期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

原文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/1/3/12

论文标题：Optimal Conditions for a Multimode Laser Diode with Delayed Optical Feedback in Terahertz Time-Domain Spectroscopy

来自大阪公立大学的 Kenji Wada 博士及其团队在Spectroscopy Journal期刊发表了文章，太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是一种在室温下精确测量材料复介电常数的强大工具，在无损检测、生物传感等领域具有广阔应用前景。然而，该技术长期以来依赖于庞大且昂贵的锁模飞秒激光器作为光源，这限制了其广泛应用和普及。为解决此问题，研究者们探索了使用小型、低成本的多模激光二极管（MMLD）作为替代光源。但传统的连续波MMLD存在信号强度弱、带宽窄以及模式间随机相位导致动态范围受限等问题。虽然也有研究采用混沌振荡激光二极管（COLD），即通过引入光学反馈使MMLD产生混沌振荡，并发现其能获得更稳定的THz-TDS输出，但其背后的优化机制与有效原因尚不明确。本文旨在通过数值分析，揭示利用延迟光学反馈的MMLD在THz-TDS中实现最佳性能的关键条件。

研究过程与结果

太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是一种在室温下精确测量材料复介电常数的强大工具，在无损检测、生物传感等领域具有广阔应用前景。然而，该技术长期以来依赖于庞大且昂贵的锁模飞秒激光器作为光源，这限制了其广泛应用和普及。为解决此问题，研究者们探索了使用小型、低成本的多模激光二极管（MMLD）作为替代光源。但传统的连续波MMLD存在信号强度弱、带宽窄以及模式间随机相位导致动态范围受限等问题。虽然也有研究采用混沌振荡激光二极管（COLD），即通过引入光学反馈使MMLD产生混沌振荡，并发现其能获得更稳定的THz-TDS输出，但其背后的优化机制与有效原因尚不明确。本文旨在通过数值分析，揭示利用延迟光学反馈的MMLD在THz-TDS中实现最佳性能的关键条件。

本研究通过建立包含朗之万噪声和带填充效应的多模激光二极管速率方程，对带有延迟光学反馈的MMLD进行了详细的数值模拟。研究系统性地改变了光学反馈耦合系数（fc）、泵浦速率（r）和反馈延迟时间（τfb）等关键参数，以分析MMLD的输出特性及其对THz-TDS系统性能的影响。研究首先对不同fc值下的MMLD振荡状态进行了分类：当fc=0（无反馈）时，MMLD呈现稳态单模振荡，太赫兹输出微弱；当fc=0.1时，输出进入混沌状态，出现多模振荡，太赫兹输出有所增强但仍较窄；当fc=0.4时，MMLD表现出独特的间歇性混沌振荡，其时间波形中出现持续数十皮秒的高强度皮秒脉冲串，同时输出光谱呈现不对称展宽，对应的THz-TDS输出频谱也显著拓宽至约2 THz，强度相比无反馈情况提升了数百倍；而当fc进一步增大至0.6时，系统因光学注入锁定效应再次回到稳态振荡，太赫兹输出带宽重新变窄。这表明，适度的光学反馈是激发MMLD产生有利于THz-TDS的动力学状态的关键。

研究进一步深入分析了fc=0.4时间歇性混沌的特性。发现这种高强度皮秒脉冲的产生与载流子密度的周期性急剧积累（类似于Q开关过程）以及随之而来的“低频波动”现象密切相关。在脉冲产生期间，多个纵模几乎同时激发出持续时间约30-50皮秒的短脉冲，这种并发脉冲振荡极大地增强了光学拍频效率，从而产生高强度的太赫兹辐射。计算得到的光谱不对称形状与实验观察结果一致，验证了间歇混沌的存在。此外，研究还证实，尽管MMLD输出在时域上是混沌的，但其平均功率谱和THz-TDS输出谱在微秒量级的时间平均下会收敛到稳定的形状，体现了该系统作为吸引子的内在稳定性。为了提升该技术的实用性，研究探讨了扩展间歇混沌参数范围的方法。结果表明，通过提高泵浦电流（增加r）或延长外部腔长（增加τfb），可以显著扩大间歇混沌发生的参数区域（fc值范围），使其更容易在实验中实现和维持，增强了方案的鲁棒性。

研究总结

本项研究通过严谨的数值模拟，明确了利用延迟光学反馈的多模激光二极管作为THz-TDS系统光源的最佳工作条件。研究指出，能够产生并发皮秒脉冲的间歇性混沌振荡是实现高效率、宽带宽太赫兹辐射的最优输出状态。该状态可通过其独特的不对称输出光谱进行识别，并且其统计平均光谱在微秒时间内即趋于稳定，保证了THz-TDS输出的可重复性。更重要的是，通过合理设置泵浦电流和光学反馈延迟时间，可以有效拓宽间歇混沌的操作窗口，提高了该技术方案的实用性和容错性。这项研究为开发基于低成本、小型化激光源的稳定、高性能太赫兹时域光谱系统提供了重要的理论依据和设计指导，有望推动太赫兹技术走向更广泛的应用。

Spectroscopy Journal期刊介绍

主编： Prof. Dr. Clemens Burda, Department of Chemistry, Case Western Reserve University, Millis Science Center, 10900 Euclid Ave., Cleveland, OH 44106, USA

光谱学关注的是物质与电磁波谱的任何部分之间的相互作用，并应用于所有学科，包括物理、化学、生物化学、生物学、空间科学、材料科学和工程。来自非光子实验（如电子、中子和质子实验）的贡献同样受欢迎。

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