CN102621767A - 一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置，包括THz辐射产生装置、THz辐射放大装置、THz辐射探测装置，三装置通过分束器共用一台飞秒激光器。入射的飞秒光脉冲经过分束镜后分为两束：其中一束为光探测路，进入THz辐射探测装置，利用电光取样探测原理对所产生和放大的太赫兹脉冲进行探测；另一束再经过另一分束镜分成两束Beam1和Beam2；Beam 1为THz产生光，利用光整流效应在非线性晶体表面产生THz辐射，该辐射经离轴抛物镜照射到无基底石墨烯上，作为信号光；Beam2为石墨烯的抽运光，激发无基底石墨烯实现载流子的粒子数反转，在THz信号光的作用下实现对THz辐射的受激放大。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及通过光抽运无基底石墨烯，使石墨烯实现负电导率，从而对太赫兹波进行放大的装置。
背景技术
THz辐射源从其产生的机理来看可分为两大类：基于电子学的THz辐射源和基于光学的THz辐射源。光学方法目前主要有，非线性光学差频方法和THz波参量振荡方法，光抽运THz波气体激光器，与超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒THz辐射的光整流、光电导和等离子体四波混频等方法。
其中，利用飞秒激光脉冲抽运非线性晶体通过光整流效应产生THz辐射，是利用飞秒激光脉冲和非线性介质(如ZnTe)相互作用产生低频电极化场，此电极化场在晶体表面辐射出THz电磁波。光整流发射的THz波束的能量直接来源于激光脉冲的能量，它的转换效率主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件。该方式所产生的THz波具有超宽带、窄脉宽、高峰值功率等特点，可应用于THz时域光谱成像、精密时间分辨光谱等研究，其信噪比远高于传统远红外傅立叶光谱，但THz脉冲时间相干性差、转换效率较低，得到的THz波束的平均功率只有纳瓦到微瓦的数量级，限制了其应用范围。因此，寻找新型高效材料，对THz辐射源进行放大，提高其功率、转换效率和相干性，实现高效率、宽带、高能量、可调谐的相干THz源成为研究热点。
文献(H.Karasawa，T.Komori，T.Watanabe，H.Fukidome，M.Suemitsu，A.Satou，V.Ryzhii，T.Otsuji，Observation of amplified stimulated terahertz emission from optically pumpedheteroepitaxial graphene-on-silicon materials，J.Infrared Milli.Terhz.Waves.2011 32：655-665)报道了用1.55μm、80fs的飞秒激光抽运异质外延石墨烯材料，CdTe晶体作为太赫兹探测脉冲发射器，同时作为电光传感器，实现THz信号的放大。异质外延石墨烯材料是通过加热单晶6H-SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层方法制得的石墨烯结构。由于电荷由SiC转移到与SiC表面接触的最底层石墨烯，导致该层石墨烯电导率很高，德鲁德吸收使其对太赫兹波段范围的辐射吸收较大，吸收其他石墨烯层辐射的THz波，对实现THz的放大有负的作用，因此这种方法实现太赫兹放大的效率不高。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的问题，克服上述缺陷，提高太赫兹放大的效率。
本发明解决技术问题的技术方案是：一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置，包括THz辐射产生装置、THz辐射放大装置、THz辐射探测装置，这三个装置通过分束器共用一台飞秒激光器。THz辐射产生装置包括飞秒激光器、二分之一波片、时间延迟控制系统、全反镜、会聚透镜、非线性晶体；THz辐射放大装置装置包括飞秒激光器、全反镜、会聚透镜和无基底石墨烯；THz辐射探测装置包括飞秒激光器、时间延迟控制系统、全反镜、会聚透镜和、偏振片和THz辐射探测系统。上述器件装置的光路传输关系是：入射的飞秒激光脉冲经过分束镜后分为两束：其中一束Beam 3为光探测路，进入THz辐射探测装置，利用电光取样探测原理对所产生的太赫兹脉冲进行探测；另一束再经过另一分束镜分成两束Beam 1和Beam 2；Beam 1为THz产生光，进入THz辐射产生装置，利用光整流效应在非线性晶体表面产生THz辐射，该THz脉冲经两个离轴抛物镜照射到无基底石墨烯上，作为信号光；Beam2为石墨烯的抽运光，光激发无基底石墨烯实现石墨烯中载流子的粒子数反转，在THz信号光的作用下实现对THz辐射的受激放大；被光抽运无基底石墨烯放大后的THz波，又经过一对离轴抛面镜后进入THz辐射探测系统。
作为本发明的进一步改进，非线性晶体为ZnTe晶体。
作为本发明的进一步改进，无基底石墨烯附着在聚乙烯上，聚乙烯支撑无基底石墨烯并能使THz波低损耗透过。
本发明依据的原理：用光子能量为
(c是真空中光速，
是修正的普朗克常量，λp是泵浦光光子波长)的光泵浦石墨烯生成能量为
的电子和空穴，ε0是光生电子和空穴的能量。因为电子和空穴与光学声子的相互作用时间τ0很短，光生电子和空穴快速级联发射N个能量较高的光学声子，每个光学声子的能量为
λ0为光学声子的波长，
(
是取的整数部分)，N是光生电子和空穴级联发射光学声子的个数，从而使产生的光生电子和空穴弛豫到在石墨烯导带和价带的低能量区域。泵浦和弛豫过程使电子和空穴的费米能级分开，由狄拉克点分别转移到导带和价带，电子和空穴获得了在导带底部和价带顶部的低能量状态，这相当于粒子数反转。粒子数反转后发生带间转移，即电子和空穴的复合，这个过程伴随着能量较低的光子的吸收和发射：
εF是电子和空穴分布的准费米能级，λ是吸收和发射的低能量光子的波长，使得带间转移对动态电导率实部Reσλ有负的贡献。如果Reσλ＜0，通过电子和空穴的复合，可能实现低能量光子的辐射。当泵浦光波长870～896nm(能量为1386～1428meV)范围时，发射低能量光子频率的范围是0.1～10THz，处于THz波段。无基底石墨烯附着在聚乙烯上，聚乙烯支撑无基底石墨烯并能使THz波低损耗透过。由于底层与衬底聚乙烯的结合不紧密，底层和上面各层石墨烯的电导率基本一致，这就克服了异质外延石墨烯由于基底石墨烯电导率很高而导致的对THz波的德鲁德吸收，提高了对THz波的放大效率。
本发明的有益效果是：利用光泵浦的石墨烯能实现在太赫兹波段的粒子数反转的原理，实现了对飞秒泵浦非线性晶体光整流效应产生的THz辐射的放大，使用无基底石墨烯，克服了石墨烯底层对THz波的德鲁德吸收，提高了THz波的功率、转换效率和相干性。
附图说明
图1是光抽运石墨烯实现THz受激放大装置示意图；
图2光抽运无基底石墨烯实现太赫兹放大原理图；
图3有基底石墨烯和无基底石墨烯结构对照图；
图4输入信号与经无基底石墨烯放大后对应的输出信号的对比图。
1飞秒激光器，2二分之一波片，3分束镜，4时间延迟控制系统，5全反镜，6会聚透镜，7非线性晶体ZnTe，8离轴抛物镜，9无基底石墨烯，10偏振片，11探测系统，12聚乙烯，13有基底石墨烯，14基底
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1，一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置，包括THz辐射产生装置、THz辐射放大装置、THz辐射探测装置，这三个装置通过分束器共用一台飞秒激光器。THz辐射产生装置包括飞秒激光器1、二分之一波片2、时间延迟控制系统4、全反镜5、会聚透镜6、非线性晶体7；THz辐射放大装置装置包括飞秒激光器1、全反镜、会聚透镜和无基底石墨烯9；THz辐射探测装置包括飞秒激光器1、时间延迟控制系统4、全反镜、会聚透镜和、偏振片10和THz辐射探测系统11。上述器件装置的光路传输关系是：入射的飞秒激光脉冲经过分束镜3后分为两束：其中一束Beam3为光探测路，进入THz辐射探测装置，利用电光取样探测原理对所产生的太赫兹脉冲进行探测；另一束再经过另一分束镜3分成两束Beam 1和Beam 2；Beam 1为THz产生光，进入THz辐射产生装置，利用光整流效应在非线性晶体7表面产生THz辐射，该THz脉冲经两个离轴抛物镜8照射到无基底石墨烯9上，作为信号光；Beam2为石墨烯的抽运光，光激发无基底石墨烯9实现石墨烯中载流子的粒子数反转，在THz信号光的作用下实现对THz辐射的受激放大；被光抽运无基底石墨烯9放大后的THz波，又经过一对离轴抛面镜后进入THz辐射探测系统。非线性晶体7为ZnTe晶体。
参见图2，无基底石墨烯9附着到聚乙烯12上，聚乙烯12支撑无基底石墨烯9并能使THz波透过。
图3为有基底石墨烯结构和无基底石墨烯结构的对比图。有基底石墨烯13含有一层与基底结合紧密的基底14，该基底导致对THz波的德鲁德吸收，因此，本发明采用无基底的结构。
验证实验中，使无基底石墨烯9覆盖衬底聚乙烯的一半。石墨烯为用化学解理法或物理剥离法制作的石墨烯薄膜。实验时载有样品的平台交替移动，以便使THz信号光分别经过衬底聚乙烯和无基底石墨烯+衬底聚乙烯区域进行测量对照。通过测量无基底石墨烯+衬底聚乙烯和只有衬底聚乙烯的电场强度，可以验证THz信号的受激放大。图4是输入信号与经无基底石墨烯放大后对应的输出信号的对比。
该装置可用于THz时域光谱成像、精密时间分辨光谱等研究，较原有的时域光谱仪具有更高的THz波功率和能量。
Claims (3)
1.一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置，包括THz辐射产生装置、THz辐射放大装置、THz辐射探测装置，这三个装置通过分束器共用一台飞秒激光器；
THz辐射产生装置包括飞秒激光器(1)、二分之一波片(2)、时间延迟控制系统(4)、全反镜(5)、会聚透镜(6)、非线性晶体(7)；THz辐射放大装置装置包括飞秒激光器(1)、全反镜、会聚透镜和无基底石墨烯(9)；THz辐射探测装置包括飞秒激光器(1)、时间延迟控制系统(4)、全反镜、会聚透镜和、偏振片(10)和THz辐射探测系统(11)；
上述器件装置的光路传输关系是：入射的飞秒激光脉冲经过分束镜(3)后分为两束：其中一束Beam 3为光探测路，进入THz辐射探测装置，利用电光取样探测原理对所产生的太赫兹脉冲进行探测；另一束再经过另一分束镜(3)分成两束Beam 1和Beam 2；Beam 1为THz产生光，进入THz辐射产生装置，利用光整流效应在非线性晶体(7)表面产生THz辐射，该THz脉冲经两个离轴抛物镜(8)照射到无基底石墨烯(9)上，作为信号光；Beam2为石墨烯的抽运光，光激发无基底石墨烯(9)实现石墨烯中载流子的粒子数反转，在THz信号光的作用下实现对THz辐射的受激放大；被光抽运无基底石墨烯(9)放大后的THz波，又经过一对离轴抛面镜后进入THz辐射探测系统。
2.如权利要求1所述的一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置，非线性晶体(7)为ZnTe晶体。
3.如权利要求1所述的一种基于光抽运无基底石墨烯的太赫兹波放大装置，无基底石墨烯(9)附着在聚乙烯(12)上，聚乙烯(12)支撑无基底石墨烯(9)并能使THz波低损耗透过。
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