综述：中红外与太赫兹双光梳光谱技术的最新进展

《Opto-Electronic Technology》：Recent progress on mid-infrared and terahertz dual-comb spectroscopy

　　

引言
光学频率梳（OFC）由均匀分布的相干谱线组成，具有宽谱覆盖、高分辨率和绝对频率可溯源性。它们已被广泛应用于精密计量学1?3、分子指纹识别4,5以及大气和环境监测6。例如，最近的研究表明，利用真空紫外光学频率梳可以直接激发 229mTh 核时钟跃迁，建立与现有原子钟的频率链路，进一步凸显了光学频率梳在精密计量学中的变革性作用7。与此同时，光学频率梳通过提供复杂气体混合物的快速准确光谱识别，在分子指纹识别领域取得了重大进展。例如，工作于中红外波段的中红外宽带直接梳光谱仪已被用于同时监测多种痕量温室气体——包括甲烷、二氧化碳和氧化亚氮——并在实验室和野外环境中均达到了十亿分之一的灵敏度8。在大气和环境监测方面，便携式光学频率梳系统已被部署用于实时检测大气污染物，包括挥发性有机化合物和氮氧化物，支持城市空气质量评估和排放源追踪9。这些应用凸显了光学频率梳技术在不同光谱波段和测量环境中解决紧迫科学和社会挑战的多功能性。在基于光学频率梳的光谱技术中，双梳光谱技术（DCS）是最强大的工具之一，可实现时间分辨、高分辨率测量。DCS 源自两个相干光学频率梳的干涉拍频，利用多外差检测将光学光谱映射到射频（RF）域，从而保留原始梳的绝对频率精度10?13。DCS 无需任何活动部件，克服了传统光谱仪的关键局限性——如采集速度受限、光谱分辨率有限和频率精度受损等——传统色散仪器4,14 以及基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱（FTS）15,16 均存在这些问题。例如，当与无多普勒技术17 结合时，DCS 可实现亚多普勒光谱，频率分辨率可达兆赫兹（MHz）级别18。在测量速度方面，DCS 利用两梳之间较小的重复频率差（Δfr）（通常在 100 Hz 到 1 MHz 之间）实现异步采样，无需机械扫描，从而将最小采集时间（1/Δfr）推进到微秒（μs）和纳秒（ns）量级13。近期进展——包括亚 GHz Δfr 的芯片级 DCS19,20 以及结合压缩感知技术的可编程梳21——进一步将 DCS 推向实时运行。在光谱带宽方面，非线性频率转换技术22,23 已使光学频率梳扩展至高达六个八度24，为扩展 DCS 的单次光谱覆盖提供了直接途径。此外，紫外光子计数 DCS25 和太赫兹（THz）DCS26 的开发进一步扩大了可测量的范围。从灵敏度角度来看，DCS 与多种增强技术兼容，包括光学腔27、多程池28、空心光纤29 和表面等离子共振30，使气体检测灵敏度达到百万分之一（ppm）级别。为克服探测器背景噪声带来的限制，DCS 还与声光31、光热32 和光机33 光谱技术结合，将检测灵敏度推进到十亿分之一（ppb）量级。虽然近红外 DCS 已展现出卓越的性能34，但近期研究工作日益转向中红外和太赫兹（THz）光谱区域。这种转变是由光谱学的基本性质驱动的：中红外波段涵盖了分子指纹区，其基本振动跃迁比近红外泛频和组合带强几个数量级，可实现增强的吸收对比度、灵敏度和定量分子识别35。与此同时，太赫兹区域提供了分子转动跃迁、弱束缚态以及固体中低频集体模式的访问途径，为分子间相互作用和凝聚态动力学提供了独特的见解36。因此，将 DCS 扩展到中红外和太赫兹领域能够实现宽带和超灵敏的分子指纹分析，大大拓宽其在痕量气体传感、反应动力学、生物医学诊断和精密光谱学中的应用范围。中红外和太赫兹 DCS 的快速发展亟需一篇综合评述，以总结最新突破、澄清技术挑战并确定新兴应用路径。与以往通常聚焦于特定光源平台或光谱区域的评述不同，本评述提供了中红外和太赫兹 DCS 最新进展的统一视角。除了总结代表性演示之外，我们重点强调了在光源架构、相干性保持策略以及相关性能权衡方面的最新发展。我们还讨论了关键的跨波段挑战，包括光谱覆盖、检测灵敏度、系统复杂性、长期稳定性和现场部署能力。通过并排比较中红外和太赫兹区域，本评述突出了共同的方法论瓶颈和互补的应用机会，旨在为光谱学发展提供一个易于入门的入口和未来方向的视角。本文组织如下。第 2 节简要概述 DCS，强调其基本标度律。第 3 节综述中红外 DCS 的产生技术和最新进展。第 4 节回顾太赫兹 DCS 的产生技术和进展。第 5 节综述 DCS 的关键挑战和新兴方向。第 6 节以对近期进展和未来展望的综合分析作为结论。

2 基本原理
图 1(a) 展示了用于高精度光谱分析的经典非对称 DCS 方案。当梳脉冲通过介质时，光谱信息被编码在光学脉冲序列和梳模式的振幅和相位中。通过使用线性光学采样技术，可以获得光学干涉图，从中可以解码编码的光谱信息。图 1(b) 说明了 DCS 线性采样过程的时间域和频率域原理。实际测量中通过参考光路或交错的背景信号消除梳间谱结构。

图 1. DCS 基本原理。(a) 系统架构。(b) DCS 的时间域和频率域特性。在时间域中，DCS 由两个重复频率略有不同的脉冲序列组成（fr1、fr2 = fr1 + Δfr）。一个脉冲序列以 ΔT = 1/(1/fr1 - 1/(fr1+Δfr)) ≈ fr/Δfr 为步长扫描另一个序列，产生时间域干涉信号。经光电探测器检测后，干涉信号以 1/Δfr 为周期重现，有效地对光信号进行下采样。在频率域中，每一对梳齿产生一个频率下移的射频拍频信号，形成间隔为 Δfr 的射频梳。对时间域干涉图进行傅里叶变换可得到射频梳，其中下变频机制将带宽为 Δν 的光学光谱转换为带宽为 Δν/m 的射频光谱，其中 m = fr/Δfr 为转换因子，通常在 104 到 106 之间。这使得覆盖数百太赫兹、包含数十万个梳齿的光学频率（OF）域能够被映射到数百兆赫兹的可探测射频范围内。为避免光谱混叠，所有光学光谱信息均被映射到射频带宽范围（fr/2）内，对应的光学带宽为 Δν ≤ m·fr/2 = fr2/2Δfr。这一关系凸显了一个重要的权衡：增大 Δfr 可以缩短干涉图周期并提高光谱刷新率，但会减小无混叠光学带宽。相反，减小 Δfr 可以覆盖更宽的光学带宽，但会增加单次干涉图的采集时间，并对平均过程中的互相干性提出更严格的要求。

探测器性能也对 DCS 提出了重要的实际约束。探测器必须支持下变频后的射频带宽，并提供足够的线性度、动态范围和灵敏度。在中红外区域，高速探测器通常需要制冷，并在响应度、噪声、饱和功率和带宽之间存在权衡；这些限制在长波中红外区域变得更加严重。在太赫兹区域，探测器的选择更为有限，光导、电光或自混频检测方案在带宽和灵敏度之间提供了不同的折中。这些探测器瓶颈促使了后文讨论的几种间接或混合检测策略，包括上变频检测、电光采样、交叉梳光谱以及自探测量子级联激光器（QCL）/太赫兹 QCL 双梳系统。分辨射频梳齿所需的最小时间为 1/Δfr。然而，这种速度优势被单次光谱采集的低信噪比（SNR）所抵消。对于具有 M 个梳齿的 DCS，在散粒噪声极限下 SNR 为 τ·ncomb/M，其中 τ 是采样时间，ncomb 是每秒检测到的光子数。在宽带测量中，SNR 随着梳齿数的增加而降低（光学光谱带宽 Δν = M·fr），在实际应用中需要对多个光谱进行累加。因此，宽带测量通常需要多个光谱的相干平均，最终最小采集时间由目标 SNR 决定。这种相干平均严重依赖于保持两个梳之间的互相干性。可以通过将两个梳的 fr 和载波包络偏移频率（fceo）锁定到公共参考，或者通过软件进行实时相位校正来实现。

我们进一步指出，重复频率 fr 具有双重作用。增大 fr 可以在给定的 Δfr 下扩大无混叠带宽，并支持更高的测量速度；但它也增加了梳齿间距，从而降低了单次采集中的光谱采样密度。相反，较低的 fr 提供更密集的光谱采样，有利于高分辨率气相光谱学，但对于固定的光学带宽，它增加了梳齿数量，需要更小的 Δfr 来避免混叠，并对探测带宽和相干稳定性提出更高要求。这些权衡解释了为什么宽带中红外和太赫兹 DCS 系统通常需要在光谱覆盖、采集速度、光谱采样密度、探测器带宽和长期互相干性之间取得平衡。它们也促使了不同的系统级策略，包括用于快速采集的 GHz 间距梳、用于密集采样的低重复频率梳、用于扩展带宽的光谱滤波或拼接，以及用于实现优于原生梳齿间距有效分辨率的光谱交错。此外，DCS 中一个重要的考虑因素是用于产生两个互相干梳的架构。最常见的方法是使用两把独立锁定激光器，并参考公共光学或微波标准，这种方式具有很高的灵活性，但需要主动稳定或后处理校正相对相位和定时噪声。或者，两个梳可以从公共种子激光器或振荡器通过电光调制导出。这些公共源方案抑制共模噪声并简化了互稳，但可能存在光谱带宽或梳线数目有限的限制。第三种方法是单腔双梳架构，其中两列脉冲串或模式共享同一谐振腔，提供被动的互相干性并降低稳态要求。然而，这类系统通常面临诸如单腔双梳之间的串扰等挑战。这可能源于多种因素，如共享增益介质、残余耦合、非线性相互作用、泵浦耗散和环境扰动。过度的串扰会产生寄生射频信号、扭曲双梳光谱、降低梳的独立性并恶化定量提取性能。然而，在某些条件下，可控的串扰也可以是有益的。例如，Fellinger 等人利用单腔双色双梳激光器中固有的强度调制，在保持干涉精度的同时扩展了无模糊测距距离37。尽管如此，这些架构为理解以下各节中讨论的差频产生（DFG）基、光参量振荡器（OPO）基、微谐振器基、QCL 基和太赫兹基双梳平台提供了有用的框架。

3 中红外双梳光谱学
在战略上重要的中红外波段，DCS 与可见光和近红外范围已成熟应用的技术相比仍在发展中。非线性平台（包括 DFG、微谐振器频率梳和超连续谱光源）的近期进展使 DCS 得以扩展到中红外分子指纹区。这一进展为精确分子识别和定量分析奠定了坚实基础。本节回顾中红外 DCS 的最新发展。

3.1 差频产生（DFG）
DFG 是一种二阶非线性光学过程，其中两个输入波（频率为 ω1 和 ω2）在 χ(2) 介质中混合产生差频光 ωidler = |ω1 ? ω2|38。在实际应用中，可访问的波长范围主要由非线性介质决定：周期性极化铌酸锂（PPLN）是 3–5 μm 波段的利器平台，凭借其高有效非线性、成熟的制备技术和灵活的准相位匹配；而 GaS、GaSe、定向图案 GaP（OP-GaP）和定向图案 GaAs（OP-GaAs）等长波材料则实现了 5–20 μm 区域部分波段的梳产生，许多较重和更复杂的分子在此区域表现出强烈的基本振动指纹。表 1 总结了用于基于 DFG 的中红外梳产生和 DCS 的代表性非线性晶体。

表 1. 基于 DFG 的中红外梳产生的代表性非线性晶体。非线性优值定义为 d2/n3，单位为 pm2/V2。此处 d 为有效非线性系数，n 表示折射率。

| 非线性过程 | 晶体 | 非线性品质因数 (d2/n3) | 透射波长范围 (nm) |
|---|---|---|---|
| | CdSiP | 224 | 7660–6500 |
| | ZnGeP? | 187 | 740–12000 |
| | GaSe | 143 | 650–18000 |
| | AgGaSe? | 61 | 710–18000 |
| | BaGa?Se? | 29 | 470–18000 |
| | AgGa?S? | 11 | 500–13000 |
| 准相位匹配 | OP-GaAs | 245 | 900–17000 |
| | OP-GaP | 164 | 600–11000 |
| | PPLN | 563 | 330–5500 |
| | PPKTP | 383 | 50–4500 |
| | PPKTA | 373 | 50–4000 |

由于闲频光直接继承了输入光的相干性，差频产生（DFG）已成为将双光梳光谱（DCS）扩展到中红外区域最常用的方法之一。例如，近红外光梳与连续波（CW）激光之间的差频产生已被广泛用于生成互相干的中红外光梳。一个代表性例子是Baumann等人的工作（图2），他们通过在周期极化铌酸锂（PPLN）中将掺铒光纤光梳与连续波激光进行差频混合，生成了中心波长约3.4 μm的中红外光梳。所有光频均锁定到一个共同的超稳定腔上，获得了约4.5 THz的光学带宽，气体测量信噪比高达3500。通过使用专用PPLN晶体，进一步扩展了光谱带宽（单次测量超过8 THz）。同时，对相对电子-光学偏移频率的前馈稳定使系统实现了超过半小时的长期相干性，品质因数为1.1×10? s?1/2。通过调整晶体温度和极化周期，可实现82–100 THz的测量范围。

图2. 基于PPLN的DFG双光梳光谱。(a) 实验装置，(b) 结果，(c) 射频梳齿放大视图。该图经美国物理学会许可，转载自参考文献39。

与传统双光梳光谱依赖锁模激光和复杂锁相电子学不同，电光（EO）频率光梳由于其简单的锁定方案和灵活的频率控制，已成为一种更简单、更敏捷的替代方案。利用这些优势，基于差频产生的EO双光梳光谱已被用于中红外光谱（图3）。差频过程产生平顶型中红外双光梳，具有可调中心波长和重复频率，能够在3.15–3.5 μm范围内以多普勒极限分辨率在毫秒级时间内完成光谱测量。为扩展双光梳的调谐范围，在近红外区域生成了基于EO的双光梳，以可调谐光参量振荡器（OPO）作为泵浦，系统利用差频转换到中红外区域。该系统覆盖了3–4.7 μm中红外区域，梳重复频率为500 MHz，检测到约440个梳模，一秒内信噪比超过10?。为增加单次光谱带宽，级联EO调制与差频产生相结合，生成了中心波长约3.3 μm的中红外双光梳，单次测量带宽达442 GHz，分辨率50 MHz，测量时间为183.6 ms时品质因数为2.94×10? Hz1/2。最近，8 μm区域的EO双光梳已被用于腔增强化学分析。

图3. 基于差频产生的EO调制中红外双光梳原理图。(a) 系统布局，(b) 射频光谱，(c) 射频梳齿放大视图。该图经Springer Nature许可，转载自参考文献42。

尽管概念简单，但梳-CW混合方案从根本上受到CW场低峰值功率的限制，导致非线性相互作用弱，进而降低了中红外输出功率和光学信噪比，尤其在5 μm以上尤为明显。为克服这些限制，基于脉冲的差频方案已被广泛探索。信号频率光梳与飞秒泵浦脉冲在非线如PPLN晶体中混合，可实现更高的峰值强度和增强的转换效率。采用这种方法，在2.5–3.8 μm范围内实现了40–100毫瓦（mW）的中红外输出功率，在4–5 μm范围内实现了1–10 mW的输出功率，足以支持开放路径和长光程光谱测量。这些方案需要精确控制两列脉冲之间的相对延迟，使系统对机械和热漂移敏感，限制了长期稳定性。为克服这些限制，单脉冲差频产生（IP-DFG）将单个超短脉冲内的不同光谱分量进行混合。这种自参考过程本质上保持时间重叠和相位相干，无需外部延迟稳定即可实现宽带、高功率中红外频率光梳生成。通过使用商用1.56 μm锁模激光器、稳健的光纤放大和各种χ?2?非线性晶体中的IP-DFG，双光梳已扩展到覆盖约3–13 μm的光谱区域（图4）。在单次实现中，通过2.4 μm处亚三周期（约20飞秒）脉冲驱动ZnGeP?晶体中的IP-DFG，生成了宽带双光梳（6.6–11.4 μm）。该系统实现了0.1–12秒每张光谱的实时采集率，分辨了超过240,000个梳模，间隔约80 MHz。

图4. 宽带中红外光梳光谱。(a) 使用不同极化周期的PPLN晶体生成的3–5 μm光谱。(b) 使用CSP和OP-GaP晶体生成的7–13 μm光谱。该图经Creative Commons Attribution许可，转载自参考文献48。

表2比较了各种基于差频产生的中红外双光梳实现方案，突出了其性能权衡。简言之，CW泵浦的DFG强调相干性和频率精度，但受限于低中红外功率；EO光梳DFG提供紧凑、电子可调谐和被动互相干优势，但带宽通常受限且需要调谐或拼接；脉冲泵浦的DFG提高了3–5 μm区域的亮度，但需要精确的脉冲同步和相位校正；IP-DFG提供无频率偏移的长波中红外宽带访问，但依赖少周期驱动器和专用非线性晶体。因此，DFG仍然是通往中红外双光梳最灵活的路径之一，但其实际性能往往受限于转换效率、相位匹配和长期稳定性。未来中红外双光梳的进展有望受益于更宽带透射窗口晶体和更高效率的非线性过程，为性能增强的宽带中红外双光梳铺平道路。

表2. 代表性基于DFG的中红外双光梳架构总结

| 架构 | 光谱覆盖 | 分辨率/梳齿间隔 | 品质因数 | 输出功率 | 主要优势 | 主要限制 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CW泵浦DFG配合锁模光梳 | 82–100 THz调谐范围；已演示8.2 THz跨度 | 通常约100 MHz | 1.1 × 10? Hz1/2 | 通常低于100 μW | 高相干性和频率精度 | 低中红外功率 |
| CW泵浦DFG配合EO光梳 | 通常在3–5 μm区域可调，延伸至7.77–8.22 μm | 电子可调谐100–500 MHz；报告50 MHz | 2.94 × 10? Hz1/2 | 通常亚毫瓦至约1 mW | 紧凑、电子敏捷、被动相 coherent | 瞬时带宽受限 |
| 脉冲泵浦DFG | 通常在2.6–5 μm区域可调 | 通常约100 MHz | 约10? Hz1/2 | 通常几毫瓦至约100 mW | 高亮度和宽3–5 μm覆盖 | 需要精确脉冲同步 |
| IP-DFG | 3–13 μm光源覆盖；6.6–11.4 μm | 通常约100 MHz；1 GHz光源平台 | 7.3 × 10? Hz1/2 | 毫瓦级；高达300 mW | 无偏移生成，宽带长波中红外访问 | 需要少周期驱动器和专用非线性晶体 |

**3.2 基于OPO的中红外双光梳**

除基于差频产生的方法外，光参量振荡器（OPO）构成了中红外双光梳的另一强大平台。在OPO中，泵浦场驱动非线性晶体中的参量下转换，产生互相干的信号光和闲频光，同时满足能量守恒和相位匹配条件。当被频率光梳泵浦时，光梳结构可高效传递到中红外。基于OPO的双光梳的主要优势是其显著更高的输出功率和亮度，这直接转化为增强的信噪比和更快的采集速率。早期基于OPO的中红外双光梳演示采用同步泵浦OPO访问约3.3 μm处的C-H伸缩振动区域，实现了约172纳米（nm）带宽和GHz级光谱分辨率。后续实现使用由相位锁定铥光纤光梳泵浦的超宽带次谐波OPO对。这些系统实现了约3.1–5.5 μm的光谱覆盖，分辨了超过3.5×10?个梳齿，单次干涉图采集时间短至7 ms。此外，还演示了ppb级检测灵敏度和25毫赫兹的梳间相对线宽。与此同时，人们也在努力通过放宽相位锁定要求来简化系统。基于两个自由运行飞秒OPO的更简单架构已证明，可以通过同时测量重复频率和电子-光学偏移频率恢复绝对光学精度，无需光学相位锁定。其系统实现了约0.5反厘米（cm?1）分辨率和超过60 nm的光学带宽用于气体监测。

尽管具有这些优势，光学腔的存在本质上使OPO对环境扰动敏感。因此，稳定的OPO双光梳运行通常需要复杂的主动稳定方案，增加了系统复杂性并限制了长期稳定性。

图5. 自由运行飞秒OPO。该图经参考文献52许可，根据Optica开放获取出版协议转载。

为解决这些挑战，已提出并实验演示了单腔OPO架构。通过共享公共腔，单腔OPO本质上抑制了两个光梳之间的相对噪声，实现了约3.3 μm处带宽约300 nm、光谱分辨率6 GHz、时间分辨率20 μs的时间分辨双光梳。最近，OPO双光梳的实用性、稳定性和输出功率得到了进一步改进。例如，单腔自由运行双光梳OPO在3.5 μm附近生成两个闲频光梳，已演示每支路输出功率245 mW，相对强度噪声低于?158 dBc/Hz。最近，同一研究方向在两个方面得到了扩展。首先，宽可调自由运行OPO与双光梳和交叉光梳检测相结合，实现了整个红外区域的灵敏光谱，信号调谐从1300到1670 nm，闲频光调谐从2700到5000 nm。其次，飞秒OPO中的双光梳运行被推进到1 GHz重复频率，证明了高重复频率可以与共享腔架构的紧凑性和互相干优势相结合；该平台还实现了41米开放路径CH?测量，无需主动频率锁定。

图6. 单腔双晶体OPO方案。该图经Creative Commons Attribution许可，转载自参考文献53。

为突出主要架构权衡，表3比较了代表性OPO中红外双光梳系统。OPO双光梳已从高功率宽带实现演变为具有简化稳定复杂度和改进实际灵敏度的架构。相位锁定次谐波OPO提供宽瞬时覆盖和优异相干性，但需要复杂的泵浦光梳和OPO腔稳定。自由运行OPO双光梳通过射频校准或光谱配准简化操作，尽管相干平均和频率精度仍受自由运行波动限制。单腔和共享腔OPO进一步抑制相对噪声并支持高单线功率，但需要仔细管理腔色散、光谱重叠和梳间串扰。由于其出色的功率可扩展性和光谱可调谐性，OPO已成为高性能中红外双光梳的主要解决方案。然而，OPO双光梳的波长覆盖最终受限于所用非线性晶体的透射和相位匹配条件，大多数实际实现主要工作在3–5 μm光谱区域。将OPO双光梳向更长中红外波长扩展通常需要专用材料和日益复杂的腔设计，这进一步限制了系统鲁棒性和可扩展性。相比之下，量子级联激光器固有地在中红外发射，可直接在3 μm以上波长提供频率光梳操作，如下节所述。

表3. 代表性基于OPO的中红外双光梳架构总结

| 架构 | 光谱覆盖 | 分辨率 | 品质因数 | 输出功率 | 主要优势 | 主要限制 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| OPO高功率双光梳 | 3.1–5.5 μm | 通常几十MHz | ~1.3×10? Hz1/2 | 从几毫瓦调整至约70 mW | 高中红外亮度和宽瞬时覆盖 | 需要复杂泵浦光梳和OPO腔稳定 |
| 带频率校准的自由运行OPO双光梳 | 通常在2.7–5 μm区域可调 | 0.5 cm?1分辨率 | 品质因数未报告 | ~100 mW | 更简单操作 | 自由运行波动限制相干平均 |
| 单腔/共享腔OPO架构 | 通常在2.7–5.0 μm可调 | 80 MHz至1.03 GHz梳齿间隔 | 3.5 × 10? Hz1/2 | 200–320 mW | 抑制相对噪声，支持高单线功率 | 需要考虑串扰和降低独立光梳控制 |

**3.3 基于量子级联激光器的中红外双光梳**

量子级联激光器（QCL）是基于工程化半导体量子阱中子带间跃迁的单极半导体激光器，可直接访问3 μm以上的中红外光谱区域。在基于量子级联激光器的频率光梳中，多个纵模通过强腔内非线性相互作用，主要是由活性介质超快增益动力学启发的四波混合，本质上是相位相关的。这种自相位锁定机制使量子级联激光器能够作为紧凑的、电泵浦的中红外频率光梳源运行，无需外部非线性转换级。

由于量子级联激光器（QCL）具有高输出功率、直接长波长发射以及固有的梳状多模工作状态，基于QCL的光频梳（OFC）尤其适用于双梳光谱（DCS），尤其是在参量下转换（DFG）或光参量振荡器（OPO）方法难以覆盖的波段。早期研究已展示了室温下基于QCL的频梳运行，波长约为7 μm[57]。该器件展现出4.4%的相对带宽，表明QCL腔内的四波混频可自发产生频率梳，无需主动锁模。在此基础上，基于QCL的DCS随后得到实现[58]，其重叠光谱带宽约为15 cm?1，梳齿间隔精度达到毫赫兹级别。为进一步提升集成度与长期稳定性，研究团队开发了芯片上架构[59]。该系统工作在约7.5 μm波长处，提供32 cm?1的重叠光谱带宽，并以GHz级重复频率展示了宽波段中红外性能。近期基于QCL的DCS进展包括对频梳自由度的稳定控制。相干注入锁定通过将重复频率锁定到射频参考信号，为QCL频梳的稳定提供了全电学途径[60]，同时在紧凑平台上保持了梳齿相干性。最近，中红外QCL双梳系统通过使用单模QCL参考进一步实现了稳定化和频率锁定，提高了频率轴的精度[61]。光注入也被用于同步两个QCL频梳：将每个光源的一条梳齿锁定到同一主激光器，从而同步其载波偏移，配合重复频率的电学锁定，实现了稳定的双梳运行[62]。大量工作还致力于扩展基于QCL的DCS的输出功率和光谱覆盖范围。通过色散工程化的有源区，已实现了瓦级输出、中心波长接近8 μm的高功率QCL频梳，光带宽接近85 cm?1。在DCS构型中，这些光源已实现215条梳齿，光带宽超过70 cm?1[63]。同时，基于QCL的DCS已扩展至不同中心波长[64,65]。为实现高精度光谱测量，利用电流调谐频梳的自由运行QCL-DCS已实现无缝光谱覆盖。该方法中每条梳齿提供55 cm?1的光带宽和数百毫瓦的功率，实现0.001 cm?1分辨率的连续光谱覆盖（见图7）[66]。图7展示了甲烷的吸收（上图）和色散（下图）光谱，插图展示了高亮区域的放大细节。图7 reproduced with permission from ref.66, under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement. 基于阶梯扫描电流调谐的互补技术也被开发出来，构建MHz级频率轴校准，在约1308 cm?1处展示50 cm?1范围、GHz级重复频率的运行[67]。这些实验在不需外部锁相的情况下实现了MHz级精度，凸显了QCL频梳固有的频率稳定性和电子可调性。为进一步扩大检测范围，基于中心波长9 μm、瓦级输出功率QCL的长波红外DCS也已被提出[68]。综上所述，基于QCL的DCS可直接访问分子指纹区，采用紧凑的电学泵浦光源，通常在5–10 μm范围内运行。已报道的系统一般提供数十个波数的光学跨度，7.5–15 GHz的固有梳齿间隔，以及毫瓦至瓦级的输出功率。其高重复频率可实现快速光谱刷新和亚微秒时间分辨率，而电流调谐和光谱交错可将有效采样间隔改进至兆赫兹或亚兆赫兹级别。然而，较大的固有模式间隔限制了窄分子特征的直接采样，光谱交错在提高分辨率的同时以采集速度和复杂度为代价。此外，瞬时光谱覆盖通常比宽带DFG或OPO系统更窄，频率精度和相干平均仍对相位噪声、热及电流波动和色散敏感。因此，基于QCL的DCS在特定指纹带的紧凑、高功率和高速传感方面尤为有吸引力，而宽带和高精度光谱通常需要额外的稳定、校准或计算修正。基于QCL的DCS的潜在应用已在近期综述中得到广泛讨论[69]。

3.4 片上中红外DCS

基于集成光子平台的中红外DCS生成已通过三种代表性非线性机制取得进展：微环谐振器Kerr频梳、纳米光子学超连续谱生成（SCG）以及波导基DFG[70]。微环谐振器Kerr频梳依赖于连续波泵浦下的级联四波混频产生耗散Kerr孤子，可通过精密色散和腔设计进一步扩展。SCG利用色散工程化纳米光子学波导中的孤子动力学和色散波发射，将近红外频梳相干地向长波长延伸。相比之下，波导基DFG方案利用脉冲内相互作用实现宽带、相位匹配的频率下转换进入中红外区域。这些方法共同为片上、宽带、相互相干的中红外DCS提供了互补途径。

基于硅芯片的中红外DCS已通过Kerr非线性在连续波泵浦微环谐振器中实现（图8），产生互相干频梳覆盖2.6–4.1 μm[71]。由于极短的腔长，此类Kerr频梳光源具有大的模式间隔和高脉冲能量，从而具有高信噪比和快速速度。除Kerr频梳实现外，纳米光子学SCG提供了集成中红外DCS的替代途径，如图9所示。该方案采用色散工程化Si?N?波导，通过孤子动力学和色散波发射将近红外频梳相干地延伸至2.5–3.7 μm，实现了完全集成的中红外DCS[72]。为进一步增强相干性和集成度，基于交错DFG的反向传播孤子微环谐振器DCS已被开发[73]。该方案产生两个中心波长约3.3 μm、齿距为1.4–2.8 GHz的互相干中红外频梳。与此同时，研究还致力于提高输出功率和光谱覆盖，波导型PPLN DFG器件产生了覆盖2.7–4.6 μm的毫瓦级中红外DCS，并成功应用于气相吸收光谱[74]。通过LiNbO?波导中的脉冲内DFG进一步简化了系统复杂度，产生了覆盖3–4 μm（约25 THz带宽）、100 MHz分辨率、具有优良长期稳定性的紧凑中红外DCS，用于甲烷检测[75]。图8展示了硅芯片基中红外双梳生成。(a) 实验装置：连续波OPO泵浦两个独立的硅微环谐振器产生互相干锁模Kerr频梳。(b) 两条频梳的光谱（红色和黑色）及其合并多差谱（蓝色）。(c) 射频频谱。图8 reproduced with permission from ref.71, under a Creative Commons Attribution License. 图9展示了纳米光子学超连续谱基中红外DCS。(a) 实验装置。(b) 重构的中红外频梳，显示气体物种CH?、C?H?以及环境H?O的吸收。图9 reproduced with permission from ref.72, under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement.

近期孤子微梳工程方面的进展进一步改善了微环谐振器基DCS的前景。尽管大多数演示已在近红外和通信波段完成，但基础技术与未来的中红外和THz DCS相关，因为它们改善了梳齿稳定性、光谱质量和色散控制。例如，Fu等人利用腔多边形模式在铌酸锂微环谐振器中展示了孤子微梳生成，显示了模式工程在色散管理方面的优势[76]。Liu等人在硅氧氮化物微环谐振器中报道了具有近理想光谱包络的孤子微梳，有望用于低噪声光谱和测距应用[77]。这些进展凸显了孤子和色散控制对于开发紧凑和相干片上DCS光源的重要性。

表4比较了集成中红外DCS平台及其权衡。Kerr频梳可实现高单线功率和快速采集，但通常具有较大的梳齿间隔。纳米光子学SCG提供宽带、相干光谱覆盖和相对密集采样，但需要放大飞秒泵浦和精密色散工程。波导基DFG（包括微梳辅助交错DFG和脉冲内DFG）提供紧凑高效的波长转换和灵活梳齿间隔，但其性能受相位匹配、波导色散、损耗和探测器响应的限制。这些进展已将可访问的中红外范围从2.6–4.6 μm扩展，对应超过40 THz的光谱覆盖。从块状晶体DFG到集成波导、纳米光子学SCG和Kerr微环谐振器频梳的技术演进展示了向片上、宽带和高相干中红外DCS发展的明确趋势。

表4 代表性片上中红外DCS架构汇总

| 架构 | 光谱覆盖 | 分辨率/梳齿间隔 | FOM | 输出功率 | 主要优势 | 主要限制 |
|------|----------|----------------|-----|----------|----------|----------|
| 微环谐振器Kerr频梳[71] | 2.6–4.1 μm | 通常数十GHz至127 GHz | >10? Hz1/2 | 数mW | 超快采集 | 大梳齿间隔限制高分辨率气体光谱 |
| SCG[72] | 2.5–3.7 μm | 通常约100 MHz | ~10? Hz1/2 | 数mW | 宽带、平坦、相干覆盖及密集采样 | 需要放大飞秒泵浦和精密色散控制 |
| 波导基DFG[73?75] | 2.7–4.6 μm | 通常从约100 MHz至数GHz | ~10? Hz1/2 [75] | 数mW | 紧凑高效MIR波长转换；IP-DFG可无偏移 | 波导色散和探测器响应限制带宽和信噪比 |

总之，实施DCS的关键要求是在目标光谱范围内有可用的相干频率梳。尽管近红外波段的光频梳技术日趋成熟，但中远红外区域的频梳生成仍在积极开发中。如图10所示，不同光谱区域的DCS演示在光谱分辨率、频率精度、信噪比和系统级误差控制方面表现出显著差异，反映出DCS性能对相应波长范围内OFC技术成熟度的强依赖性。图10展示了DCS演示的光谱覆盖范围，不同颜色代表不同光源平台，包括DFG基中红外DCS[39,40,42?49]、OPO基中红外DCS[50?55]、QCL基中红外DCS[58?60,63?68]以及波导或微腔基中红外DCS[71?75]。

4 THz光谱学

THz波大约涵盖0.1–10 THz，占据微波与红外光之间的光谱区域。近年来，光频梳技术的进展开辟了进入THz领域的变革性途径。宽带THz频梳目前通过两种主要技术方法实现，各有优势。第一种依赖光下转换：飞秒激光驱动光电导天线（PCA）或电光晶体产生THz频梳，具有宽光谱覆盖（如0.1–4 THz）和密集齿间距，适合宽带高分辨率光谱。第二种方法基于直接THz产生，最突出的是使用完全稳定的QCL频梳。这些光源提供高单线功率和卓越的分数频率稳定性，达到10?12量级，特别适合高信噪比测量，尤其是在强吸收分子带中。两种方法产生的THz频梳均实现THz时钟与光时钟之间的直接频率比较，有效地将THz频率与可溯源至国际单位制（SI）的光学标准联系起来。

4.1 宽带THz频梳光谱学

宽带THz频梳主要通过光到THz转换生成，其中飞秒光频梳作为泵浦源。因此，THz频梳的时域和频域特性从根本上继承自驱动光梳。在时域中，飞秒梳的脉冲持续时间决定了可达到的THz光谱带宽：更短的光脉冲对应更宽的THz光谱。同时，对脉冲重复频率和时序的精确控制对于构建稳定的THz频梳至关重要，也是高精度采样技术如异步光采样（ASOPS）的基础。在频域中，光梳的稳定性直接决定了生成的THz梳的线宽、相位相干性和长期稳定性。通过锁模和频率稳定技术[2]，可实现超稳定、高相干的光频梳。这些特性随后通过非线性频率转换转移到THz区域，产生具有极窄线宽和明确绝对频率的THz频梳。相干性和频率精度的直接传递为超高精度THz光谱、精密频率计量和相干探测应用奠定了坚实基础。THz双梳光谱（THz-DCS）的发展旨在克服传统机械延迟线系统固有的分辨率限制。通过采用重复频率略有失谐的两个频梳实现ASOPS，THz-DCS消除了机械扫描，将快速THz时域信号映射到射频域。该策略显著提高了光谱分辨率和采集速度。THz-DCS的性能严重依赖于光梳的精确稳定和相对时间抖动的有效抑制。

为了维持长期相互相干性，采用了自适应采样和共光路单腔双梳（SCDC）激光架构等先进技术。这些方法确保了稳定的多外差检测，并能够在太赫兹频段实现高精度、多普勒极限的光谱测量。2006年，Yasui等人78率先实现了一种开创性演示，利用多外差方案实现了宽带多模太赫兹频率梳检测。他们实现了81.8 MHz的梳齿间距和2.5×10?7的频率精度，标志着近红外双梳光谱技术首次成功扩展到太赫兹波段。2015年，Finneran等人79报道了一种同时实现十倍频程带宽和千赫兹级梳齿线宽的太赫兹双梳光谱系统，有效解决了太赫兹波段中长期存在的频谱覆盖范围与频率精度之间的矛盾。其梳源覆盖0.15–2.4 THz，模式间距为80 MHz，单梳齿线宽为3.7 kHz，对应相对精度为1.8×10?9。在水蒸气跃迁测量中，该系统达到了6.1×10?8的精度，达到了多普勒极限精度（图11(a, b)）。值得注意的是，这一性能是在全室温平台上实现的，为天体物理学和高分辨分子光谱学等前沿应用提供了一种实用而强大的工具。

图11 基于锁模激光的双梳系统原理图及典型结果。(a) 对225 ns太赫兹脉冲串在延迟时间域进行傅里叶变换，得到延伸至2.4 THz的频率梳，梳齿宽度为4.4 MHz。(b) 通过将时域测量延长至268 μs，太赫兹梳齿宽度可降至3.7 kHz。(c) 0.557 THz附近的太赫兹梳谱。(d) 同一频率范围内光谱交错的太赫兹梳的幅值谱。通过扫描重复频率并叠加10次测量，离散谱得到有效填充，呈现出清晰的吸收凹陷。(e) 水蒸气旋转跃迁110←101的压力展宽特性。(f) 高精度中红外应用：通过将八组频率偏移梳的测量数据（不同颜色圆点）进行组合，有效光谱采样间隔从80 MHz加密至10 MHz，以66 MHz线宽精确分辨了730.85 cm?1处乙炔（C2H2）的吸收谱线。图经许可复制自：(a, b) ref.79, American Physical Society；(c–e) ref.80；(f) ref.81，基于知识共享署名许可协议。

为克服宽带光谱采样中离散梳模间距带来的限制，2017年Yasui等人80提出了一种扫描式太赫兹双梳光谱交错技术。通过精细调节梳参数并交错叠加连续光谱，他们在水蒸气（10 Pa）0.557 THz处110←101旋转跃迁的测量中实现了2.5 MHz的有效采样间隔——等于梳齿线宽——以及8.39×10?7的频率精度（图11(c–e)）。该方法在不牺牲精度的前提下显著提高了光谱点密度。在此基础上，Konnov等人81产生了覆盖1.5–45 THz的超宽带太赫兹频率梳，同时保持80 MHz梳齿间距，并通过光谱交错实现了10 MHz的有效分辨率。在4 mbar条件下对CO2和C2H2气体的测量中，该系统成功分辨了窄至66 MHz线宽的吸收特征（图11(f)），展示了在极宽光谱范围内进行快速、高精度分子指纹识别的强大潜力。

共光路单腔双梳激光和自适应补偿方案等技术进步——最初为光学双梳系统开发——现已成功移植到太赫兹领域。其应用显著降低了太赫兹频率梳系统的复杂度，消除了对完全独立梳稳定的需求。SCDC架构固有的"被动相干性"为高精度、高分辨率太赫兹测量提供了稳健的平台。例如，Hu等人82利用基于SCDC的系统实现了覆盖0–2 THz的宽带太赫兹光谱学。通过引入腔内Lion滤波器来定制增益谱并补偿色散，他们实现了稳定的双梳运行，并完成了乙腈（CH3CN）旋转跃迁的高精度测量。对于39个分辨出的吸收峰，测得频率与JPL数据库值的偏差仅为563 MHz，证明了系统简化在实用性和宽带探测能力方面的可靠性。Nakajima等人83进一步展示了长期稳定性的改进，他们采用了一种基于机械共用的全保偏光纤激光结构的SCDC配置。该设计实现了1 s平均时间内低至0.02 Hz的阿伦方差，并在0.1–1.5 THz范围内实现了对水蒸气吸收线的高精度识别。这些进展突显了基于SCDC的架构在增强太赫兹双梳光谱学的相干性、稳定性和实用性方面的有效性。

为缓解SCDC系统中因频率偏移漂移导致的非均匀采样问题，Chen等人26提出了一种基于自由运转SCDC光纤激光的自适应采样方案。如图12(a, b)所示，该方法无需严格相位锁定即可动态校正时序波动，实现模式分辨的太赫兹双梳光谱学。系统实现了48.8 MHz的光谱分辨率和4.88 MHz的梳齿线宽，证明即使采用简化的稳定策略也能实现高质量的太赫兹双梳光谱。相比之下，Xia等人84通过在太赫兹双梳光谱平台上引入实时时钟校正来提高长期稳定性。他们的方法提取光拍频信号并施加松耦合的主动频率稳定来补偿慢漂移，大幅提升了运行鲁棒性。系统连续运行超过1200小时，实现了66.14 MHz的光谱分辨率、1.9 kHz的超窄梳齿线宽以及1.7×10?9的相对频率精度（图12(c)）。综合而言，自适应采样和实时时钟校正这些策略展示了在简化太赫兹双梳架构的同时保持高分辨率、窄线宽和长期稳定性的互补路径。

图12 自适应太赫兹梳谱。(a) 在不同采样时钟下平均100000次后的时域波形对比。(b) 在常温常压空气环境中获得的梳模分辨太赫兹谱。(c) 通过自适应时钟对68524个连续太赫兹脉冲合成的频率梳进行傅里叶变换，覆盖至1.2 THz，梳线宽为1.9 kHz，峰值动态范围为35 dB。图经许可复制自：(a, b) ref.26；(c) ref.84，基于知识共享署名许可协议。

4.2 基于电光梳的太赫兹双梳光谱

根据现有报道，由锁模激光器（MLLs）产生的太赫兹频率梳通常能达到10?9量级的相对频率精度，对应千赫兹范围的梳齿线宽。要实现更高精度，需要将飞秒光梳紧密稳定至超稳连续波参考激光。虽然该策略可大幅改善长期频率精度，但引入了显著的技术挑战。特别是，飞秒梳固有的宽带相位噪声由于电子锁相环的有限带宽而难以完全抑制。因此，残余噪声限制了相干转移，且整体系统变得 considerably 更加复杂、庞大，不利于广泛部署。此外，由谐振腔定义的锁模激光器重复频率本质上限制了梳线间距的可调性，通常只能在其标称重复频率的约1%以内调节。这种有限的灵活性制约了其在需要精细可调频率网格的场景中的适用性，例如分辨气态分子中紧密间隔的超精细跃迁。

近年来，电光梳作为一种极具吸引力的替代方案应运而生。由于其直接由单频连续波激光合成——通常参考原子钟——其频率稳定性被动继承自微波或光学参考。此外，电光梳提供梳齿间距和载波频率的宽带连续可调性，同时具有相对简单稳健的架构。这些特点使基于电光梳的太赫兹系统在高精度、灵活性和可现场部署的光谱应用中尤为引人注目。作为电光梳在太赫兹领域潜力的早期演示，Jerez等人85开发了一种完全基于电光调制器和标准电信器件的绝对频率太赫兹双梳光谱仪。其工作原理如图13所示。在该设计中，通过光注入锁定从主频率梳中滤出的一条光学线作为种子，电光生成两个新的梳，分别指定为探针梳和本振梳。这两条梳与从同一主梳中选择的另一条相干线在光电导天线中光混频，产生具有窄线宽且梳齿频率可溯源至射频标准的太赫兹双梳。该系统提供0.09596至0.49596 THz可调中心频率、100 MHz固定梳齿间距、10 μs时间分辨率以及85绝对频率精度。长期稳定性表征显示90分钟内频率漂移小于±2.5 Hz，3 dB线宽低于频谱分析仪的分辨带宽——表明高互相关性。重叠阿伦偏差显示白频率调制和闪烁频率调制之间的分数频率不稳定性。以400 μs积分时间计，系统在75条光谱线上实现了平均102的信噪比，对应1秒时的品质因数为3.83×105。该架构消除了对双稳定飞秒激光器的需求，为高分辨率太赫兹光谱学提供了一种紧凑、经济高效且高度灵活的解决方案。

图13 电子合成太赫兹双梳的实验装置和生成过程示意图。主光频梳通过光注入锁定作为频率标尺进行相干模式选择。对第一条光模进行相位调制并在两条路径中传播，产生光学双梳。该信号与从主光频梳中滤出的第二条光模光混频，创建用于探测样品的超低相噪太赫兹双梳。在肖特基二极管中重叠太赫兹双梳，生成下变频至射频域的可数字化处理梳，从而获得印记的光谱特征。按字母顺序：LD，激光二极管；PD，光电探测器；SD，肖特基二极管。

在电光梳精确光谱测量能力的基础上，Fang等人86通过在太赫兹波段将静态双电光梳源与线性扫描连续波混频器相结合，展示了一种扫描双梳超光谱成像系统。在0.22–0.32 THz范围内工作，该系统实现了50 MHz的频率分辨率和毫米级空间分辨率。该配置实现了同时的材料识别——通过检测甲醇和氰化氢的吸收特征进行验证——和高分辨成像（图14(a, b)），突显了双梳技术在太赫兹波段集成的光谱成像方面的潜力。在另一种策略中，Stroud等人87开发了一种用于太赫兹光谱的双啁啾脉冲电光频率梳系统。通过在本振和检测臂中采用具有不同带宽的啁啾脉冲，并应用相滑移信号处理，他们在射频域合成了约3180条有效梳线。该方法实现了对甲酸在0.3–0.6 THz区域稳态吸收光谱和瞬态动力学响应的同步采集，成功分辨了密集间隔且部分重叠的旋转跃迁。

图14 双电光梳太赫兹光谱。(a) 扫描频率双梳的光子太赫兹谱示意图。(b) HCN蒸气在0.22–0.32 THz的透射光谱。图经许可复制自ref.86，基于知识共享署名许可协议。

尽管取得了这些进展，基于电光梳的太赫兹实现方案仍受限于带宽和固有梳线密度，在太赫兹域中通常仅限于几十个物理梳模。扩展光谱覆盖范围通常需要通过对非线性光谱展宽产生的宽带飞秒电光梳。然而，此类非线性过程往往引入额外的相位和幅度噪声，导致梳齿线宽展宽和互相关性退化。这些在带宽扩展与光谱纯度之间的权衡继续对高精度、宽带太赫兹电光梳系统构成关键挑战。克服这些限制的一种策略是在多波长激光器（MWL）中使用光谱倍增，从而避免噪声与带宽之间的矛盾88。在他们的方案中，窄带电光梳（自由光谱范围约1 GHz）被光注入到与相位控制反馈腔单片集成的半导体多波长激光器中（图15(a)）。得益于MWL内固有的模式耦合，注入的梳被光谱倍增到间距高达1.3 THz的多个纵模（图15(b)），有效地生成多个继承原始电光梳相干性的子梳。

通过以纳秒时间尺度调节反馈相位，系统能够在不同太赫兹范围偏移（例如，26 GHz、54 GHz 和 1.3 THz）处的倍频梳之间实现敏捷切换，消光比超过 30 dB（图 15(c, d)）。此外，通过向注入的梳中增加一个附加频率成分，可以实现倍频子梳之间的级联相位锁定，从而产生线宽达到亚赫兹水平的拍频信号。该方法表明，无需非线性光谱展宽即可实现太赫兹范围的梳倍频，从而在保持电光梳低相位噪声的同时显著扩展其有效带宽（图 15(e)）。

图 15. 利用反馈控制的半导体多波长激光器实现太赫兹范围敏捷频率梳光谱倍频。(a) 实验装置。为产生电光梳，外腔激光器（ECL）发出的光被送入由任意波形发生器（AWG）驱动的 Mach-Zehnder 调制器（MZM，Vπ≈6 V）。通过偏振控制器（PC）和掺铒光纤放大器（EDFA）分别调节该注入信号的偏振和强度。光通过透镜化光纤（LF）耦合进出含有带反馈腔的多波长激光器（MWL）的光子集成电路（PIC）。高分辨率（5 MHz RBW）光谱分析仪（OSA）记录输出光谱。光带通滤波器（BPF）后接高速光电二极管（40 GHz 带宽）用于选择子梳，然后由电频谱分析仪（ESA）进行分析。(b) 反馈关闭时（ISOA2 = 0 mA）且在波长 λ3 附近注入窄带梳时的再生和倍频梳的光谱。虚线指示 MWL 残余纵向模式的波长 λ1 至 λ4。没有反馈时，频率梳在 λ4 附近被倍频。(c) 不同子梳的光功率随施加于电光相位调制器（EOPM）的电压 VEOPM 的变化，条件为 ISOA2 = 21 mA 且在 λ3 附近进行梳注入。梳切换发生在 λ1、λ2 和 λ4 附近的倍频梳之间。(d) 不同 VEOPM 值下的光谱：V1 = 0 V，V2 = 3 V，V3 = 4.6 V，V4 = 7 V，V5 = 8 V。(e) 各梳（倍频和再生）中频率成分之间产生的拍频的射频光谱。低线宽（< 1 Hz），受限于 ESA 的分辨率带宽（1 Hz），表明注入梳的相干性在注入后得以保持。

从另一个角度应对带宽和噪声挑战，最近报道了一种由光电导天线（PCA）配合低噪声近红外电光梳驱动产生的宽带太赫兹频率梳（图 16(a)）89。核心创新是一种结合孤子自频率移动（SSFS）和光谱滤波的方案，有效地抑制了电光梳的宽带相位噪声，从而消除了对复杂主动相位锁定环的需求。该策略实现了超宽光谱覆盖（0.05–4 THz）（图 16(b)）、0.3 Hz 的超窄梳线宽，以及在 1 秒平均时间下 8.6×10?14 的卓越频率稳定性（图 16(e)）。通过异步光学采样，在太赫兹波段内分辨出约 36000 条梳线，展示了高光谱密度和长期相干性。此外，该系统实现了梳间隔的快速、大范围可调性，进一步增强了其在精密测量中的灵活性。通过在相对简化的架构中结合宽带覆盖、亚赫兹线宽和卓越稳定性，该工作为宽带太赫兹频率梳建立了一个计量级平台，为高分辨率光谱学和精密频率计量提供了巨大潜力。

图 16. 太赫兹（THz）梳生成。(a) 实验装置。CW，连续波；RF，射频；H-maser，氢原子钟；PPG，皮秒脉冲发生器；FP-EOM，法布里-珀罗电光调制器；EDFA，掺铒光纤放大器；IM，强度调制器；ISO，光纤耦合隔离器；PMF，保偏光纤；BPF，带通滤波器；PCA，光电导天线；SSFS，孤子自频率移动；f，频率；N，分频数。(b, c) 飞秒电光梳的光谱和自相关迹线。自相关数据（蓝色）由高斯曲线（红色）拟合。(d) 电光梳的相位噪声谱，有/无 SSFS 和光谱滤波两种情况下的测量结果。(e) 电光梳的艾伦方差。虚线框中的示意图说明了 SSFS 在 2 m 保偏光纤中实现初始电光梳与受激发射噪声之间的光谱分离。

4.3 太赫兹量子级联激光器（THz-QCLs）

自 Kazarinov 和 Suris 于 1971 年从理论上提出量子级联激光器（QCL）90 以来，它经历了大量发展，特别是在太赫兹光谱区域。1994 年，Faist 及其在贝尔实验室的合作者成功开发了首个基于 InGaAs/AlInAs/InP 材料系统的 QCL91。2002 年，K?hler 等人92 成功演示了首个太赫兹 QCL，这是一个重大里程碑。此后，由于空间烧孔（SHB）引起的强四波混频（FWM）非线性，以及克尔非线性与群速度色散（GVD）之间的平衡93,94，QCL 已成为太赫兹辐射产生和频率梳运行的有前景光源。然而，自由运行的太赫兹 QCL 由于载波频率和重复频率不稳定性引起的相位噪声，作为低噪声频率梳光源面临挑战。实现稳定的梳运行需要最小化 GVD95,96，可采用 Gires-Tournois 干涉仪或双啁啾镜等方法来调整整体色散曲线97,98。已开发主动稳定化技术来稳定重复频率并增强模式稳定性和光谱覆盖范围99?103。相位锁定策略进一步稳定了偏移频率104,105。此外，被动稳定化技术，如将饱和吸收体集成到激光腔中，通过选择性吸收较弱的背景成分促进稳定的脉冲振荡106,107。与传统锁模激光器不同，太赫兹 QCL 梳主要依赖超快增益动力学和腔内四波混频来在纵向模式之间建立相位相干性。QCL 有源区中皮秒级的载流子寿命实现了高效的模式耦合，而 SHB 引起的增益调制、克尔非线性和波导色散之间的相互作用决定了梳的形成和稳定性94,108,109。因此，即使微小的残余 GVD 也会破坏相位匹配条件，导致梳状态退化或转变为高相位噪声状态。随着光谱带宽向倍频程跨越运行扩展，这种敏感性变得更加明显。尽管太赫兹 QCL 是紧凑型半导体高功率太赫兹辐射源，但其窄带发射使其不适合复杂光谱学。为增强太赫兹 QCL 的带宽，Hu Qing 等人将可见光色散补偿技术应用于太赫兹 QCL，证明可以制造任意增益介质来生成被动梳结构。此类梳覆盖了近 500 GHz 的频率范围，具有超过 70 条频率为 3.4 THz 的谱线，性能比主动锁模方法提高了近一个数量级110。在图 17(a–c) 中，对于太赫兹 QCL DCS，该团队演示了首次使用两个太赫兹 QCL 梳进行的多外差光谱测量。在 250 GHz 光谱范围内，他们使用低温探测器实现了平均信噪比（SNR）34 dB，使用室温探测器实现了 24 dB，并在短短 100 μs 内完成了测量110。进一步地，该团队通过将基于 QCL 的太赫兹 DCS 扩展到太赫兹区域，首次实现了对气体分子样本的毫秒级时间分辨率测量，证明了利用 QCL OFC 进行高时间分辨率太赫兹 DCS 的可行性111，如图 17(d) 所示。

图 17. 宽带太赫兹 QCL DCS。(a) 使用两个重复频率略有不同的频率梳进行的多外差光谱测量。(b) 实验装置。插图展示了安装在铜支架上的实际激光频率梳，两者均通过硅透镜耦合。(c) 梳运行模式下某一器件的激光光谱。(d) 从双梳光谱图四个实验阶段中恢复的时间分辨十进制（base-10）吸光度。粗线为 10 点移动平均。

为了克服太赫兹 QCL 缺乏敏感和快速探测器的限制，Jerome Faist 等人开发了一种不需要快速探测器的双梳结构，从而减小了器件尺寸并消除了额外的光学元件。在图 18(a–c) 中，该团队利用其中一个梳作为探测器来测量两组自由运行太赫兹 QCL 频率梳的多外差拍频信号，充分利用了量子级联有源区的独特特性。最多可检测到 30 个模式，对应双梳配置下 630 GHz 的光谱带宽112。虽然片上双梳系统紧凑，但其结构限制阻碍了其在实际物质检测中的应用。在双金属波导 QCL113 中，梳之间的光学耦合通过底部金属边缘发生，而在单等离子体波导 QCL114 中，耦合通过激光器衬底发生。因此，片上配置不允许在两个梳之间放置样品。此外，他们展示了一种平坦化的太赫兹 QCL，其逆设计端面孔反射器耦合到面发射贴片阵列天线，并演示了一个覆盖 800 GHz、峰值功率高达 13.5 mW 的平面太赫兹 QCL 频率梳，如图 18(d) 所示115。最近，该团队演示了一个集成有源三通道波分复用器（WDM）并配备太赫兹 QCL 梳的片上系统。WDM 输入耦合到集成太赫兹 QCL 频率梳，提供三个 330 GHz 宽带输出端口，范围从 2.2–3.2 THz，最大串扰为 ?6 dB，如图 18(e–i) 所示116。

图 18. 集成太赫兹 QCL DCS。(a) 使用 Bruker 80v FTIR 测量的双梳光谱（蓝色曲线）。插图显示模式由两个峰值组成，两者间隔 4.4 GHz，接近 FTIR 的分辨率极限（2.25 GHz），对应两个梳。红色曲线为从本振激光器偏置电流中提取的相应多外差光谱。(b) 相应的间模拍频信号。插图显示各个拍频的放大图，线宽低于 1 kHz。(c) 多外差光谱中一条谱线的放大图。(d) 在 30 K 冷台温度下连续波测量的 10% 反射率逆设计端面器件的太赫兹和射频光谱。(e) 有源材料被 BCB 包围的平面化器件结构示意图。(f) 平面化之前干刻蚀 WDM 逆设计区域的扫描电镜图像。(g) 完全制造的器件的光学显微镜图像。(h) QCL 部分输出到 WDM 输出端口的传输 CST 三维数值仿真结果。(i) QCL 和 WDM 输出的光谱测量。

2019 年，Li 等人开发了一种紧凑的太赫兹多外差光谱仪，利用两个空间分离的 QCL 频率梳，允许通过在两者之间放置样品进行快速光谱检测117。该装置成功建立了可靠的微波至太赫兹频率链接，通过在不同相对湿度（RH）水平下测量的 DCS 进行了验证。进一步地，他们开发了几种实现稳定太赫兹 QCL DCS 源的方法118,119。2023 年，Li 等人120 提出了一种用于太赫兹 QCL 双梳系统的自参考频率稳定方法，消除了对复杂外部相位锁定电子设备的依赖。该方法通过滤波一条双梳谱线并将其与整个双梳信号混合，有效抑制了双梳载频中的共模噪声，并显著降低了重复频率噪声。实验结果表明，自参考双梳信号在 60 秒内实现了 14.8 kHz 的"最大保持"线宽，与未稳定的 2 MHz（15 秒）性能相比，长期稳定性提高了超过 130 倍，如图 19(a, b) 所示。该工作为实现高稳定性全固态太赫兹 DCS 系统提供了简洁有效的技术途径，适用于高精度光谱学和计量应用。

图 19. 太赫兹 QCL 双梳光谱测量。(a) 未采用自参考方法获取的原始双梳光谱，使用 15 秒最大保持测量。标记为"0"并用红色星号标出的谱线是用于自参考和混合的选定梳齿。(b) 使用 60 秒最大保持测量获取的自参考双梳光谱。

对于 (a) 和 (b)，分辨率带宽 (RBW) 和视频带宽 (VBW) 分别设置为 500 Hz 和 50 Hz。(c) 以梳 3 作为快速探测器测得的双梳 13 和双梳 23 的多外差三梳信号及模间拍频。(d) 以梳 2 作为探测器测得的双梳 23 和双梳 12 的多外差三梳信号及模间拍频。插图显示了以 RBW = 500 Hz 和 VBW = 50 Hz 获取的窄线宽信号。图经许可复制自：(a, b) 文献 120，(c, d) 文献 121，依据知识共享署名许可协议。进一步推动了该领域的发展，2025 年，Liu 等人 121 成功演示了一种基于三个工作在约 4.2 THz 的 THz-QCL 的紧凑型 THz 三梳源。通过有限元仿真，该研究揭示了激光器之间的光学相互作用机制，主要是基片耦合。利用 QCL 固有的快速自检测能力，实现了多个双梳信号的同步测量。这使得在单次实验中获取更丰富的光谱信息成为可能，有效减少了系统误差并提高了测量精度。实验测得的三梳信号表现出超过 30 dB 的信噪比，并具有足够的梳齿以支持光谱测量（图 19(c, d)）。该方法为 THz 波段的高精度光谱和计量应用提供了一种新颖的多梳解决方案，无需机械运动部件。除了梳稳定外，THz-QCL 系统还面临若干挑战。一个主要限制在于高灵敏度、宽带和快速的 THz 探测器的稀缺。与成熟的中红外光探测技术相比，THz 探测通常需要低温运行或面临响应度和带宽降低的问题，从而限制了双梳光谱中可达到的信噪比和采集速度。另一个关键问题是热管理。由于 THz-QCL 中子带间跃迁的强温度依赖性，过量热量积累会改变色散特性并降低梳相干性。尽管通过先进的散热策略、优化的波导设计和低温封装已取得了显著进展，但热效应仍然是实现高功率、宽带和室温 THz-QCL 双梳系统的关键障碍。在实现计量级性能方面的进展推动了宽带 THz 梳的发展（图 20）。这些梳已成为多个科学和技术前沿领域的重要工具。作为 THz 频率标准，它们能够实现 THz QCL 的稳定化和高功率、稳定 THz 波的生成，在精密雷达、下一代无线通信和工业无损检测中具有广阔的应用前景。其宽光谱覆盖和高稳定性允许同时检测多个不相邻的分子谱线，为从分子结构分析到基本物理常数测量的基础研究提供了关键工具。此外，其提高的分辨率和精度有益于广泛的应用，包括痕量气体检测、环境监测和医学呼吸诊断。随着源性能的持续优化和系统架构的不断革新，THz 双梳光谱技术正稳步向更高精度、更高稳定性和更宽光谱覆盖迈进。这一进展为 THz 科学的深入探索及其实际应用的拓展奠定了坚实的技术基础。图 20. 不同 THz 频率梳的精度与光谱宽度比较。数据点包括：基于 MLL 的 THz 梳（蓝色三角形）79,80,83,84,122；基于 EO 调制的 THz 梳（绿色菱形）85,89；THz-QCL 梳（紫色圆形）95,96,105,111,112,120；以及通过两束连续波激光器光混频产生的可调谐连续波 THz 梳（黄色方形）123,124。5 挑战与展望 前述各节分别从源技术和代表性演示的角度综述了中红外和 THz 双梳光谱。然而，许多剩余的瓶颈在系统层面是共有的。在这两个光谱区域，实际进展不仅取决于源的产生，还取决于宽带光谱覆盖、灵敏度保持、探测架构和长期相干控制如何协同优化。从这一视角出发，以下讨论将从特定波长的实现转向连接中红外和 THz 双梳光谱的共同挑战与互补机遇。5.1 迈向完整红外至 THz 光谱覆盖 尽管双梳光谱在中红外和 THz 区域取得了显著进展，但实现连续的红外至 THz 光谱覆盖仍是一项重大挑战，尤其是在 15–60 μm (5–20 THz) 波段。实际上，目前可访问的光谱窗口仍高度依赖于平台。基于多种 χ(2) 晶体的腔内偏振差频产生已将中红外梳覆盖扩展至 3–13 μm，而基于长波长非线性材料的相干长波中红外源进一步将可访问范围推进至约 18 μm。同时，直接发射的 THz QCL 梳和基于 QCL 的差频产生已开辟了低 THz 区域，特别是在 1–5 THz 附近。然而，这些进展仍未实现连续的红外至 THz 覆盖，因为向更高 THz 频率的运行越来越受到材料吸收、波导损耗和典型 III-V 半导体的反射带的制约 125。因此，通往全波段指纹光谱的更现实途径可能依赖于分段光谱工程，即将多种非线性晶体和互补的源架构相结合以覆盖不同的光谱窗口。未来的进展可能来自于使用优化的 χ(2) 材料实现更宽的长波中红外产生，基于 QCL 的梳源向 THz 区域及 THz 区域内持续进步 126，以及能够相干连接这些原本分离的光谱区域的混合转换架构 127,128。除了光谱覆盖外，光束质量和模匹配强烈影响在实际双梳光谱系统中梳功率的传输和利用效率。M2、发散角、空间模式质量和指向稳定性等参数影响腔体、多通池、波导、开放路径链路和成像系统中的耦合效率、透过率和基线稳定性。基于 DFG 和 OPO 的梳通常从近红外泵浦继承良好的空间模式，而基于 QCL 和 THz-QCL 的梳由于发散或像散输出往往需要光束整形。对于集成平台，片上和外部光学元件之间的高效模匹配同样重要。尽管光束质量指标在双梳光谱研究中尚未一致报告，但在选择双梳光谱架构时应将其与光谱覆盖、相干性、输出功率和探测器性能一并考虑。另一个关键问题是跨红外至 THz 范围的宽带探测。实际上，没有任何单一探测技术在所有相关波长上都是最优的。在中红外区域，探测器噪声、速度和饱和限制促成了异构读出策略的发展，如非线性上转换和梳间检测，它们将光谱信息转移到近红外区域以实现低噪声光探测。值得注意的是，电光采样最近实现了从中红外到 THz 范围的即时倍频程双梳覆盖，而基于 QCL 的自检测表明一束梳可同时充当发射器、本振和探测器。这一想法已从片上 THz 自检测双梳光谱发展到紧凑型 THz QCL 自检测，最近又发展到了自检测中红外 QCL 双梳系统。这些发展表明，未来全波段双梳光谱的一个解决方案将是针对不同光谱区域定制异构或自检测读出策略的结合。与此同时，各种间接测量方法也被提出。通过将分子吸收转换为声、热或机械信号，这些方法减少了对波长特定光电探测器的依赖，原则上可应用于广泛的光谱区域。例如，光声双梳光谱通过直接检测双梳激励产生的压力波来重构宽带分子光谱，已得到实验验证 129。值得注意的是，间接双梳光谱方法，如石英增强、腔增强和悬臂梁增强光声双梳光谱，已实现分子指纹的高灵敏度检测。例如，腔增强光声双梳光谱报告了乙炔在 100 s 积分时间下的最低检测限为 0.6 ppb 130。一条密切相关的路径是光热双梳光谱，其中分子吸收被转换为折射率或体积变化。该方法实现了超过 1 THz 范围的梳齿分辨乙炔光谱，最低检测限为 8.7 ppm 32。此外，双梳光机械光谱利用光学腔内的高 Q 纳米机械薄膜作为换能器得到了演示 33。该方法实现了超过 2 THz 范围 ppb 级的宽带乙炔光谱，归一化噪声等效吸收系数为 1.71×10?11 cm?1·W·Hz?1/2。简而言之，实现全红外至 THz 双梳光谱将关键在于克服两个密切相关的挑战：在原本分离的光谱窗口中生成宽带梳源，以及实施能够有效保持这些窗口灵敏度的检测或转换方案。从这个意义上说，全波段双梳光谱不仅仅是源的问题，而是一个系统级问题，涉及源工程、读出策略和灵敏度保持的协同进展。5.2 迈向量子增强双梳光谱 随着光谱带宽的拓宽，每个梳齿可用的功率降低，导致宽带双梳光谱的信噪比下降。为解决这一限制，各种增强策略已得到开发，包括腔增强双梳光谱及相关方法，使双梳光谱的灵敏度接近散粒噪声极限。因此，克服这一量子噪声边界已成为双梳光谱未来发展的重要方向。近年来，量子技术（如压缩和纠缠）为超越经典灵敏度极限提供了新的可能性 131,132。压缩态双梳光谱已得到实验演示，利用非线性马赫-曾德尔干涉仪产生振幅压缩量子光频率梳 133。随后，该压缩梳与相干态梳结合用于硫化氢 (H2S) 吸收光谱测量，测量残差比散粒噪声极限低约 2.9 dB。为将光谱范围扩展至中红外，提出了量子关联增强双梳光谱与频率上转换相结合的方法 134。通过压缩一对孪生关联光频率梳之间的强度差噪声，实现了量子增强的中红外双梳光谱，信噪比比经典极限高约 2 dB。基于文献中的理论基础 135，利用频率梳中定制的纠缠结构，实现了低于经典双梳光谱标准量子极限的所有梳线的同步检测 136。应用于气体检测时，与经典双梳光谱相比，信噪比提高了 2.6 dB，积分时间减少了 1.7 倍。5.3 相干保持与长期稳定性 要使双梳光谱真正适用于现场部署应用，必须显著提高环境鲁棒性，因为实际操作需要长时间平均才能达到高灵敏度。然而，在双梳光谱中，通过更长平均时间获得的灵敏度增益从根本上受到两束梳互相干时间的限制。在实际条件下，温度波动、机械振动和气路不稳定等环境扰动会进一步缩短这一相干时间并降低测量可靠性。这些限制推动了相干恢复方法的明显演进，从依赖源固有相干性的被动方案，到参考外部标准的主动控制，再到最近的数据驱动数字校正策略。尽管中红外和 THz 系统的具体实现有所不同，但根本挑战是一样的：实际灵敏度增益需要更长的相干平均，这反过来要求在真实环境扰动下具有越来越强的互相干性。在被动模式下，相干性主要通过共模源设计来保持，使两束梳尽可能共享相同的光学或电子起源。这种方法具有吸引力，因为它大大简化了系统并已经能够提供出色的互相干性；例如，基于光-光调制的被动相干双梳光谱实现了 10 mHz 的相对梳齿线宽和 100 s 的相干时间，无需快速相位锁定电子学或后相位校正 137。然而，由于被动方案主要抑制共模波动，它们对外部调制源产生的残余差模噪声、非共光路扰动和长期环境漂移仍然敏感。为抑制这些残余波动，开发了参考外部标准的主动控制方法。在中红外领域，前馈双梳光谱已实现超过半小时的实验相干时间，而更实用的主动控制实现结合了自适应采样和简单频率稳定，实现了连续 1200 小时的实时运行 138；在 THz 领域，全纤维自适应时钟结合实时反馈环路进一步实现了窄线宽长期稳定的双梳运行 84。然而，这些主动方法以更大的硬件复杂性和更严格的参考要求为代价。为减轻这一负担，相干恢复越来越多地扩展到数据领域，其关键任务是提取、估计和补偿两束梳之间的相对相位和定时波动。实际上，这通常通过误差信号获取、相位校正和数值重采样来实现，从而允许干涉图的相干重建。

通过突破传统闭环控制的带宽限制，这些方法可以显著延长有效相干平均时间，并支持长期、高精度的气体光谱检测139,140。早期方法通常依赖于外部参考源或辅助误差测量通道，因此容易受到参考光路与主干涉采集光路之间不匹配的影响141。近年来，直接基于干涉图本身发展的自参考校正方法142减少了对外部参考通道的依赖。

## 6 总结

综上所述，本综述重点介绍了中红外和太赫兹双梳技术（DCS）的最新进展。该技术以高光谱分辨率、快速采集和无需运动部件的固有频率精度而著称。我们考察了双梳光源的主要产生方法——包括量子级联激光器（QCL）、光学参量振荡器（OPO）、差频产生（DFG）以及基于微腔的光频梳——并分析了它们的性能、折衷方案及最新创新。本综述还讨论了当前面临的挑战，如宽带光谱覆盖、高灵敏度探测和长期稳定性，并展望了未来方向，包括集成化、可现场部署的平台以及量子增强技术。展望未来，这些进展有望进一步推动中红外和太赫兹双梳技术从实验室验证走向更广泛的实际应用，涵盖痕量气体传感、油气泄漏检测、大气与环境监测、生物医学诊断以及精密分子光谱等领域，同时为双梳测距和光谱成像开辟新的机遇。

## 致谢

本工作得到了国家杰出青年科学基金（编号：62325509）、国家自然科学基金（编号：62405089、62235019、62505344、62531005、62575299、62275258、62305364、62435017 和 T2550072）、量子科学与技术—国家重点研发计划（编号：2023ZD0301000）、中国科学院科学仪器与装备研发项目（编号：PTYQ2026YZ0050）、上海市科学技术委员会（编号：23ZR1474000）、中国科学院青年科学基金基础科学研究项目（编号：YSBR-069）以及集成电路材料国家重点实验室自主部署项目（编号：SKLJC-Z2025-B03、SKLJC-Z2026-B02 和 SKLJC-Z2026-C01）的资助。

## 作者贡献

Z.W. 负责文献调研、组织稿件结构并撰写初稿。B.L. 和 Y.X. 参与文献收集、信息分析和稿件准备。Y.C.、X.Z.、D.Z. 和 Y.D. 协助文献收集和整理。M.L.、M.Y.、H.L. 和 H.Z. 提供科学指导、监督项目推进并参与稿件修订。所有作者均审阅并批准了最终稿件。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何竞争性经济利益。