基于羰基硫分子旋转跃迁的双波长布里渊激光太赫兹源稳定化研究

编辑推荐：针对太赫兹源同时实现光谱纯度和频率稳定的技术难题，James Greenberg团队创新性地将双波长布里渊激光器（DWBL）与OCS分子J=26←25旋转跃迁（316.146 GHz）锁定，实现了1.2×10-12/√τ的分数频率不稳定性，为太赫兹计量学、分子光谱学和6G通信提供了兼具低相位噪声与长期稳定性的新型参考源。

　　在电磁频谱的"太赫兹鸿沟"区域（0.1-10 THz），高稳定性辐射源的缺乏长期制约着精密分子光谱、高分辨率雷达和第六代移动通信（6G）等关键技术发展。传统微波倍频方案虽能转移频率稳定性，却以相位噪声恶化为代价；而基于光学频率梳的方案虽具备优异光谱纯度，但面临复杂系统集成的挑战。更关键的是，现有太赫兹源普遍存在频率漂移问题——以双波长布里渊激光器（DWBL）为例，其虽能产生300 GHz至3 THz可调谐辐射且相位噪声极低，但日漂移量仍达数百kHz。

为解决这一核心问题，由James Greenberg领衔的国际研究团队创新性地提出"分子钟"稳定化架构，通过将DWBL锁定至羰基硫（OCS）分子的旋转跃迁能级，实现了太赫兹辐射源的革命性突破。这项发表于《Nature Communications》的研究，首次在316.146 GHz频率处（对应OCS的J'=26←J''=25跃迁）将DWBL的长期稳定性提升至1.2×10^-12/√τ，同时保持原始光源的亚赫兹线宽特性。该成果不仅为太赫兹计量建立了新的次级频率标准，更开辟了利用气体分子多跃迁通道实现多频段锁定的新路径。

关键技术方法包括：1）采用电光相位调制（2 MHz）结合UTC-PD光电混频实现太赫兹载波生成；2）构建真空波导光谱仪（13 cm WR3.4波导，70 mTorr OCS）进行分子吸收检测；3）基于FPGA锁相环实现误差信号提取与反馈控制（3 kHz带宽）；4）通过电光频率梳（15阶边带，10.53 GHz间隔）将太赫兹频率下转换至射频段进行噪声分析。

研究结果部分揭示：
"相位调制光谱"通过测量OCS在316.146 GHz处的压力展宽线型（Γ≈700 kHz），获得斜率460 V/GHz的误差信号，信噪比达55 dB（1 Hz带宽）。创新性的RAM（残余幅度调制）主动抑制技术将调制噪声压至350 nV/√Hz水平。

"频率反馈与计量"数据显示，锁定后DWBL的漂移降低超10倍，相位噪声在f<20 Hz区域呈现特征性白噪声斜率（∝f^-2）。修正Allan方差证实系统受RAM限制，在50 ms平均时间达到5×10^-12的极限稳定性。

"讨论"部分指出：相比CMOS倍频器（1×10^-11/√τ）和微梳光源，DWBL的互调噪声极限（<3×10^-13/√τ）展现出显著优势。通过计算证实AC Stark效应（-66 Hz）和压力频移（420 Hz）对系统影响可忽略，而采用HCN分子或兰姆凹陷技术可进一步突破当前RAM限制。

该研究标志着太赫兹技术从自由运行源向原子钟级稳定度的历史性跨越。其创新架构使单个分子提供多频段参考成为可能，为太赫兹通信的频道聚合（channel aggregation）奠定基础。正如编者按所述，这项技术未来或可通过电光单边带调制，实现分子钟稳定信号向整个太赫兹波段的频率合成，最终推动从空间射电天文到机场异物检测等应用的精度革命。