掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究

石墨烯是单原子厚的二维狄拉克相对论费米子系统,其优秀的光电学性质得到了广泛的关注和研究. 本论文利用量子理论研究掺杂石墨烯系统外电场和光场共同作用下的非平衡载流子的非线性太赫兹光学性质. 研究发现,掺杂石墨烯带内光吸收表现出强的非线性太赫兹光学特性. 随着外加偏压电场的增大,石墨烯非线性光学响应增强;随着外界太赫兹光频率的减小,非线特性增强. 研究表明通过改变电场强度,可以有效调节石墨烯系统太赫兹非线性光学特性. 研究结果为探索和发展以石墨烯为基础的新型纳米太赫兹光电器件的研究和实际应用提供了理论依据. 关键词： 石墨烯 太赫兹 非线性 光电流     

磁场对石墨烯中弱耦合极化子性质的影响

研究了磁场作用下石墨烯中电子与表面光学声子弱耦合情况下的极化子的性质。采用线性组合算符和Pekar变分法分别推导出了石墨烯中弱耦合极化子的基态能量E₀、第一激发态能量E₁和跃迁频率ω随磁场强度B和德拜截止波数k_d之间的变化关系。数值计算结果表明,极化子的基态能量E₀随磁场强度B变化的曲线（k_d一定时）和E₀随k_d的变化曲线（B一定时）均会分裂成对称的两条,并且当B一定时E₀的绝对值随k_d的增加而增加。在k_d一定时,极化子的第一激发态能量E₁和跃迁频率ω均为磁场B的增函数;在B一定时,E₁和ω均随k_d的增加而增大。     

飞秒激光泵浦LaAlO3/SrTiO3异质结产生太赫兹波辐射

自铁磁金属在飞秒激光泵浦下的超快退磁效应发现以来,电子的自旋属性逐渐被应用于太赫兹电磁波的产生.利用逆Rashba-Edelstein效应产生太赫兹辐射首先在Ag/Bi界面得到证实,而LaAlO₃/SrTiO₃界面通过该效应产生直流的自旋-电荷转换效率要高于Ag/Bi界面约一个数量级,但利用该结构转化自旋流来产生太赫兹的有效性尚待系统的研究.本文制备了NiFe/LaAlO₃//SrTiO₃(001)系列样品,在飞秒激光泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生及其对磁场方向的依赖效应,并通过改变LaAlO₃层的厚度验证了超扩散模型与光学传输模型的有效性,观察到了在LaAlO₃/SrTiO₃界面由于多次反射导致太赫兹波的减弱,为进一步优化太赫兹波的产生提供了实验和理论支持.     

THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收.采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9—22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz.理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度.研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.     

400 nm飞秒激光激发下MoSe2中瞬态光电流引起的太赫兹辐射(特邀)

通过太赫兹发射光谱研究了400 nm飞秒激光脉冲激发层状MoSe_2所引起的物理效应。太赫兹振幅随泵浦功率、方位角、偏振角的依赖关系表明,太赫兹辐射主要由表面耗尽场诱导的光生电流和二阶非线性极化诱导的移位电流这两种瞬态光电流效应共同引起,并且两种电流的贡献分别为82%和18%。研究结果可为MoSe_2在超快光学领域的发展和应用提供实验支持。     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

石墨烯太赫兹波动态调制的研究进展

石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料,近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述,分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点,介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果,着重对不同器件的调制性能进行了对比,分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。     

具有分离门电抽运石墨烯中电子-空穴等离子体的冷却效应

本文研究了室温条件下具有分离门的电诱导石墨烯n-i-p结构中, 与电子和空穴注入有关的粒子数反转效应. 考虑n区横向电场的屏栅效应, 计算了电子-空穴的有效温度与门电压以及光声子的有效温度与门电压的关系, 结果表明注入可以导致n区中电子-空穴等离子体显著冷却, 直至低于晶格温度; 计算了电流-电压特性以及与频率有关的动态电导率, 在一定的电压下, 动态电导率在太赫兹频段可以为负值. 研究表明电子-空穴等离子体冷却能够加强负动态电导率效应, 提高实现太赫兹激射的可行性. 关键词： 石墨烯 n-i-p结构 有效温度 动态电导率     

垂直振动激励下颗粒材料有效质量和耗散功率的研究

研究了垂直振动激发下钨颗粒的动态有效质量(ω) 和耗散功率p(ω)随频率ω 的依赖关系. 实验发现, 在给定的振动幅度下, 自由表面样品有效质量的实数部分M₁ (ω) 、虚数部分M₂ (ω) 以及耗散功率p(ω)随频率的变化曲线均出现一个尖锐的共振峰. 随着在颗粒上表面施加压强的增大, M₁ (ω), M₂ (ω) 和耗散功率p(ω)曲线的峰值频率向高频移动, 且峰值高度也相应增大. 进一步研究发现, 有效质量实数部分的共振频率f_g 随表面压强P的变化满足分段幂律规律, 当P较小时, 幂指数为0.3, 当P较大时, 幂指数减小为1/6. 颗粒系统的品质因子的倒数1/Q随压强P的变化满足指数衰减规律.     

非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制

研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li：NaTb（WO₄）₂磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.     

太赫兹偏振测量系统及其应用

麦克斯韦方程中的介质响应特性一般由本构关系中的介电函数ε(ω)和磁导率μ(ω)来描述,对于介质中传播的电磁场,通常存在两个独立的本征传播模式,它们是齐次麦克斯韦方程组的特解,各自具有特定的色散关系和偏振态。如果介质中传播的电磁场为两个本征模分量的线性迭加,其偏振态将会随着传播的过程而改变。常见的现象有各向异性晶体中的双折射、超材料中的偏振调制效应、自然界中手性材料的旋光响应以及外磁场作用下产生的Faraday效应等。本文从测量方法、数据处理、测量精度等方面介绍太赫兹时域偏振检测系统及其发展状况,特别是利用线栅、超材料以及光学手段调制太赫兹电场偏振态的方法。对近几年太赫兹偏振检测系统在分析手性超材料、太赫兹圆二色谱以及Faraday效应等实验中的应用进行了总结和讨论。最后展望了太赫兹偏振检测系统未来进一步的发展空间及应用前景。     

极化检测型铷原子磁力仪的研究

针对交变弱磁场的检测,研制了一种基于极化-检测双光束结构的激光抽运铷原子磁力仪.为了获得该磁力仪对磁场的响应特性,通过数值仿真分析了信号幅度随极化磁场强度、弛豫时间的变化关系,并进行了实验验证.最后通过选择合适的极化磁场使磁力仪对待测磁场的灵敏度最大.实验结果表明,优化后磁力仪灵敏度为0.2pT/(Hz)~(1/2),响应带宽3.5kHz,可用于弱磁场磁共振、高频异常物理现象等信号的检测.     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

KTiOPO4晶体的太赫兹光学声子振荡特性研究

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹时域频谱系统,研究了 KTiOPO4 晶体在0.5～2.0THz波段的光学声子振荡特性;在晶体z轴平行于THz波电场振动方向时发现了明显的吸收峰.利用晶体中晶格振动模式（光学声子）对光谱的选择性吸收特性和多洛仑兹振子伪谐振介电模型,很好地拟合了KTP晶体的复介电常量曲线,得到了对应晶格弱振动的光学声子的频谱参量值.研究结果表明,位于ω1 /2π=1.76 THz的吸收峰是KTP晶体中沿z轴排列的K+相对于PO4和TiO6晶格振动造成的光学外振动模.同时也说明THz波对于晶格弱振动非常敏感,对于微弱的光学声子吸收峰的频谱分析更加精准.     

太赫兹辐射场下的石墨烯光生载流子和光子发射

通过半经典的玻尔兹曼平衡方程理论研究了太赫兹辐射场下的石墨烯光生载流子和光子发射.研究得到了太赫兹辐射场下石墨烯的光生载流子浓度和光子发生率的解析公式.研究发现,掺杂电子浓度越小,或者温度越低,光生载流子浓度越大;掺杂电子浓度越大,或者温度越低,石墨烯的光子发射率越大.通过改变门电压或温度,可以有效地调控石墨烯光生载流子浓度和光子发射概率.理论研究结果和解析表达式对发展以石墨烯为基础的新型太赫兹光电器件具有重要的参考价值.     

Longitudinal conductivity in ABC-stacked trilayer graphene under irradiating of linearly polarized light

We study the effect of linearly polarized light on the band structure and longitudinal conductivity in ABC-stacked trilayer graphene. The linearly polarized light can induce a pair of additional points in ABC-stacked trilayer graphene, where conduct and valence bands touch. The locations of these points are determined by the amplitude of the light. Furthermore, the layer pseudospin polarization can be controlled by the light. When the Fermi energy locates at Dirac points, i.e., E_f=0, the longitudinal conductivity shows resonance phenomena when the light is present. Away from the Dirac points, the longitudinal conductivity is unchanged as varying E_f for weak light field at larger Fermi energy, and the amplitude of longitudinal conductivity can be controlled by tuning the light field amplitude. Moreover, the effect of linearly polarized light on resonance phenomena in k-cubic Rashba-Dresselhaus system under the irradiating of linearly polarized light is discussed.     

Transient optical modulation properties in the terahertz metamaterial of split ring resonators

The ultrafast optical modulation properties of split ring resonators are characterized by utilizing optical pump-terahertz probe spectroscopy.The experimental results show that when the terahertz electric vector is perpendicular to the gap of the split ring resonator,resonant absorption can be quenched significantly under high pump excitation.However,when the terahertz electric vector is parallel to the gap,the resonant absorption is less sensitive to pump excitation due to the structural properties of the metamaterial.Our numerical simulations also demonstrate that the pump pulse significantly influences the split ring resonator current by generating carriers in the substrate.