CN113917763A - 一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光泵浦石墨烯‑介质复合超表面的太赫兹放大器，该放大器包括四层结构，底层为金属基底(1)，中间层为低折射率介质(2)，上层为嵌入低折射率介质(2)中的高折射率介质谐振单元阵列(3)，上表面紧贴着一层石墨烯(4)，通过高功率红外激光泵浦，可控制石墨烯的动态电导率为负值，利用高折射率介质谐振单元的高Q谐振增强石墨烯与太赫兹波的相互作用，在谐振频率附近实现显著的太赫兹波相干放大。本发明结构简单紧凑，可为太赫兹***提供高效、高集成度的放大器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。
背景技术
介于0.1THz-10THz之间的太赫兹波是电磁波谱研究最少的子波段。太赫兹光源和检测技术的不断进步促进了太赫兹成像、太赫兹通信等技术的快速发展。在所有类型的太赫兹源中，飞秒激光驱动的脉冲太赫兹辐射源是应用最广泛的一种。它主要基于超短脉冲激发光电导天线产生太赫兹波，或基于光学整流效应产生太赫兹波。但这些辐射源的能量转换效率低，太赫兹辐射功率小，限制了太赫兹时域光谱等***的信噪比，阻碍了太赫兹信号的长距离传输。
石墨烯由于其独特的零带隙能带结构和较高的载流子迁移率，在足够强的光泵浦或电流注入泵浦作用下，可以使石墨烯能带中的粒子数反转，动态电导率变为负值，使石墨烯表现出增益特性。由于带内跃迁的弛豫时间比电子-空穴的复合时间短得多，载流子-载流子散射将光生电子和空穴激发到高能态，通过发射一系列的光学声子，电子和空穴弛豫到接近于狄拉克点的低能态，这一过程是在光泵浦之后和电子-空穴复合之前的几皮秒内完成的。目前，研究人员已经从实验上观察到了石墨烯对太赫兹波的放大并分析了其中超快的载流子输运过程。但是，石墨烯的负动态电导率远小于特征电导率
而且其单原子厚度限制了石墨烯与太赫兹波之间的相互作用，因此常需要采用多层石墨烯、石墨烯与谐振腔的结合、石墨烯与谐振单元的结合等方式增强石墨烯对太赫兹波的增益。
由于结构单元的表面等离子体谐振，金属超表面可以实现很强的近场局域增强效果，因此将石墨烯与金属超表面相结合，可提高对太赫兹波的放大倍数，降低对泵浦功率的要求。但金属结构不可避免的欧姆损耗总会削弱太赫兹波的放大，而介质超表面同样可以实现很强的近场局域增强，且有些介质材料几乎没有吸收损耗，因此将介质超表面与石墨烯结合，发展光泵浦下的太赫兹放大器对发展优质的太赫兹辐射源具有重要意义和实用价值。
发明内容
发明目的：本发明提出一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹波放大器。
技术方案：一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于该放大器包括四层结构，底层为金属基底(1)，中间为低折射率介质(2)，上层为嵌入低折射率介质(2)中的高折射率介质谐振单元阵列(3)，上表面紧贴着一层石墨烯(4)，在高功率红外激光泵浦下，可将特定频率的太赫兹波反射并进行相干放大。
进一步的，本发明中所述高折射率介质谐振单元阵列(3)为x-y平面内周期排布的二维阵列，排列周期Λ小于工作波长，所述周期是指相邻两个单元几何中心在二维轴上的距离。
进一步的，本发明中所述高折射率介质谐振单元阵列(3)的单元为开口环结构，开口中心线沿着x轴方向，入射线偏振光的偏振方向沿y轴。
进一步的，本发明中所述高折射率介质谐振单元阵列(3)的材料选择需要在工作频段折射率高且吸收系数小，例如适用于太赫兹波段的高阻硅。
进一步的，本发明中所述金属基底(1)材料为金、银或铜。
进一步的，本发明中所述石墨烯(4)在特定功率的1.5μm红外激光泵浦下可实现粒子数反转，表现出负的动态电导率，石墨烯的动态电导率随温度、频率以及泵浦光强度的变化关系为：
σ＝σintra+σinter (1)
进一步的，公式(1)-(3)中，kB为玻尔兹曼常数，
为约化普朗克常数，ω为入射电磁波频率，T为温度；EF为费米能级，与泵浦强度I有关，可表述为：
进一步的，公式(4)中，α为精细结构常数，υf为费米速率，电子-空穴对的弛豫时间τ和重组时间τr分别设为1ns和1ps，泵浦激光波长λ为1.5μm。
进一步的，本发明中所述高折射率介质谐振单元阵列(3)在石墨烯(4)电导率为负值的对应频率范围内具有高Q谐振响应。
进一步的，1.5μm红外激光仅在石墨烯内激发光生载流子，不引起高折射率介质谐振单元阵列(3)中的载流子变化。
进一步的，当石墨烯(4)没有光泵浦时，石墨烯-介质复合超表面结构在谐振频率处表现出强吸收特性，验证了太赫兹波在石墨烯附近的近场增强效果。
进一步的，当施加一定强度的泵浦光使石墨烯(4)的电导率为负值时，在介质单元的谐振频率附近产生显著的太赫兹放大。
进一步的，本发明中可通过改变高折射率介质谐振单元阵列(3)的结构，使高Q谐振对应不同频率，可实现对太赫兹放大频率的调节。
进一步的，本发明在低温77K和在室温300K下均可对太赫兹波进行同等程度的放大，且在室温下所需泵浦强度较低温下高一个数量级。
本发明的有益效果：本发明中仅采用单层石墨烯，充分利用介质谐振单元的高Q谐振和低损耗特点，解决单层石墨烯与太赫兹波弱相互作用的问题，有效增强了反射式太赫兹场的相干放大，结构易于设计和加工，为太赫兹***提供高效、高集成度的放大器件。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的石墨烯-介质复合超表面的结构和功能示意图；
图2是本发明实施例的石墨烯-介质复合结构单元示意图；
图3是本发明实施例的高折射率介质谐振单元阵列的透射率；
图4是本发明实施例在室温(300K)下，光激发石墨烯电导率实部与频率和激光泵浦强度之间的关系；
图5是本发明实施例在液氮温度(77K)下，光激发石墨烯电导率实部与频率和激光泵浦强度之间的关系；
图6是本发明实施例在低折射率介质的折射率为1，石墨烯无光泵浦时，复合超表面在室温下的振幅反射率。
图7是本发明实施例在低折射率介质的折射率为1，红外激光泵浦强度为8W/mm2时，复合超表面在室温下的振幅反射率。
图8是本发明实施例在低折射率介质的折射率为1.48，红外激光泵浦强度为8W/mm2时，高折射率介质谐振单元在三个不同尺寸下，复合超表面在室温300K下的振幅反射率。
图9是本发明实施例在低折射率介质折射率为1.48，红外激光泵浦强度为0.35W/mm2时，复合超表面在液氮温度77K下的振幅反射率。
图中有：金属基底1，低折射率介质层2，高折射率介质谐振单元阵列3，石墨烯4。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，共包括四层结构，在图1所示的具体实施例中，最下层为金属基底(1)，中间为低折射率介质空气或PMMA(2)，上层为嵌入低折射率介质(2)的高阻硅开口环谐振单元阵列(3)，最上层紧贴着均匀单层石墨烯(4)，该结构在1.5μm红外激光的激励下，对太赫兹波进行反射式相干放大。
图2为复合超表面单元的结构示意图，通过参数扫描确定如下结构参数，单元周期P＝51.5μm，低折射率空气层厚度hm为28μm，开口环厚度为hSi＝28μm，开口环的内半径rin＝6.8μm，外半径rout＝13.7μm，开口大小θ＝14°，开口的中心位于x轴。
入射的太赫兹波沿y方向偏振。
图3为开口环的透射率，在f1＝3.36THz和f2＝3.5THz存在两个谐振，对应的Q值分别为170和17，在f1频率处存在高Q谐振。
在室温(300K)下，由公式(1)-(4)计算了石墨烯的动态电导率随频率和1.5μm红外激光泵浦功率的变化，图4为电导率为负值的分布情况，在泵浦激光强度为5W/mm2附近，石墨烯在3THz-6THz范围内表现出负电导率，且开口环的高Q谐振频率f1落在这一频率范围内。
如图5所示，在液氮温度(77K)下，石墨烯负电导率向低频方向移动，实现同一负电导率需要的泵浦激光强度更低，当泵浦激光强度为0.35W/mm2左右时，石墨烯的电导率在1.45THz-6THz范围内为负值。
图6为无激光泵浦时石墨烯-介质复合超表面的振幅反射率，此时石墨烯的电导率为正值，表现出损耗特性，复合超表面在高Q谐振频率f1处表现出对太赫兹波30％的吸收，这是由于开口环的近场效应增强了太赫兹波与石墨烯的相互作用。
图7为红外激光泵浦强度为8W/mm2时复合超表面的振幅反射率，此时石墨烯在f1处的电导率为-9.43+1000iμS，在f1附近的3.38THz处振幅反射率为35，实现了显著的太赫兹放大。
相应地，当低折射率介质由空气替换为更具有实际意义的PMMA材料，通过参数优化确定单元周期为P＝56μm，PMMA间隔层厚度hm＝10μm，开口环的厚度hSi＝45μm，开口大小θ＝14°，当开口环的内外径分别为：a)rin＝7.59μm，rout＝12.36μm；b)rin＝10.43μm，rout＝15.96μm；c)rin＝18.29μm，rout＝23.00μm时，如图8所示，对应的太赫兹放大频率可从3.7THz调节至4.7THz。
如图9所示，液氮温度下，红外激光泵浦强度为0.35W/mm2时，在单元周期P＝112μm、内半径rin＝6.56μm和外半径rout＝16.11μm时，该复合超表面在1.75THz处可将太赫兹波的振幅放大至55.6倍。
Claims (9)
1.一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于该放大器包括四层结构，底层为金属基底(1)，中间为低折射率介质(2)，上层为嵌入低折射率介质(2)中的高折射率介质谐振单元阵列(3)，上表面紧贴着石墨烯(4)，在高功率红外激光泵浦下，可将特定频率的太赫兹波反射并进行相干放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于高折射率介质谐振单元阵列(3)在x-y平面内周期排布，单元为开口环结构，开口中心线沿着x轴方向，入射线偏振光的偏振方向沿y轴。
3.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于高折射率介质谐振单元阵列(3)可选择高阻硅等材料，金属基底(1)可选择金、银等材料，低折射率介质(2)可选择PMMA等材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于在室温下功率为5W/mm2左右的红外激光泵浦下，石墨烯(4)的电导率在3-5THz范围内为负值。
5.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于通过选择合适的高折射率介质谐振单元的尺寸，使其具有高Q谐振，且谐振频率落在权利要求4所述负电导率对应的频率范围内。
6.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，在无泵浦的情况下，在介质高Q谐振频率处表现出对太赫兹波的强吸收。
7.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于在特定强度的红外激光泵浦下，石墨烯电导率变为负值，该放大器在高Q谐振频率附近对太赫兹波进行反射式相干放大。
8.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于通过改变高折射率介质谐振单元阵列(3)的结构，使高Q谐振对应不同频率，可实现对太赫兹放大频率的调节。
9.根据权利要求1所述的一种基于光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，其特征在于低温77K和室温300K下均可对太赫兹波进行同等程度的放大，且在室温下所需泵浦强度较低温下高一个数量级。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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