1 工作简介

         ——缺陷介导湍流驱动的太赫兹半导体激光混沌

中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员团队率先实现并验证了自由运行太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）混沌的产生，该研究突破了传统半导体激光器混沌实现必须依赖外部光反馈或光注入的技术瓶颈，不仅为发展高度集成化的THz混沌光源开辟了新的路径，揭示了THz QCL混沌动力学的深层次物理机制，填补当前太赫兹激光混沌的空白，更展现出其在高速保密通信、高精度先进雷达测距等前沿应用领域中的潜力。

研究团队通过精确调谐注入电流，得到THz QCL从稳定单模激射到无序混沌态的动态演化过程。实验中观测到模间拍频信号由单一窄线宽状态至多边带状态并最终呈现超宽线宽特征的演化过程（图1(a)），并得到了对应的时域信号（图1(b)）和相图（图1(c)）。进一步通过关联维度（图1(e)）与李亚普若夫指数（图1(d)）的计算，证明了THz混沌的产生。

为深入解析自由运行THz QCL中混沌产生的内在物理机制，团队构建了完备的Maxwell-Bloch方程与简化的Ginzburg-Landau方程模型进行理论模拟，揭示了线宽增强因子（α因子）与群速度色散（GVD）在混沌演化过程中的关键作用。结果表明，α因子的增大可导致THz QCL从稳定态过渡至混沌态，而GVD的调控对混沌态频谱特性也有显著影响。最后分析了时域信号的幅值和相位随时间的变化关系，揭示了混沌产生的物理机制。图2(a)和2(b)证明THz QCL以光频梳模式工作时，幅值和相位周期性变化，系统呈现稳定状态；图2(c)和2(d)表示THz QCL在混沌状态下，系统的幅值和相位表现出强烈的随机性和不规则性。尤其重要的是，幅值为0的点的出现意味着系统中场缺陷的存在。这些缺陷在非线性系统中不断传播，并引发更多的不规则相位和振幅波动，从而形成新的缺陷，最终使系统进入复杂无序的混沌状态（见图2(e)和2(f)）。因此，缺陷介导湍流是THz QCL中混沌行为生成的物理来源。

相关成果以“Terahertz semiconductor laser chaos”发表在Nature Communications 16, 9985 (2025)，论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘彬彬博士、悉尼大学Carlo Silvestri博士及中国科学院上海微系统与信息技术研究所周康博士，通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员、华东师范大学曾和平教授和意大利都灵理工大学Lorenzo Columbo教授。

2 主要作者简介

第一作者

刘彬彬，中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士后。

研究方向为太赫兹光子学器件与应用，主要聚焦在太赫兹量子级联激光器（THz QCL）多光梳及混沌研究。在宽谱THz QCL器件、THz光频梳和混沌方面取得一系列研究成果，以第一作者在Nature Communications、Laser & Photonics Reviews、ACS Photonics、Physical Review Applied各发表论文1篇，以共同作者身份参与发表SCI论文15篇；申请国家发明专利1项。

通讯作者

黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员。

从事太赫兹光子学器件与应用研究，在瓦级峰值功率太赫兹光源、高品质太赫兹芯片光频梳、太赫兹双光梳时频控制与片上集成等方面取得了多项成果。在Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews、Advanced Science、Optica、ACS Photonics等期刊发表学术论文100余篇，在国际会议做邀请报告50余次，授权中国发明专利23项，授权美国专利1项。曾获得/入选中国科学院院长奖优秀奖、上海市自然科学奖二等奖（排三）、中国科学院海外高层次人才A类择优支持、上海市青年拔尖人才、上海市优秀学术带头人、国家优青、首届全国颠覆性技术创新大赛总决赛优秀奖、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队、国家杰青、首届Xi-Cheng Zhang奖、上海市技术发明奖一等奖（排三）、国务院政府特殊津贴等。

通讯作者

曾和平，华东师范大学特聘教授。

从事精密光谱与量子探测方向，在精密光谱测量、光场时频精密测控、单光子探测等方面取得了多项成果。在Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. X、Light：Sci. & Appl.、Nat. Commun.、Science Adv.、Laser & Photon. Rev.、Optica等发表学术论文400余篇，国际会议作邀请报告30余次，作为大会主席/共主席组织国际学术会议20余次，主持国家与省部级科研项目20余项，授权中国发明专利180余项，美国专利30余项。2000年入选教育部长江特聘教授，2006年获得国家杰出青年科学基金，2008年入选国家新世纪百千万人才工程国家级人选，2008年入选上海市领军人才，先后担任教育部“长江学者”和创新团队发展计划”创新团队学术带头人（2006）、光学国家重点学科建设负责人（2007）、精密光谱科学与技术国家重点实验室主任（2007-2015）、高等学校“精密光谱与量子调控”学科创新引智计划负责人（2012）、“高精度光梳相干成像分析仪的应用与工程化开发”国家重大科学仪器设备开发专项技术总负责（2012）、“分子精密光谱与精密测量”基金委创新群体学术带头人（2017）、“超短脉冲激光隐形切割系统及应用”国家重点研发计划专项首席科学家（2018）等。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64921-x