研究内容
上海微系统所黎华团队发表了以下见解：
在太赫兹光谱（THz）领域，科学家们一直在追寻一个梦——让激光在6–10 THz的高频段“唱响”。这个频率区间位于微波与红外光之间，是材料光谱学、气体分子探测、安检成像乃至天文观测的“黄金地带”。然而，这段频谱长期以来被称为“太赫兹缺口”，几乎所有的固态光源在这里都“失声”。原因就在于一个看似普通却极其顽固的材料特性——Reststrahlen带吸收。
以常用的Ⅲ–Ⅴ族半导体砷化镓（GaAs）为例，在6–10 THz范围内，它的光吸收极强——强到足以让光子“寸步难行”。这一带宽的强吸收源自光与光学声子的强耦合，吸收系数高达10⁴ cm⁻¹，几乎将所有入射光“吞噬殆尽”。这让基于GaAs的太赫兹量子级联激光器（QCL）在此频段内根本无法实现激射。二十年来，无论是通过量子设计优化、外腔反馈，还是非线性频率转换，科学家都未能真正跨越这个“禁区”。
但近期，《Nature Nanotechnology》报道了一项突破性成果：意大利国家研究委员会（CNR）Di Gaspare团队通过在QCL上集成石墨烯光栅，首次实现了将激光发射推入Reststrahlen带的实验演示。这项创新的核心在于——不再与材料吸收正面对抗，而是借助石墨烯等离激元与非线性光学效应“曲线救国”。
石墨烯登场：用非线性效应“上转频”
这款新型器件采用了“石墨烯-太赫兹QCL”混合结构。激光器本身工作在约3.3 THz（远低于Reststrahlen带），而在其表面，研究者精心制备了一层石墨烯微带光栅。当QCL发射的强电场作用于光栅时，石墨烯中被激发的等离激元会强烈压缩和增强局域电场，从而触发三阶非线性过程——第三谐波生成（THG）。
换句话说，原本3.3 THz的基频信号被“上转换”为约10 THz的辐射，恰好落入了GaAs的“禁区”。令人惊讶的是，即使在这种强吸收背景下，系统依然能够输出约450 nW的10 THz相干光，虽然功率不高，但足以证明概念可行。
石墨烯之所以能完成这一“奇迹”，源于它独特的光学特性。与传统金属相比，石墨烯的等离激元可在太赫兹频段自由调谐，损耗低、局域性强、场增强效应显著。同时，石墨烯中电子间的快速散射和带内跃迁产生了极高的三阶光学非线性，使得非线性频率转换在极小体积内即可实现高效率响应。
从“相位匹配”到“界面非线性”
传统的非线性光学频率转换（如倍频或和频）往往依赖“相位匹配”条件，也就是泵浦光与生成信号之间的波矢必须协调一致，否则信号会被自身干涉抵消。而在这项研究中，研究者彻底颠覆了这一经典限制。
他们利用二维石墨烯界面的局域非线性电流密度，在极薄的原子层上实现了超强场增强。由于这一非线性响应局限在二维界面上，根本无需传统意义上的相位匹配，便能在极小模式体积内完成高效的THG。这种“以二维取代三维”的思路，为非线性光学器件设计带来了全新的自由度。
此外，通过在石墨烯上加设栅极电压，还可以调控其费米能级，实现对等离激元共振的精确调节。这意味着未来的太赫兹激光器可以像调频收音机一样——通过电子方式快速调整输出频率。
小功率，却意义非凡
虽然目前该器件的THG输出功率仅为数百纳瓦（转换效率约10⁻⁵），距离实用化还有差距，但在某些领域，它的意义已经不容忽视。
例如，在异频光谱学（heterodyne spectroscopy）中，只需极低的本振功率（低于500 nW）即可与信号光混频，获得频率、相位和振幅的完整信息。这项技术是远红外天文学和大气探测的核心手段，可用于观测星际分子谱线、分析行星大气成分。目前如GUSTO、OSAS-B等空间任务均采用类似方案。随着石墨烯-QCL技术的成熟，人类有望探测更多此前“沉默”的太赫兹光谱线，窥探宇宙的微妙化学结构。
打开太赫兹“全频”时代
这项工作不仅填补了太赫兹光谱中的“缺失带”，更重要的是开辟了一条全新的技术路线——“半导体激光 + 石墨烯非线性”混合体系。未来，通过进一步优化QCL增益介质设计，结合石墨烯等离激元的纳米光场约束，科学家有望打造出覆盖整个太赫兹区间（0.1–10 THz）的紧凑、相干、可调谐光源。
这意味着，太赫兹光谱学、分子传感、无损成像乃至量子通信等领域，都可能因石墨烯的加入而被彻底改写。
小结
过去二十年，太赫兹“缺口”像一道坚固的墙，阻隔了科研与应用的脚步。如今，凭借一层薄如原子的石墨烯光栅，科学家们终于在这道墙上打开了一扇窗。虽然窗口还不大、光还不强，但它所照亮的方向，正是未来太赫兹光子学的新征程——让光，在“禁区”中重生。
该见解发表在Nature Nanotechnology上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02006-y
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