噪比，而且实现了高精度光学频率梳的探测。

3 结　论

本文提出了一种基于电光双梳的太赫兹光梳光谱探测系统。该系统光源通过孤子自频移技术结合滤波效应，成功实现了具有低相位噪声和高频率稳定性的电光频率梳。在此基础上，实现了超低时间抖动的THz脉冲发射。实验结果表明，经过多次相干平均处理后，该系统梳齿分辨率可达50 MHz，同时测得梳齿线宽为5.51 MHz，充分验证了其在太赫兹光梳光谱高精度测量方面的优越性能。本研究成果不仅为太赫兹光谱测量提供了新方案，而且为太赫兹双光梳光谱技术的实际应用开辟了新的研究方向，在精密光谱测量、分子指纹识别等领域具有重要的应用价值。