CN102801101A - 一种石墨烯发光器、使用所述石墨烯发光器的散热装置以及光传输网络节点 - Google Patents

一种石墨烯发光器、使用所述石墨烯发光器的散热装置以及光传输网络节点 Download PDF

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Abstract

一种石墨烯发光器，包括二电极、一加速电场电源以及若干磁体组，还包括用于提供自由电子的一石墨烯材料，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源正负极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面，以使所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子。

Description

一种石墨烯发光器、使用所述石墨烯发光器的散热装置以及光传输网络节点
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其涉及一种石墨烯材料的新应用。
背景技术
激光器的种类有很多，但是从激励方式上看，主要有受激辐射激光器、自由电子激光器、化学激光器三种，目前业界广泛应用的激光器主要是受激辐射激光器，按照工作物质物态的不同，又分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器等几种，这些激光器的主要特点是激光波长与激励物质有关，激励物质确定了，波长也相应确定了；
自由电子激光器这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，其波长宽带可调，因此具有很诱人的前景，需要更多的实现方式，以在应用中根据各种方式的优劣进行适当的选择。
发明内容
本发明实施例提供了可以用于制作自由电子激光器的一种石墨烯发光器、以及使用所述石墨烯发光器的散热装置和网络节点。
本发明实施例一方面提供一种石墨烯发光器，包括二电极、一加速电场电源以及若干磁体组，还包括用于提供自由电子的一石墨烯材料，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源正负极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面，以使所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子。
上述石墨烯发光器是以石墨烯材料为自由电子源，在加速电场以及交变磁场的作用下产生光子而作为一种新的激光光源，通过调节加速电场电源电压、交变磁场强度，波状磁场间距，石墨烯温度等任一个参数，可以实现输出激光的波长调节，从而满足激光设备对光源的要求。
本发明实施例另一方面提供一种散热装置，包括二电极、一加速电场电源、若干磁体组以及提供自由电子的一石墨烯材料，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源正负极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场，所述石墨烯材料与一发热元件接触，以吸收所述发热元件的热量并增加所述自由电子的动能；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面，以通过所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子而将热量散发出去。
上述石墨烯材料吸收发热元件的热量后，使石墨烯材料上的自由电子的震动以及能量增加，再经加速电场以及交替变换磁场的作用，一举从更高能级跃迁到低能级，从激发出高频光子，而把石墨烯材料所吸收的热能转换成光能而得以散发出去。也就是所述高频光子的频率比没有吸收热能情况下，石墨烯材料自由电子在在加速电场以及交替变换磁场的作用下激发的光子频率更高。
本发明实施例又一方面提供一种光传输网络节点，包括用于调制光传输信号的石墨烯发光器以及反射镜组，所述石墨烯发光器包括用于提供自由电子的一石墨烯材料、二电极、一加速电场电源以及若干磁体组，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源正负极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，以使所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面；所述反射镜组包括位于沿自由电子运动的出光方向上的第一反射镜组以及与所述第一镜组相对的第二镜组，所述自由电子激发的光子一部分沿出光方向通过，另一部分被所述第一镜组反射回来，所述第二反射镜组将与出光方向相反的方向上的光子正反射回去，从而把所述自由电子激发的光子汇聚在单一方向上。
上述光传输网络节点通过所述反射镜组将所述石墨烯发光器激发的光子汇聚成一可用于调制光信号的激光束，从而通过调制所述激光束来实现光网信号的传输。
附图说明
图1所示为本发明实施例一中的一种石墨烯发光器。
图2所示为本发明实施例一中的一种石墨烯发光器。
图3所示为本发明实施例一中一种石墨烯发光器的另一种磁体组排布方式。
图4所示为本发明实施例二中的一种散热装置。
图5所示为本发明实施例三中一种光网络传输的节点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种石墨烯发光器、以及使用所述石墨烯发光器的散热装置和网络节点，利用石墨烯材料自身表面自由电子的特性，设置特定环境使石墨烯上的自由电子激发光子，从而作为一种自由电子激光器的光源，提高激光器的性能。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一中一种石墨烯发光器，包括：一石墨烯材料10、一加速电场电源20以及若干磁体组30。
在本实施例中，所述石墨烯材料10为一片状体，有一层或多层石墨烯片组成，石墨烯片之间的每一层石墨烯片上存在有可以高速运动的自由电子，其中纯石墨烯材料10是一种半金属或零能隙半导体，其电子结构，对于低能量电子，在如图1所示形成的二维的六角形布里渊区的六个转角附近，能量-动量关系是线性关系：
Figure BDA00001937171500041
其中，E是能量，
Figure BDA00001937171500042
是约化普朗克常数，υF≈106是费米速度，kx与ky分别为波矢量的x轴分量与y轴分量；其中，引至电子和空穴的有效质量（effectivemass）都等于零，因为这线性色散关系，电子和空穴在这六点附近的物理行为，好似由狄拉克方程描述的相对论性自旋1/2粒子。所以，石墨烯的电子和空穴都被称为狄拉克费米子，布里渊区的六个转角被称为“狄拉克点”，又称为“中性点”。在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electron mobility），其数值超过15,000cm2V-1s-1，其中空穴和电子的迁移率应该相等。由于石墨烯材料10的上诉二维性质，在本发明设置的特定场景下成为发光器的高效自由电子源。
所述加速电源电场用于在石墨烯材料10的第一方向上对石墨烯材料10施加一加速电场，为使石墨烯材料10使用效率最大化，所述第一方向优选为与所述片状石墨材料的长度方向一致。所述加速电场可以是交流电场或脉冲电场。
上述石墨烯发光器还包括二电极40，所述二电极40分别与所述加速电场电源20正负极导电连接，且所述所述二电极40分别与石墨烯材料10的相对两端或两侧导电连接，或者所述二电极40分别位于所述石墨烯材料10的相对两端或两侧并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，以在所述第一方向上施加加速电场。所述石墨烯材料10包括形状呈矩形或长条形的石墨烯片体，所述二电极40分别设置于所述石墨烯材料10的两侧或两端是指所述二电极40分别位于所述矩形石墨烯片体的两侧或者位于所述长条形石墨烯片体的两端。所述石墨烯材料10包括形状呈圆形或圆环形石墨烯片体，所述二电极40分别设置于所述石墨烯材料10的两侧或两端指其中一电极40位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的圆心，另一所述电极40位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的周围或圆周上。
上述若干磁体组30设置于石墨烯材料10所在平面的相对两侧，例如图1所示，分别位于石墨烯材料10所在平面的上下两侧，所述第一方向与所述石墨烯材料10所在平面平行，或者说所述第一方面位于所述石墨烯材料10所处的平面上。所述上下两侧的磁体组30分别垂直于石墨烯所在的平面且相互正面相对应。每一磁体组30包括S极和N极两部分，所述S极和N极垂直于石墨烯材料10所在平面放置。根据放置方式的不同，所述磁体组30可以分为第一磁体组32以及第二磁体组组34，其中所述第一磁体组32沿垂直石墨烯材料10所在平面的一方向上先由S极再到N排列，而所述第二磁体组34的两级排列与第一磁体组32的相反，也就是所述第二磁体组34沿垂直石墨烯材料10所在平面的同一方向上先由N极再到S排列。
所述石墨烯材料10上下两侧的磁体组30由第一磁体组32以及第二磁体组34交替设置，以形成垂直石墨烯材料10所在平面的第二方向上的交替交变磁场，也就是每相邻两个第一磁体组32之间设置一第二磁体组34，反过来一样，每相邻两第二磁体组34之间设置有一第一磁体组32。所述第二方向垂直于所述石墨烯材料10所在的平面，同时也与所述加速电场所在的第一方向垂直，也就是所述交替交变磁场与所述加速电场垂直。所述石墨烯材料10上下两侧的磁体组30分别一一正对应设置，也就是位于石墨烯材料10一侧的第一个磁体组30是第一磁体组32的话，位于石墨烯材料10另一侧与所述位于石墨烯材料10一侧的第一个磁体组30正对应的磁体也是第一磁体组32。此外，所述每一磁体的尺寸一致，从而形成均匀交替变换的磁场。
当所述石墨烯材料10呈矩形或长条形片体时，所述磁体组30为四方体，由第一、第二磁体组32、34相互交替紧密排列；如图3所示，本发明实施例中，当所述石墨烯材料60包括形状呈圆形或圆环形石墨烯片体，所述磁体组70呈圆环形，由第一磁体组72和第二磁体组74由外向圆心交替紧密排列，而且，相应地，越靠近圆心的磁体组70尺寸越小。
如本发明实施例中上述石墨烯发光器的工作示意图图1至3所示，上述石墨烯发光器在实用时，通过所述加速电场电源20对设置于石墨烯材料10两侧的电极40施加加速电压，而形成在所述第一方向上覆盖所述石墨烯材料10的加速电场。例如，在所述第一方向上的加速电场的作用下，所述石墨烯材料10上自由电子沿所述第一方向由连接所述加速电场电源20负极的电极40向连接加速电场正极的电极40运动。所述自由电子在由所述负极电极40向正极电极40移动的过程中，根据安培左手定则，由于在所述交变磁场的作用下电子将受到垂直于磁场以及电场方向的洛伦兹作用力，又由于所述交变磁场的磁场方向是交替反转变化的，所以作用于所述自由电子的磁场力在石墨烯材料10所在平面上并垂直所述加速电场以及交变磁场的方向上交替反向变化。因此，石墨烯材料10的自由电子在所述加速电场以及交变磁场的作用下，在石墨烯材料10表面上做曲线运动，所述曲线为正弦曲线。
通过调节磁场以及电场强度，使所述自由电子满足一下（1）与（2）等式的条件下，将会激发光子，而形成光源：
W＝Ekin+mec2---（1）
γ＝W/(mec2)-----（2）
其中式中Ekin为电子的动能，为加速电场为电子提供的动能，c为真空中的光速，γ为归一化电子速度，W为动能，me为电子质量。
而且所述激发光子的波长由一下（3）与（4）等式决定：
λ l = λ u 2 γ 2 ( 1 + K 2 2 ) - - - ( 3 )
其中 K = e B 0 λ u 2 π m e c - - - ( 4 )
式中，λl为激光波长，λu为波状磁场相邻磁极中心间距，B0波状磁场峰值强度。可见，通过调节加速电场电源20电压、交变磁场强度，波状磁场间距，石墨烯温度等任一个参数，可以实现输出激光的波长调节，从而满足激光设备对光源的要求。
如图2所示，所述石墨烯发光器还包括反射镜组50，所述反射镜组50包括位于一电极40上方的第一反射镜组52以及位于另一电极上方并与所述第一镜组52相向的第二反射镜组54，所述自由电子激发的光子一部分通过第一反射镜组53射出，另一部分被所述第一反射镜组52反射回来，所述第二反射镜组54将打在其上的光子朝第一反射镜组52的方向反射回去，从而把所述自由电子激发的光子汇聚在单一方向上。所述第一反射镜组52具有滤波功能，也就是打在第一反射镜组52上的光子中，只有特定波长的光子才能透射出去，从而通过反射镜组50将自由电子激发的光子中单一波长的光子汇聚成激光光束。
实施例二
如图3所示，本发明实施例还包括使用所述石墨烯发光器进行散热的一散热装置，所述散热装置包括二电极40、一加速电场电源20、若干磁体组30以及用于提供自由电子的一石墨烯材料10，所述二电极40分别设置于所述石墨烯材料10的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源20正负极分别与所述二电极40连接以在第一方向上对所述石墨烯材料10施加加速电场，所述石墨烯材料10与一发热元件接触，以吸收所述发热元件的热量并增加所述自由电子的动能；所述磁体组30分别设置于所述石墨烯材料10所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料10所在平面的磁场，而且所述磁体组30的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料10所在平面，以通过所述石墨烯材料10的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子而将热量散发出去。
上述石墨烯材料10包括形状呈矩形或长条形的石墨烯片体，所述石墨烯材料10与一发热元件接触是指所述石墨烯材料10靠近连接所述加速电场电源20负极的电极一端与所述发热元件接触；或者，所述石墨烯材料10包括形状呈圆形或圆环形石墨烯片体，所述石墨烯材料10与一发热元件接触是指所述圆形或圆环形石墨烯片体的圆心或圆心周围区域与所述发热元件接触，其中连接所述加速电场电源20负极的电极位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的圆心。
上述石墨烯材料10吸收发热元件的热量后，使石墨烯材料10上的自由电子的震动以及能量增加，再经加速电场以及交替变换磁场的作用，一举从更高能级跃迁到低能级，从激发出高频光子，而把石墨烯材料10所吸收的热能转换成光能而得以散发出去。也就是所述高频光子的频率比没有吸收热能情况下，石墨烯材料10自由电子在在加速电场以及交替变换磁场的作用下激发的光子频率更高。
实施例四
如图4所示，本发明实施例还包括一种光传输网络节点，包括用于调制光传输信号的石墨烯发光器以及反射镜组50，所述石墨烯发光器包括用于提供自由电子的一石墨烯材料10、二电极40、一加速电场电源20以及若干磁体组30，所述二电极40分别设置于所述石墨烯材料10的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源20正负极分别与所述二电极40连接以在第一方向上对所述石墨烯材料10施加加速电场；所述磁体组30分别设置于所述石墨烯材料10所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料10所在平面的磁场，而且所述磁体组30的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，以使所述石墨烯材料10的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料10所在平面；所述反射镜组50包括位于沿自由电子运动的出光方向上的第一反射镜组52以及与所述第一镜组52相对的第二镜组54，所述自由电子激发的光子一部分沿出光方向通过，另一部分被所述第一镜组52反射回来，所述第二反射镜组54将与出光方向相反的方向上的光子正反射回去，从而把所述自由电子激发的光子汇聚在单一方向上。
上述光传输网络节点通过所述反射镜组将所述石墨烯发光器激发的光子汇聚成一可用于调制光信号的激光束，从而通过调制所述激光束来实现光网信号的传输。
以上对本发明实施例提供的通信系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种石墨烯发光器，包括二电极、一加速电场电源以及若干磁体组，其特征在于，还包括用于提供自由电子的一石墨烯材料，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源的两极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面，以使所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子。
2.根据权利要求1所述的石墨烯发光器，其特征在于，所述石墨烯材料包括形状呈矩形或长条形的石墨烯片体，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端是指所述二电极分别位于所述矩形石墨烯片体的两侧或者位于所述长条形石墨烯片体的两端。
3.根据权利要求1所述的石墨烯发光器，其特征在于，所述石墨烯材料包括形状呈圆形或圆环形石墨烯片体，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端指其中一电极位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的圆心，另一所述电极位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的周围或圆周上。
4.根据权利要求1所述的石墨烯发光器，其特征在于，所述交替变换磁场沿所述加速电场方向在第二方向上均匀地交替反向变换。
5.根据权利要求1至4任一项所述的石墨烯发光器，其特征在于，所述曲线运动为正弦运动。
6.根据权利要求1至4任一项所述的石墨烯发光器，其特征在于，所述磁体组的S极与N极交替排列是指所述磁体组包括第一磁体组和第二磁体组，在加速电场方向上所述第一磁体组与第二磁体组交替排列，其中所述第一磁体组沿垂直石墨烯材料所在平面的一方向上先由S极再到N排列，而所述第二磁体组的两级排列与第一磁体组的相反。
7.根据权利要求1至4任一项所述的石墨烯发光器，其特征在于，还包括反射镜组，所述反射镜组包括位于一电极上方的第一反射镜组以及位于另一电极上方并与所述第一镜组相向的第二反射镜组，所述自由电子激发的光子一部分通过第一反射镜组射出，另一部分被所述第一镜组反射回来，所述第二反射镜组将打在其上的光子朝第一反射镜组的方向反射回去，从而把所述自由电子激发的光子汇聚在单一方向上。
8.一种散热装置，包括二电极、一加速电场电源以及若干磁体组，其特征在于，还包括用于提供自由电子的一石墨烯材料，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源正负极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场，所述石墨烯材料与一发热元件接触，以吸收所述发热元件的热量并增加所述自由电子的动能；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面，以通过所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子而将热量散发出去。
9.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述石墨烯材料包括形状呈矩形或长条形的石墨烯片体，所述石墨烯材料与一发热元件接触是指所述石墨烯材料靠近连接所述加速电场电源负极的电极的一端与所述发热元件接触。
10.根据权利要求8所述的散热装置，其特征在于，所述石墨烯材料包括形状呈圆形或圆环形石墨烯片体，所述石墨烯材料与一发热元件接触是指所述圆形或圆环形石墨烯片体的圆心或靠近圆心的区域与所述发热元件接触，连接所述加速电场电源负极的电极位于圆心位置。
11.一种光传输网络节点，其特征在于，包括用于调制光传输信号的石墨烯发光器以及反射镜组，所述石墨烯发光器包括用于提供自由电子的一石墨烯材料、二电极、一加速电场电源以及若干磁体组，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端并同时位于所述石墨烯材料所在平面上，所述加速电场电源正负极分别与所述二电极连接以在第一方向上对所述石墨烯材料施加加速电场；所述磁体组分别设置于所述石墨烯材料所在平面的上下两侧以产生垂直所述石墨烯材料所在平面的磁场，而且所述磁体组的S极与N极交替排列，以在第二方向上产生交替变换磁场，以使所述石墨烯材料的自由电子在所述加速电场以及交替变换磁场的作用下做曲线运动并激发产生光子，所述第二方向同时垂直于所述第一方向以及所述石墨烯材料所在平面；所述反射镜组包括位于一电极上方的第一反射镜组以及位于另一电极上方并与所述第一镜组相向的第二反射镜组，所述自由电子激发的光子一部分通过第一反射镜组射出，另一部分被所述第一镜组反射回来，所述第二反射镜组将打在其上的光子朝第一反射镜组的方向反射回去，从而把所述自由电子激发的光子汇聚在单一方向上。
12.根据权利要求11所述的光传输网络节点，其特征在于，所述石墨烯材料包括形状呈矩形或长条形的石墨烯片体，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端是指所述二电极分别位于所述矩形石墨烯片体的两侧或者位于所述长条形石墨烯片体的两端。
13.根据权利要求11所述的光传输网络节点，其特征在于，所述石墨烯材料包括形状呈圆形或圆环形石墨烯片体，所述二电极分别设置于所述石墨烯材料的两侧或两端指其中一电极位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的圆心，另一所述电极位于所述圆形或圆环形石墨烯片体的周围或圆周上。
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