光抽运多层石墨烯太赫兹表面等离子体增益特性的研究

本文建立了光抽运多层石墨烯表面等离子体模型,计算了光抽运多层石墨烯等离子体传播系数的实部和吸收系数,讨论了动量弛豫时间、温度、层数、准费米能级对表面等离子体传播系数的实部和吸收系数的影响.研究结果表明,光抽运多层石墨烯使其动态电导率的实部在太赫兹频段内出现负值时,石墨烯表面等离子体实现增益.通过光抽运剥离层石墨烯和含有底层石墨烯结构表面等离子体传播系数和吸收系数比较,表明光抽运剥离层石墨烯能更有效地实现表面等离子体的增益.同时,在低温下,光抽运具有合适层数的石墨烯比光抽运单层石墨烯能获得更大的表面等离子体增益.     

石墨烯在中红外波段的光限幅效应研究

利用纳秒级脉冲量激光的Z 扫描方法对不同层数石墨烯薄膜在3 m~5 m中红外波段的光限幅效应开展了研究,获得的开孔Z扫描曲线均呈现出单一谷结构,而闭孔Z扫描曲线没有明显的峰谷对称结构。通过对开孔Z扫描实验数据进行数值模拟,分别得到3层石墨烯在3.010 m、3.522 m、4.326 m和4.880 4 m 4个中心波长处的三阶非线性吸收系数和光限幅阈值分别为11.3910-7cm/W、10.6110-7cm/W、9.7510-7cm/W、8.8110-7cm/W和3.49 J/cm2、3.75 J/cm2、4.11 J/cm2、4.55 J/cm2;3层、5层和7层石墨烯在3.522 m中心波长处的三阶非线性吸收系数和光限幅阈值分别为10.6110-7 cm/W、11.3210-7 cm/W、11.9510-7 cm/W和3.75 J/cm2、3.41 J/cm2、3.32 J/cm2。实验数据表明,石墨烯在中红外波段产生了较强的非线性反饱和吸收而具有明显的光限幅效应。     

单层与双层石墨烯的光学吸收性质研究

采用紧束缚模型分别描述单层、双层石墨烯的能带结构, 利用光子-电子相互作用的二阶微扰理论分别计算单光子和双光子吸收系数.计算结果表明: 单层石墨烯单光子吸收系数为常数, 约为6.8×10⁷ m^-1, 即单层石墨烯对入射光的吸收率约为2.3%; 双层石墨烯的单光子吸收比单层石墨烯的单光子吸收强, 且随入射光波长呈分段性变化.单层石墨烯的双光子吸收系数与波长λ⁴成正比; 双层石墨烯双光子吸收系数在红外波段(～ 3100 nm处)有一个很强的共振吸收峰. 研究结果可为石墨烯材料在光电子器件的研究和制作方面提供指导. 关键词： 石墨烯 光学吸收 紧束缚模型     

含石墨烯临界耦合谐振器的吸收特性研究

临界耦合谐振器是一种薄膜结构, 可以吸收几乎所有的入射电磁波而不产生散射. 为了有效的实现和控制临界耦合现象, 本文提出了在临界耦合结构中加入了基于石墨烯的多层薄膜结构来代替原来的吸收薄膜层. 计算表明临界耦合现象出现在近红外波段, 且可以通过调节石墨烯的费米能级来获得不同的临界耦合频率; 另外改变多层薄膜结构中介质的厚度、石墨烯的层数, 实现了临界耦合现象的可调谐性, 同时对于弛豫时间和入射角度对吸收效率的影响也做了相应讨论. 本文理论结果为基于石墨烯的临界耦合器件和光探测器件的设计提供了理论依据.     

基于超快激光脉冲瞬态特征的非线性透射率

根据麦克斯韦方程,结合超快激光脉冲的瞬态特性,在忽略色散的影响下,推导并得出了三阶非线性各向同性系统中以光强表示的非线性吸收偏微分方程。以高斯脉冲激光为例,给出了该方程的一个近似解。基于该近似解的非线性透射率,不仅与脉冲激光的峰值强度、样品厚度以及介质的双光子吸收系数有关,而且还与描述脉冲主要特性的物理量——激光脉冲半峰全宽以及激发光的频率有关。数值拟合Rhodamine等物质的非线性透射率的实验曲线的结果显示,基于超短脉冲瞬态特性的非线性透射率得出的介质双光子吸收系数大于传统非线性透射率参考公式给出的相应结果,与双光子诱导荧光法的结果基本吻合。     

Kerr缺陷一维耦合腔光波导的双稳态方向性

本文提出一种只在一层高折射率介质层中掺杂Kerr介质的一维耦合腔光波导.利用一维传输矩阵理论和非线性传输矩阵方法研究了此结构的光学双稳态.根据一维传输矩阵理论分析了此结构的线性特性,包括低频带边模的偏移及场分布的特点,讨论了此结构实现双稳态的原理.研究发现:由于缺陷层中场分布与入射光方向密切相关,而缺陷层光场的局域,将激发Kerr介质的三阶非线性效应,从而改变了缺陷层的折射率,所以不同方向的入射光具有不同的双稳态阈值.利用非线性传输矩阵方法研究了光学双稳态特性.结果表明:由于缺陷层的位置导致缺陷模正方向（由左到右）入射的场分布大于反方向（由右到左）入射的场分布,正方向的阈值低于反方向的阈值,相差一倍.     

镍层间掺杂多层石墨烯的电子结构及光吸收特性研究

采用密度泛函理论计算分析镍原子层间掺杂对多层石墨烯电子结构和光吸收性能的影响.计算结果表明,掺杂镍原子后的石墨烯电子结构发生了改变,双层和三层石墨烯的带隙均可打开,最大带隙为0.604 eV;镍原子掺杂后的石墨烯d轨道电子的态密度在费米能级处产生尖峰效应,体系等离子能量增强;介电常数虚部和消光系数均增大,吸光性能提高.相关工作对深入探讨石墨烯的光学特性具有重要参考价值.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制（英文）

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象（英文）

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5μm、石墨烯费米能级为1.5eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5 μm、石墨烯费米能级为1.5 eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

Br掺杂对石墨烯带隙影响的实验研究（英文）

石墨烯独特的结构和性能使其在纳米电子、半导体器件等领域成为研究的热点,但其零带隙的特性严重限制了其应用。采用化学气化沉积法制备了多层石墨烯,并使用溴蒸汽对制备的多层石墨烯进行掺杂,分析研究了溴蒸汽化学掺杂对石墨烯带隙的影响。为了对比溴蒸汽掺杂对石墨烯带隙的影响,使用633nm He-Ne光分别测量了石墨烯掺杂前和掺杂后的拉曼光谱,根据拉曼光谱计算了石墨烯费米能级移动与掺杂溴蒸汽之间的关系。实验结果表明:溴蒸汽掺杂对石墨烯拉曼光谱G带产生影响;随着掺杂溴蒸汽体积的增加,拉曼光谱G带向高频移动并逐渐趋于稳定;G带和2D带强度比也迅速增加,并最终趋于稳定。费米能级的移动与G峰位置成线性关系,利用G峰峰值位置与费米能级实验关系式计算了溴掺杂后石墨烯的费米能级,分析了化学掺杂对石墨烯带隙的影响。     

Br掺杂对石墨烯带隙影响的实验研究

石墨烯独特的结构和性能使其在纳米电子、半导体器件等领域成为研究的热点,但其零带隙的特性严重限制了其应用.采用化学气化沉积法制备了多层石墨烯,并使用溴蒸汽对制备的多层石墨烯进行掺杂,分析研究了溴蒸汽化学掺杂对石墨烯带隙的影响.为了对比溴蒸汽掺杂对石墨烯带隙的影响,使用633 nm He-Ne光分别测量了石墨烯掺杂前和掺杂后的拉曼光谱,根据拉曼光谱计算了石墨烯费米能级移动与掺杂溴蒸汽之间的关系.实验结果表明:溴蒸汽掺杂对石墨烯拉曼光谱G带产生影响;随着掺杂溴蒸汽体积的增加,拉曼光谱G带向高频移动并逐渐趋于稳定;G带和2D带强度比也迅速增加,并最终趋于稳定.费米能级的移动与G峰位置成线性关系,利用G峰峰值位置与费米能级实验关系式计算了溴掺杂后石墨烯的费米能级,分析了化学掺杂对石墨烯带隙的影响.     

翠绿亚胺碱的超快光克尔和光致吸收效应

报道了在飞秒染料激光脉冲作用下对翠绿亚胺碱（ＥＢ）的二甲基甲酰胺溶液的瞬态共振光克尔和光致吸收效应的研究．时间分辨的光克尔实验表明，翠绿亚胺碱溶液的光克尔信号仅表现一超快响应的成分，可归结为其基态和由于单光子共振吸收和双光子吸收产生的激发态的各振动能级与转动能级之间的弛豫过程．同时通过拟合计算分别给出了翠绿亚胺碱溶液的弛豫时间和三阶非线性极化率．抽运探测实验结果表明，翠绿亚胺碱分子的超快响应的光致吸收效应，主要来自于导致该分子中苯环结构π—π^*跃迁的双光子吸收的贡献． 关键词：     

基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

非线性光学薄膜输出特性的研究

对单层、双层非线性光学薄膜的输出特性进行数值计算,发现材料非线性特性对光学双稳态输出特性影响较大,而选择合适的双层结构可以获得较低的双稳态阈值光强以及光放大作用。双层非线性光学薄膜间的距离以及入射光的准直性极大地影响着双稳态输出特性.     

纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性北大核心CSCD

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

GaAs在光通讯波段的超快非线性光学研究（英文）

采用Z-扫描和泵浦-探测技术,在光通讯波段对砷化镓(Ga As)单晶进行了非线性动力学以及非线性光学的实验研究。飞秒泵浦-探测实验结果表明,三阶非线性光学效应源于砷化镓单晶对飞秒激光的瞬态双光子吸收,而五阶非线性光学效应源于砷化镓单晶双光子吸收诱导的自由载流子吸收效应。通过Z扫描实验,得到了关于Ga As单晶所有的非线性光学参数,包括双光子吸收系数、三阶非线性折射系数、双光子吸收诱导的自由载流子吸收截面以及双光子吸收诱导的自由载流子折射截面。结果表明,砷化镓单晶在制造光限幅器件和光电探测器方面具有良好的发展前景。     

GaAs在光通讯波段的超快非线性光学研究

采用Z-扫描和泵浦-探测技术,在光通讯波段对砷化镓(GaAs)单晶进行了非线性动力学以及非线性光学的实验研究.飞秒泵浦-探测实验结果表明,三阶非线性光学效应源于砷化镓单晶对飞秒激光的瞬态双光子吸收,而五阶非线性光学效应源于砷化镓单晶双光子吸收诱导的自由载流子吸收效应.通过Z扫描实验,得到了关于GaAs单晶所有的非线性光学参数,包括双光子吸收系数、三阶非线性折射系数、双光子吸收诱导的自由载流子吸收截面以及双光子吸收诱导的自由载流子折射截面.结果表明,砷化镓单晶在制造光限幅器件和光电探测器方面具有良好的发展前景.