具有分离门的电抽运多层石墨烯负动态电导率的理论研究

本文提出了具有分离门的电抽运多层石墨烯结构, 建立了电诱导n-i-p结的理论模型, 计算了集居数反转的条件下与带内和带间跃迁相关的动态电导率, 讨论了偏置电压、门电压、石墨烯层数以及动量弛豫时间对动态电导率的影响. 结果表明, 在一定条件下, 动态电导率的实部在太赫兹范围内可以是负的, 即带间辐射大于带内吸收, 论证了电抽运多层石墨烯结构作为产生太赫兹相干光源的激活物质的可行性.     

太赫兹波段石墨烯等离子体的增益特性

基于麦克斯韦方程组和物质本构方程对石墨烯表面等离子体进行了研究.从理论上探索了石墨烯表面等离子体激元在太赫兹波段的增益特性曲线,并且讨论了石墨烯表面等离子体增益与石墨烯中载流子浓度、石墨烯所处温度以及载流子动量弛豫时间的关系.研究结果表明:在太赫兹波段增益峰值随着石墨烯载流子浓度的增加而发生蓝移,并且在所讨论的温度范围内,由于增益峰所对应的频率都大于1 THz,因此温度的变化对增益峰值以及相应频率的影响不大,即在不同的温度下,相同载流子浓度所对应的增益曲线上峰值的位置和强度几乎相同;增益与石墨烯载流子动量弛豫时间相关,随着载流子动量弛豫时间的增加,使得激发态激励的电子增加,从而导致石墨烯表面等离子体增益变得更大,但这种动量弛豫时间的增加却因弛豫时间对受激辐射频率影响较小而并未对增益峰值位置产生影响.     

基于Z扫描系统的石墨烯非线性吸收特性研究

利用Z扫描系统研究了多层石墨烯非线性光学吸收特性。结果表明多层石墨烯在激光作用下具有反饱和吸收特性,且非线性折射系数为正。随着层数增大,非线性光学吸收系数减少得慢一些。基于微观尺寸效应,2～5层石墨烯的叠层方式也会影响到非线性吸收系数的值。另外,激光的强度、中心波长和脉宽等因素都会影响样品非线性光学吸收系数的结果。石墨烯具有非常优良的非线性光学特性,为其制成非线性光学器件提供了有效的实验依据。     

基于石墨烯的宽带全光空间调制器

提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上,当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递,并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处,依据石墨烯的优先吸收特性,通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收,实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB,调制带宽约为50 nm,调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比,输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.     

石墨烯在强激光作用下改性的拉曼研究

采用化学气相沉积法制备了不同层数的石墨烯样品.根据石墨烯透过率曲线分析石墨烯样品层数与550 nm处透过率关系的同时,利用拉曼光谱法分析了不同层数石墨烯样品在强激光辐照下的损伤特性.结果表明:单层石墨烯样品经强激光辐照后,G带和2D带均向高频移动;多层石墨烯样品经强激光辐照后只有G带发生了略微的频移;石墨烯样品拉曼光谱G带与2D带强度比值表征了石墨烯的层数,此比值随激光辐照时间的增加而减小,这表明强激光对石墨烯样品具有明显的剥离现象.     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质

理论上研究了介质/石墨烯/介质梳状波导结构中表面等离子体的传播性质. 波导中表面等离子体模的有效折射率随着石墨烯费米能级的提高而减小, 随着介质折射率的增加而增加. 分析和仿真结果表明, 基于这种梳状波导可以在中红外波段实现新型的纳米等离子体滤波器, 器件的尺度在几百纳米的范围. 通过改变梳状分支的长度, 石墨烯的费米能级, 介质的折射率和波导中石墨烯的层数, 很容易来调节带隙的位置. 另外, 滤波带隙的宽度随着梳状分支数的增加而增加. 这种滤波性质将在可调的高集成光子滤波器件中具有潜在的应用.     

一种石墨烯波导褶皱激发表面等离子体激元的设计（英文）

设计了褶皱石墨烯波导结构激发表面等离子体激元,通过设计周期阵列结构实现了表面等离子体激元传播损耗的补偿.理论分析了周期阵列结构的表面等离子体激元传播模型和补偿损耗的方式,结果表明褶皱衍射激发表面等离子体激元波导不仅能够激发表面等离子体激元,还能利用表面等离子体激元波矢关系实现器件参数控制,周期阵列增益全程补偿损耗的方式可以显著增加表面等离子体激元的传播距离.数值分析结果进一步表明:该结构具备了保持亚波长尺寸的强局域化优势;周期阵列增益全程补偿可以显著提高纳米腔中的电场强度,降低传输损耗;波导结构的粒子反转水平较高,自发辐射噪声的扰动较低.设计的石墨烯波导器件可以为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供理想的亚波长光子器件.     

国产光纤实现同带抽运3000W激光输出

同带抽运是目前实现高功率光纤激光器的有效手段.本文基于同带抽运方式,以国产25/250μm掺镱双包层光纤为增益光纤,构建了全光纤化的主控振荡器功率放大器.实验中采用的国产光纤是中国电子科技集团公司第四十六研究所采用化学气相沉积结合气相-液相复合掺杂工艺制备的,其Yb~(3+)离子的分布更均匀,吸收截面更大,吸收系数更高.实验中,在种子光功率为67.8 W、抽运总功率为3511 W的条件下,实现了3079 W的激光输出,斜效率为85.9%,光束质量M~2约为2.14,3dB带宽为1.4nm,这是目前基于国产光纤同带抽运方式实现的最高功率.理论和实验结果表明国产光纤制备技术不断成熟,已经具备承受高功率输出的能力.继续提高抽运功率,优化增益光纤长度,改良散热方式,国产光纤有望实现更高功率的激光输出.     

基于石墨烯基底的光催化特性

金属纳米结构中传导电子的集体振荡所产生的表面等离子体不仅可以使电磁场在时间和空间上重新分布,还可以使被激发的载流子重新分布.采用机械剥离法制备了石墨烯材料,借助拉曼光谱扫描技术(M apping)研究了石墨的层数在二维区域内的分布情况.研究了2-萘硫醇(2-N T)作为探针分子在石墨烯衬底上的SERS增强特性.结果表明...     

Terahertz laser based on optically pumped graphene: Model and feasibility of realization

We consider a terahertz laser based on optically pumped graphene layer and bilayer as the active media and suggested waveguide structure. Using the developed model, we calculate the spectral dependences the dynamic conductivity of the optically pumped graphene layer and bilayer associated with the interband and intraband transitions, estimate the pumping optical power required for lasing, and demonstrate the feasibility of realization of such a laser. The article is published in the original.     

Nonlinear reshaping of terahertz pulses with graphene metamaterials

We study the propagation of electromagnetic waves through a slab of graphene metamaterial composed of the layers of graphene separated by dielectric slabs. Starting from the kinetic expression for two-dimensional electric current in graphene, we derive a novel equation describing the nonlinear propagation of terahertz electromagnetic pulses through the layered graphene-dielectric structure in the presence of losses and non-linearities. We demonstrate strong nonlinearity-induced reshaping of transmitted and reflected terahertz pulses through the interaction with the thin multilayer graphene metamaterial structure.     

基于双尺度4分离层优化的石墨烯太赫兹宽带吸波结构

为实现对未来远程太赫兹雷达的高效对抗与隐身,针对典型太赫兹雷达工作频率设计了一种石墨烯太赫兹宽带吸波结构。宽带吸波结构以表层金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层为基本吸波结构单元,利用遗传算法对双尺度基本吸波结构单元进行4分离层优化设计,确定宽带吸波结构的各层结构参数。仿真结果表明:宽带吸波结构在0.138 THz～2 THz频率范围内吸收效率优于80%,在0.157 THz～2 THz频率范围内吸收效率优于97.46%,典型太赫兹雷达工作频率处吸收效率均优于92.27%,满足太赫兹雷达对抗与隐身要求。     

A generator of far-infrared and terahertz radiation in nonlinear metamaterials exhibiting negative index of refraction

Laser oscillation conditions are analyzed in nonlinear composite metamaterials exhibiting a negative index of refraction. It is demonstrated that strong quadratic and cubic nonlinearities can be simultaneously realized in such structures. Based on the described composite material, a scheme of an optically pumped parametric generator of terahertz radiation is proposed.     

Effect of surface hydrogenation on the topological properties of multilayer graphene

We have investigated effects of surface hydrogenation on the topological properties of multilayer graphene by using density functional theory calculations and a tight-binding model. Hydrogen adsorption on a dimer site of a surface layer decouples the surface layer from the rest of the layers. Hydrogen adsorption on a nondimer site introduces a band mixing between the hydrogenated graphene and the rest of the graphene layers. The valley Hall effects and spin-valley-resolved Chern numbers of multilayer graphene, calculated as a function of the sublattice potential and the potential perpendicular to the layers, was found to be sensitive to details of inversion symmetry-breaking potentials. While the topological invariant depends on the adsorption site and spin polarization, surface-hydrogenated M-layer graphene was found to be topologically equivalent to (M-1)-layer graphene under inversion symmetry-breaking potentials regardless of the adsorption site.     

Terahertz plasmon-emitting graphene-channel transistor

In this work we propose and analyze the possibility of creating terahertz plasmon-emitting graphene-channel transistor. It is shown that at electric pumping the damping of the terahertz plasmons can give way to their amplification, when the real part of the dynamic conductivity of graphene becomes negative in the terahertz range of frequencies due to the interband population inversion.     

Photocarriers dynamics in silicon wafer studied with optical-pump terahertz-probe spectroscopy

Optical pump-terahertz probe spectroscopy is employed to investigate the optical characteristics of silicon wafer. The wafer surface undergoes a phase transition from insulator to metal for terahertz wave with increasing pump fluence. The real part of the pump-induced conductivity shows strong frequency dependence, which can be well described with Drude–Smith model. Our results also demonstrate that the photoexcited Si layer acts as a broadband terahertz pulse antireflection coating with proper pump fluence. In addition, it is observed that the terahertz pulse apparently arrives at the detector earlier when silicon is optically excited.     

基于石墨烯的光学控制窄带太赫兹开关

本文提出了一种光控太赫兹开关,该开关采用覆盖单层石墨烯的十字金属谐振器超表面。利用石墨烯表面电导率模型和有限元法计算了这种复合结构的光谱特性。模拟结果表明,在0.2 W/mm²的光泵浦后,传输谱（调制深度为36.8%,Q-因子为250）出现了窄带共振衰减现象。另外,这种衰减的调制深度可以通过改变泵浦强度微调节。因此,光学可调谐太赫兹开关的设计将有助于太赫兹通信应用的功能组件开发。