CN103487953B - 一种全光控太赫兹强度调制器及太赫兹强度调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹波谱技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯的全光控超高速太赫兹强度调制器。本发明所要解决的技术问题是：针对目前已有的太赫兹强度调制器的调制速度低，光谱范围窄的问题，提高系统适用范围，本发明提出了基于石墨烯的全光控超高速太赫兹强度调制器，通过纳米金颗粒增强石墨烯吸收光子的效率，提高光生载流子的浓度，进而加强对太赫兹波的吸收，增强调制器的调制效果。本发明包括：太赫兹波发生装置、泵浦光波发生装置、太赫兹强度调制器、太赫兹波探测装置，通过以上连接完成本发明的设计。本发明主要应用于太赫兹通信系统和太赫兹研究领域。

Description

一种全光控太赫兹强度调制器及太赫兹强度调制器

技术领域

本发明涉及太赫兹波谱技术领域，尤其是涉及一种全光控太赫兹强度调制器及太赫兹强度调制器。

背景技术

太赫兹波在生物医学诊断、机场安全成像、军事探测、大气研究、高速通信、包装产品的质量控制、农业湿度分析等方面具有广阔的应用前景。在应用需求的推动下，太赫兹科学技术已取得了很大的进展。近二十年来，太赫兹时域光谱技术和量子级联激光器的发展，为太赫兹波的研究提供了合适的光源和探测手段，使得太赫兹发射和探测技术都有了很大的发展。太赫兹强度调制器作为操纵太赫兹信号传输系统的一个关键部件，其相关研究对太赫兹科学和技术的进一步应用具有重大意义。由于天然材料对太赫兹波段的电磁响应非常微弱，难以实际应用于调制太赫兹波，因而相较于太赫兹发射和探测技术的飞速发展，太赫兹调制技术却显得进展缓慢。太赫兹波传输过程中需要的太赫兹滤波器，调制器，开关等各种功能器件的研究仍然较为薄弱。

现已有的太赫兹强度调制器主要有两种，电控调制器和光控调制器。目前基于硅等半导体，二氧化钒等相变材料等电控和光控太赫兹强度调制器都存在较多缺点。如：（1）电控太赫兹强度调制器的谐振回路具有较大的电容和串联电阻，通放电需要一定的时间延迟，导致其调制器的调制速度相对较慢；且在电控太赫兹波调制器的上下表面都需要导电电极（例如导电硅等）实现电控调制器。电极有自由电子，会吸收太赫兹波，从而引入插入损耗，影响太赫兹调制效率；（2）硅半导体和二氧化钒材料中光生载流子的迁移速率慢且光生载流子寿命时间长（大约为微秒级量级），因此，基于硅半导体和二氧化钒材料的电控和光控调制器限制了太赫兹波的调制速度，使其调制速度慢；（3）硅半导体和二氧化钒等调制器的调制带宽窄。综合来看，现有的太赫兹强度调制器的调制速度、调制带宽都不能满足太赫兹研究的要求，有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对目前已有的太赫兹强度调制器的调制速度低，光谱范围窄的问题，提高系统适用范围，本发明提出了一种全光控太赫兹强度调制器及太赫兹强度调制器，通过纳米金颗粒层增强石墨烯层吸收光子的效率，提高光生载流子的密度，进而加强对太赫兹波的吸收，增强调制器的调制效果。

本发明采用的技术方案如下：

一种全光控太赫兹强度调制器包括：

太赫兹波发生装置，用于产生太赫兹波；

泵浦光波发生装置，用于产生泵浦光波；

太赫兹强度调制器，用于吸收泵浦光波的光子，产生光生载流子，随后吸收用于驱动光生载流子运动的太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下，与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；通过调节泵浦光波的强度，调节石墨烯层光生载流子的浓度，最终调制太赫兹波的输出强度，其中所述太赫兹强度调制器包括：

纳米金颗粒层，用于吸收泵浦光波，纳米金颗粒层中的自由电子与入射的泵浦光波产生等离子共振，纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层；

石墨烯层，用于吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子；随后石墨烯层接收太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；

石英基底，用于石墨烯层的衬底。

所述太赫兹波发生装置包括用于产生太赫兹波信号的太赫兹发生器，以及用于聚焦太赫兹发生器输出太赫兹波能量的太赫兹波输入调节器，所述太赫兹波输入调节器将太赫兹波信号进行能量聚焦后，所述太赫兹波焦点位于石墨烯层上表面，石英基底位于石墨烯层下表面。

所述太赫兹波输入调节器是太赫兹透镜或抛物面镜。

所述泵浦光波发生装置包括用于产生泵浦光波的激光器，用于调制泵浦光频率的声光调制器，以及用于将声光调制器输出的泵浦光波聚焦调节的泵浦光波调节器。

所述泵浦光波调节器是透镜。

所述当泵浦光波与太赫兹波入射角度重合时，太赫兹波与泵浦光波都是从石墨烯上表面入射，所述太赫兹波输入调节器还包括角度调节器，所述入射角度指的是入射至石墨烯层的角度。

所述当泵浦光波垂直入射石墨烯层，太赫兹发生器输出的太赫兹波垂直于泵浦光波，所述角度调节器是太赫兹调节器，经太赫兹角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波入射角度相同时，太赫兹角度调节器是ITO反射镜；当太赫兹波垂直入射石墨烯层，激光器输出的泵浦光波垂直于太赫兹波，所述角度调节器是泵浦光角度调节器，经过泵浦光角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波重合时，泵浦光角度调节器是硅片，所述太赫兹角度调节器是透射泵浦光波而反射太赫兹波的调节器，所述泵浦光波角度调节器是透射太赫兹波而反射泵浦光波的调节器。

一种全光控太赫兹强度调制器还包括用于探测太赫兹强度调制器输出的太赫兹波探测装置；所述太赫兹波探测装置包括太赫兹输出调节器、太赫兹探测器，所述太赫兹波强度调制器输出太赫兹波经过太赫兹输出调节器聚焦后，传输至太赫兹探测器进行太赫兹波强度探测。

一种太赫兹强度调制器包括：

纳米金颗粒层，用于吸收泵浦光波，纳米金颗粒层中的自由电子与入射的泵浦光波产生等离子共振，纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层；

石墨烯层，用于吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子，随后石墨烯层接收驱动太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；

石英基底，用于石墨烯层的衬底。

所述光生载流子与入射的太赫兹波强度计算过程为：

步骤1：根据入射太赫兹波时域光谱获取太赫兹强度调制器在太赫兹波谱内的电导率，根据公式（1）推导出入射到石墨烯层进入石英基底后的太赫兹波脉冲电场的复频谱：

（1）

步骤2：通过公式（2），即穿过没有石墨烯层、纯基底的太赫兹波电场复频谱作为参考信号：

（2）

步骤3：根据两个电场、推导其折射率，获取石墨烯层在太赫兹波入射情况时的信息公式（3），

（3）

其中满足从而使得，忽略高阶项；即太赫兹波在样品中的穿透深度远远大于样品的厚度；其中两个基底材料性质相同；（2）基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤4：此时

（4）

其中两个基底材料性质相同；（2）基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤5：可以通过测量穿过石墨烯层和没有石墨烯层的基底材料的太赫兹波电场、和公式（4），可以获得石墨烯层的复折射率在太赫兹波谱的信息，将公式（4）用石墨烯层的复电导率表示为公式（5），其中空气环境下：

（公式5）

其中n1是太赫兹波入射调制器前的介质的复折射率，即空气折射率，n2是纳米金颗粒层与石墨烯层的复折射率，n3是石英基底复折射率，c为光速，=377欧姆是真空阻抗系数，是太赫兹波角频率，分别是石墨烯层的复电导率和厚度；

步骤6：利用公式（5）可以求出调制器在太赫兹波段的复电导率，可知电导率与透射太赫兹波频谱的关系

其中，可通过实际测的透射太赫兹时域波形进行傅里叶变化得到，太赫兹波垂直的从复折射率为的介质入射到厚度为复折射率为的石墨烯层材料中，随后进入复折射率为的基底材料中，、、分别表示入射太赫兹波电场的复频谱、穿过石墨烯层时太赫兹波电场的复频谱、以及进入没有放置石墨烯层只有石英基底时太赫兹脉冲电场的复频谱，、分别表示探测器探测到的太赫兹波电场的复频谱。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1)采用具有高速光生载流子迁移率、短载流子寿命、宽光谱的石墨烯作为调制器材料；采用太赫兹波透射系数高且不会被泵浦光激发的石英作为基底；同时采用声光调制器控制的泵浦光来调制太赫兹波，从而提高调制器的调制速度。

2)本发明的调制器适用于任意太赫兹源的强度调制。

3)本发明的太赫兹波强度调制器具有调制速度快、调制带宽宽、适用于任意太赫兹源、响应时间短等优点，且结构和调制方法简单，便于小型化和集成化。本发明适用于绝大部分太赫兹通信系统和太赫兹研究领域中对太赫兹波的强度调制。

4)太赫兹波与泵浦光波的输入角度可以是任意角度。

5)金纳米颗粒的等离子体共振能够使石墨烯层的表面量子效率提高到1500%，从而提高石墨烯层对入射的泵浦光光子的吸收，从而提高光生载流子的密度，加强对太赫兹波的吸收，增强调制器的调制效果。石英几乎不吸收太赫兹波且不会被泵浦光激发，作为基底不会影响对太赫兹的调制速度和调制带宽。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1太赫兹强度调制器的结构示意图。

图2太赫兹强度调制器的原理示意图。

图3全光控太赫兹强度调制器实施例十四原理框图。

图4全光控太赫兹强度调制器实施例十五原理框图。

图5全光控太赫兹强度调制器实施例十六原理框图。

图6太赫兹波穿过太赫兹强度调制器电场变化示意图。

图6a太赫兹波穿过有石墨烯层进入石英基底时电场变化的示意图。

图6b是太赫兹穿过没有石墨烯层进入石英基底时电场变化的示意图。

附图标记

1-太赫兹发生器2-太赫兹透镜3-激光器4-声光调制器

5-透镜6-太赫兹强度调制器7-太赫兹透镜8-太赫兹探测器

9-抛物面镜10-光束整形器件11-ITO反射镜

61-纳米金颗粒层62-石墨烯层63-石英基底

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1太赫兹强度调制器组成：

如图1所示，包括纳米金颗粒层、石墨烯层、石英基底，所述石墨烯层上表面镀了一层金纳米颗粒。由于石墨烯层对可见光的低吸收效率（单层石墨烯只有2.3%的光吸收率），所以本发明中用金纳米颗粒来提高对泵浦激光的光吸收，从而为石墨烯层提供更多的光子，提高光生载流子的密度，加强对太赫兹波的吸收。

2太赫兹强度调制器工作原理：

1)如图2所示，太赫兹波调制器受泵浦光波22辐照，纳米金颗粒层中的自由电子同入射的泵浦光波发生耦合共振。纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层，提高石墨烯层的光吸收效率。

2)石墨烯层吸收纳米金颗粒层传递的光生，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，光子激发石墨烯层产生光生载流子，随后石墨烯层接收驱动光生载流子运动的太赫兹波21，在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子通过与其他粒子相互作用（例如：散射、碰撞等）将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，这个过程导致太赫兹波经过受激发的太赫兹波调制器后强度减弱被吸收。因此，近似的认为被吸收的太赫兹波的强度正比于光生载流子密度。太赫兹波经过受激发的太赫兹波调制器后强度减弱，调节泵浦光的能量强度可以调节石墨烯层光生载流子浓度，从而控制输出太赫兹波23强度。

其中太赫兹波垂直入射到太赫兹强度调制器上，太赫兹波的焦点位于石墨烯层上表面（因为纳米金颗粒直径范围3nm-6nm，只是非常薄的一层，实际太赫兹波的焦点位于也会是纳米金颗粒层表面）。

3全光控太赫兹强度调制器工作原理：

1）通过太赫兹波发生器产生太赫兹波，经过太赫兹波角度调节器将太赫兹波调节至石墨烯层上，采用声光调制器调制后，在经过泵浦光波角度：（声光调制器是用于调制泵浦光的）调节器将泵浦光发送至太赫兹波调节器（包括纳米金颗粒层、石墨烯层、石英基底）上，太赫兹波调制器受泵浦光波辐照，纳米金颗粒层中的自由电子同入射的泵浦光波发生耦合共振。纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层，提高石墨烯层的光吸收效率。

2）石墨烯层吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子，随后石墨烯层接收驱动光生载流子运动的太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下，与其他粒子相互作用（例如：散射、碰撞等）将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，这个过程导致太赫兹波经过受激发的太赫兹波调制器后强度减弱被吸收。因此，近似的认为被吸收的太赫兹波的强度正比于光生载流子密度。太赫兹波经过受激发的太赫兹波调制器后强度减弱，调节泵浦光的能量强度可以调节石墨烯层光生载流子浓度，从而控制太赫兹波强度的调制度。

其中太赫兹波垂直入射到太赫兹强度调制器上，太赫兹波的焦点位于石墨烯层上表面（因为纳米金颗粒直径范围3nm-6nm，只是非常薄的一层，实际太赫兹波的焦点位于也会是纳米金颗粒层表面）。

4石墨烯层是石墨烯采用化学气相沉淀（沉积）法（如CVD法）生成。

5纳米金颗粒层是通过纳米金颗粒组成。

6石英基底厚度范围2-3mm。

7其他粒子指的是自由电子、表面等离子体激元、激子、红外声子、极化子、极化激元。

8当太赫兹波与泵浦光波同时从石墨烯层上表面入射时，太赫兹波半径小于泵浦光波半径，太赫兹波与泵浦光波中心重合。当太赫兹波与泵浦光波分别从石墨烯层上表面与石英基底底面入射时，太赫兹波与泵浦光波中心重合。

9透镜用来聚焦泵浦光波，不能用来聚焦太赫兹波，太赫兹透镜用来聚焦太赫兹波。

10太赫兹输出调节器是太赫兹透镜或抛物面镜。

11太赫兹发生装置的作用是产生太赫兹波、进行聚焦，并将太赫兹波入射至石墨烯层上表面上。泵浦光波装置的作用是产生泵浦光波、进行聚焦，并将泵浦光波入射至石墨烯层表面上，太赫兹波探测装置的作用是用于检测被调至后的太赫兹波的强度。实施例十二至十七只是太赫兹波发生器、泵浦光波发生器及太赫兹波探测装置的几个实施例，实际中有更多种组合能说明。

12纳米金颗粒层制作方式：金属薄膜通过热退火处理法（350℃，控制环境下，15分钟）溅射在硅/二氧化硅基底上，得到高密度单层的纳米金颗粒。

13纳米金颗粒层附着在石墨烯层层上表面的过程是：

1）通过旋转的方法将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）均匀的包裹金纳米颗粒，形成PMMA/金纳米颗粒薄膜；

2）将PMMA/纳米金颗粒层薄膜移到通过的石墨烯层上表面，用去离子水反复冲洗，将PMMA溶解掉，金纳米颗粒均匀留在石墨烯层上表面。

实施例一：一种全光控太赫兹强度调制器包括：

太赫兹波发生装置，用于产生太赫兹波；

泵浦光波发生装置，用于产生泵浦光波；

太赫兹强度调制器，用于吸收泵浦光波的光子，产生光生载流子，随后吸收用于驱动光生载流子运动的太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下，与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；通过调节泵浦光波的强度，调节石墨烯层光生载流子的浓度，最终调制太赫兹波的输出强度，其中所述太赫兹强度调制器包括：

纳米金颗粒层，用于吸收泵浦光波，纳米金颗粒层中的自由电子与入射的泵浦光波产生等离子共振，纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层；

石墨烯层，用于吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子；随后石墨烯层接收太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；

石英基底，用于石墨烯层的衬底。

实施例二：在实施例一基础上，所述太赫兹波发生装置包括用于产生太赫兹波信号的太赫兹发生器，以及用于聚焦太赫兹发生器输出太赫兹波能量的太赫兹波输入调节器，所述太赫兹波输入调节器将太赫兹波信号进行能量聚焦后，所述太赫兹波焦点位于石墨烯层上表面，石英基底位于石墨烯层下表面。

实施例三：在实施例二基础上，所述太赫兹波输入角度调节器是太赫兹透镜或抛物面镜。

实施例四：在实施例二或三基础上，所述泵浦光波发生装置包括用于产生泵浦光波的激光器，用于调制泵浦光频率的声光调制器，以及用于将声光调制器输出的泵浦光波聚焦调节的泵浦光波调节器，所述激光器通过声光调制器与泵浦光波调节器光连接。

实施例五：在实施例四基础上，所述泵浦光波角度调节器是透镜或者ITO反射镜。

实施例六：在实施例五基础上，所述当泵浦光波与太赫兹波入射角度重合时，太赫兹波与泵浦光波都是从石墨烯上表面入射，所述太赫兹波输入调节器还包括角度调节器，所述入射角度指的是入射至石墨烯层的角度。

实施例七：在实施例一至六之一基础上，所述当泵浦光波垂直入射石墨烯层，太赫兹发生器输出的太赫兹波垂直于泵浦光波，所述角度调节器是太赫兹调节器，经太赫兹角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波入射角度相同时，太赫兹角度调节器是ITO反射镜；当太赫兹波垂直入射石墨烯层，激光器输出的泵浦光波垂直于太赫兹波，所述角度调节器是泵浦光角度调节器，经过泵浦光角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波重合时，泵浦光角度调节器是硅片，所述太赫兹角度调节器是透射泵浦光波而反射太赫兹波的调节器，所述泵浦光波角度调节器是透射太赫兹波而反射泵浦光波的调节器。

实施例八：在实施例七基础上，所述太赫兹波输出调节器是太赫兹透镜或抛物面镜以及其他类似的器件代替。

实施例九：在实施例八基础上，所述一种全光控太赫兹强度调制器还包括用于探测太赫兹强度调制器输出的太赫兹波探测装置；所述太赫兹波探测装置包括太赫兹输出调节器、太赫兹探测器，所述太赫兹波强度调制器输出太赫兹波经过太赫兹输出调节器聚焦后，传输至太赫兹探测器进行太赫兹波强度探测。

实施例十：在实施例九基础上，太赫兹输出调节器与太赫兹输入调节器是相同的。

实施例十一：一种太赫兹强度调制器包括：

纳米金颗粒层，用于吸收泵浦光波，纳米金颗粒层中的自由电子与入射的泵浦光波产生等离子共振，纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层；

石墨烯层，用于吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子，随后石墨烯层接收驱动太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；

石英基底，用于石墨烯层的衬底。

实施例十二：在实施例一至十一之一基础上，所述泵浦光波与太赫兹波入射角度夹角为任意角度。当太赫兹波与泵浦光波分别从太赫兹强度调制器纳米金颗粒层上端面或者石英基底底端面入射时，太赫兹波与泵浦光波之间夹角为钝角（不做延长线）。

实施例十三：在实施例十二基础上，所述石英基底层厚度范围2-3mm；纳米金颗粒层直径范围3nm-6nm。

实施例十四：如图3所示，一种全光控太赫兹强度调制器包括太赫兹发生装置、泵浦光波装置、太赫兹波探测装置。所述太赫兹发生装置包括太赫兹发生器和太赫兹输入调节器；所述泵浦光波发生装置包括激光器（当然可以用别的能产生泵浦光波的装置）、声光调制器和泵浦光波调节器；所述太赫兹波探测装置包括太赫兹波探测器和太赫兹波输出调节器。太赫兹输入调节器是太赫兹透镜2，太赫兹输出调节器是太赫兹透镜7，太赫兹透镜7与太赫兹透镜2一样。泵浦光波调节器包括透镜5（用ITO反射镜或者其他类型器件代替）。这个装置中太赫兹波与泵浦光波入射角不重合。

实施例十五：如图4所示，一种全光控太赫兹强度调制器包括太赫兹发生装置、泵浦光波装置、太赫兹波探测装置。所述太赫兹发生装置包括太赫兹发生器和太赫兹输入调节器；所述泵浦光波发生装置包括激光器（当然可以用别的能产生泵浦光波的装置）、声光调制器和泵浦光波调节器；所述太赫兹波探测装置包括太赫兹波探测器和太赫兹波输出调节器，太赫兹输入调节器是抛物面镜2，太赫兹输出调节器是抛物面镜7，太赫兹透镜7与太赫兹透镜一样。泵浦光波调节器包括透镜5（用ITO反射镜或者其他类型器件代替）。这个装置中太赫兹波与泵浦光波入射角不重合。抛物面镜7与抛物面镜2参数相同。

实施例十六:如图5所示，一种全光控太赫兹强度调制器包括太赫兹发生装置、泵浦光波发生装置、太赫兹强度调制器和太赫兹波探测装置。所述太赫兹发生装置包括太赫兹发生器、太赫兹角度调节器和太赫兹输入调节器；所述泵浦光波发生装置包括激光器（当然可以用别的能产生泵浦光波的装置）、声光调制器和光束整形元件；所述太赫兹波探测装置包括太赫兹波探测器和太赫兹波输出调节器，太赫兹输入调节器是太赫兹透镜（用抛物面镜代替），太赫兹输出调节器是太赫兹透镜（用抛物面镜代替）。太赫兹波与泵浦光波入射角度重合。泵浦光波垂直入射石墨烯层，太赫兹发生器输出的太赫兹波垂直于泵浦光波时，经太赫兹角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波入射角度相同时，太赫兹角度调节器是ITO反射镜。

实施例十七：在实施例十四基础上，在声光调制器与ITO反射镜之间加透镜。只要保证泵浦光光斑大于太赫兹波光斑。

实施例十八：在实施例十四或十五基础上，若太赫兹波垂直入射石墨烯表面，激光器输出的泵浦光波垂直于太赫兹波，经过泵浦光角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波重合时，泵浦光角度调节器是硅片，其中硅片透太赫兹波（只是吸收少部分的太赫兹波）并且反射泵浦光波。硅片是本征硅。

实施例十九：在实施例一至十八之一基础上，还可在激光器与声光调制器之间加上光束整形器件，将光束进行整形，使得光斑均匀入射。

实施例二十：如图6a、图6b中，在实施例十九基础上，所述光生载流子与入射的太赫兹波强度计算过程为：

步骤1：根据入射太赫兹波时域光谱获取太赫兹强度调制器在太赫兹波谱内的电导率，根据公式（1）推导出入射到石墨烯层进入石英基底后的太赫兹波脉冲电场的复频谱：

（1）

步骤2：通过公式（2），即穿过没有石墨烯层的纯基底的太赫兹脉冲电场复频谱作为参考信号：

（2）

步骤3：根据两个电场、推导其折射率，获取石墨烯层在太赫兹波入射情况时的信息公式（3），

（3）

其中满足从而使得，忽略高阶项；即太赫兹波在样品中的穿透深度远远大于样品的厚度；其中两个基底材料性质相同；（2）基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤4：此时

（4）

其中两个基底材料性质相同；（2）基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响。

步骤5：可以通过测量穿过石墨烯层和没有石墨烯层的基底材料的太赫兹波电场、和公式（4），可以获得石墨烯层的复折射率在太赫兹波谱的信息，将公式（4）用石墨烯层的复电导率表示为公式（5），其中空气环境下：

（公式5）

其中n1是太赫兹波入射太赫兹强度调制器前的介质的复折射率，即空气折射率，n2是纳米金颗粒层与石墨烯层的复折射率，n3是石英基底复折射率，c为光速，=377欧姆是真空阻抗系数，是太赫兹波角频率，分别是石墨烯层的复电导率和厚度；

步骤6：利用公式（5）可以求出太赫兹强度调制器在太赫兹波段的复电导率，可知电导率与透射太赫兹波频谱的关系（6）

（6）

其中，可实际测的。

其中，可通过实际测的透射太赫兹时域波形进行傅里叶变化得到，太赫兹波垂直的（为了方便，在示意图中化为斜入射）从复折射率为的介质入射到厚度为的石墨烯层材料中（），随后进入复折射率为的基底材料中。图中、、分别表示入射太赫兹脉冲电场的复频谱、穿过石墨烯层时太赫兹脉冲电场的复频谱、以及进入没有放置石墨烯层只有石英基底时太赫兹脉冲电场的复频谱。、分别表示探测器探测到的太赫兹波电场的复频谱。是太赫兹脉冲电场经过石墨烯层时的相位变化。，分别为电场在从介质a传入介质b界面时的透射系数和反射系数（a、b可分别为介质1、2、3）。所涉及的电场以及折射率等都为复数。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种全光控太赫兹强度调制器，其特征在于包括：

太赫兹波发生装置，用于产生太赫兹波；

泵浦光波发生装置，用于产生泵浦光波；

太赫兹强度调制器，用于吸收泵浦光波的光子，产生光生载流子，随后吸收用于驱动光生载流子运动的太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下，与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；通过调节泵浦光波的强度，调节石墨烯层光生载流子的浓度，最终调制太赫兹波的输出强度，其中所述太赫兹强度调制器包括：

纳米金颗粒层，用于吸收泵浦光波，纳米金颗粒层中的自由电子与入射的泵浦光波产生等离子共振，纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层；

石墨烯层，用于吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子；随后石墨烯层接收太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；

石英基底，用于石墨烯层的衬底；所述太赫兹波发生装置包括用于产生太赫兹波信号的太赫兹发生器，以及用于聚焦太赫兹发生器输出太赫兹波能量的太赫兹波输入调节器，所述太赫兹波输入调节器将太赫兹波信号进行能量聚焦后，所述太赫兹波焦点位于石墨烯层上表面，石英基底位于石墨烯层下表面；所述泵浦光波发生装置包括用于产生泵浦光波的激光器，用于调制泵浦光频率的声光调制器，以及用于将声光调制器输出的泵浦光波聚焦调节的泵浦光波调节器；

其中所述光生载流子与入射的太赫兹波强度计算过程为：

步骤1：根据入射太赫兹波时域光谱获取太赫兹强度调制器在太赫兹波谱内的电导率，根据公式(1)推导出入射到石墨烯层进入石英基底后的太赫兹波脉冲电场的复频谱E′_sam：

$E_{sam}^{\′}=\frac{\frac{2n_2}{n_1+n_2}\·\frac{2n_3}{n_2+n_3}\·e^{\frac{{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}{1-\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\·\frac{n_3-n_2}{n_2+n_3}\·e^{\frac{{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}\·E_{in}---\left(1\right)$

步骤2：通过公式(2)，即穿过没有石墨烯层、纯基底的太赫兹波电场复频谱E′_sub作为参考信号：

$E_{sub}^{\′}=\frac{2n_3}{n_1+n_3}\·e^{\frac{{\mathrm{in}}_1\mathrm{\ω}l}{c}}\·E_{in}---\left(2\right)$

步骤3：根据两个电场E_sam、E_sub推导其折射率，获取石墨烯层在太赫兹波入射情况时的信息公式(3)，

$\begin{array}{c}\frac{E_{sam}}{E_{sub}}=\frac{E_{sam}^{\′}}{E_{sub}^{\′}}\\ =\frac{\frac{2n_2(n_1+n_3)}{(n_1+n_2)(n_2+n_3)}\·e^{\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2-n_1)}}{1-\frac{n_3-n_2}{n_3+n_2}\·\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\·e^{\frac{2{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}\\ =\frac{2n_2(n_1+n_3)\·e^{\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2-n_1)}}{(n_3+n_2)(n_1+n_2)-(n_3-n_2)(n_1-n_2)\·e^{\frac{2{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}\\ =\frac{2n_2(n_1+n_3)}{(n_3+n_2)(n_1+n_2)\·e^{-\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2-n_1)}-(n_3-n_2)(n_1-n_2)\·e^{\frac{2i\mathrm{\ω}l(n_2+n_1)}{c}}}\end{array}---\left(3\right)$

其中满足从而使得忽略高阶项；即太赫兹波在样品中的穿透深度远远大于样品的厚度；其中两个基底材料性质相同；(2)基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤4：此时

$\begin{array}{c}\frac{E_{sam}}{E_{sub}}=\≈\frac{2n_2(n_1+n_3)}{(n_3+n_2)(n_1+n_2)\[1+\frac{i\mathrm{\ω}l(n_2-n_1)}{c}\]-(n_3-n_2)(n_1-n_2)\[1+\frac{2i\mathrm{\ω}l(n_2+n_1)}{c}\]}\\ =\frac{n_1+n_3}{n_1+n_3-\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2^2-n_1^2)}\end{array}---\left(4\right)$

其中两个基底材料性质相同；(2)基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤5：可以通过测量穿过石墨烯层和没有石墨烯层的基底材料的太赫兹波电场E_sam、E_sub和公式(4)，可以获得石墨烯层的复折射率在太赫兹波谱的信息，将公式(4)用石墨烯层的复电导率σ(ω)表示为公式(5)，其中空气环境下n₁(ω)＝1：

其中n1是太赫兹波入射调制器前的介质的复折射率，即空气折射率，n2是纳米金颗粒层与石墨烯层的复折射率，n3是石英基底复折射率，c为光速，Z₀＝377欧姆是真空阻抗系数，ω是太赫兹波角频率，σ(ω)、l分别是石墨烯层的复电导率和厚度；

步骤6：利用公式(5)可以求出调制器在太赫兹波段的复电导率σ(ω)，可知电导率与透射太赫兹波频谱的关系

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{(1+n_3)E_{sub}\left(\mathrm{\ω}\right)-(1+n3)E_{sam}\left(\mathrm{\ω}\right)}{E_{sam}\left(\mathrm{\ω}\right)*Z_0*l}$

其中E_sam(ω)，E_sub(ω)可通过实际测的透射太赫兹时域波形进行傅里叶变化得到，太赫兹波垂直的从复折射率为n₁的介质入射到厚度为l复折射率为n₂的石墨烯层材料中，随后进入复折射率为n₃的基底材料中，E_in、E′_sam、E′_sub分别表示入射太赫兹波电场的复频谱、穿过石墨烯层时太赫兹波电场的复频谱、以及进入没有放置石墨烯层只有石英基底时太赫兹脉冲电场的复频谱，E_sam、E_sub分别表示探测器探测到的太赫兹波电场的复频谱。

2.根据权利要求1所述的一种全光控太赫兹强度调制器，其特征在于所述太赫兹波输入调节器是太赫兹透镜或抛物面镜。

3.根据权利要求1所述的一种全光控太赫兹强度调制器，其特征在于所述泵浦光波调节器是透镜。

4.根据权利要求1所述的一种全光控太赫兹强度调制器，其特征在于当泵浦光波与太赫兹波入射角度重合时，太赫兹波与泵浦光波都是从石墨烯上表面入射，所述太赫兹波输入调节器还包括角度调节器，所述入射角度指的是入射至石墨烯层的角度。

5.根据权利要求4所述的一种全光控太赫兹强度调制器，其特征在于当泵浦光波垂直入射石墨烯层，太赫兹发生器输出的太赫兹波垂直于泵浦光波，所述角度调节器是太赫兹调节器，经太赫兹角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波入射角度相同时，太赫兹角度调节器是ITO反射镜；当太赫兹波垂直入射石墨烯层，激光器输出的泵浦光波垂直于太赫兹波，所述角度调节器是泵浦光角度调节器，经过泵浦光角度调节器调节后的泵浦光波与太赫兹波重合时，泵浦光角度调节器是硅片，所述太赫兹角度调节器是透射泵浦光波而反射太赫兹波的调节器，所述泵浦光波角度调节器是透射太赫兹波而反射泵浦光波的调节器。

6.根据权利要求1至5之一所述的一种全光控太赫兹强度调制器，其特征在于还包括用于探测太赫兹强度调制器输出的太赫兹波探测装置；所述太赫兹波探测装置包括太赫兹输出调节器、太赫兹探测器，所述太赫兹波强度调制器输出太赫兹波经过太赫兹输出调节器聚焦后，传输至太赫兹探测器进行太赫兹波强度探测。

7.一种太赫兹强度调制器，其特征在于包括：

纳米金颗粒层，用于吸收泵浦光波，纳米金颗粒层中的自由电子与入射的泵浦光波产生等离子共振，纳米金颗粒层通过等离子体共振将泵浦光波的光子传递给石墨烯层；

石墨烯层，用于吸收纳米金颗粒层传递的光子，同时石墨烯层吸收泵浦光产生的光子，所述光子激发石墨烯层产生光生载流子，随后石墨烯层接收驱动太赫兹波，光生载流子在太赫兹波电场驱动下运动，光生载流子与其他粒子相互作用，将太赫兹波电场能量消耗并分散到其他粒子中，从而调制太赫兹波的强度；

石英基底，用于石墨烯层的衬底；

其中所述光生载流子与入射的太赫兹波强度计算过程为：

步骤1：根据入射太赫兹波时域光谱获取太赫兹强度调制器在太赫兹波谱内的电导率，根据公式(1)推导出入射到石墨烯层进入石英基底后的太赫兹波脉冲电场的复频谱E′_sam：

$E_{sam}^{\′}=\frac{\frac{2n_2}{n_1+n_2}\·\frac{2n_3}{n_2+n_3}\·e^{\frac{{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}{1-\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\·\frac{n_3-n_2}{n_2+n_3}\·e^{\frac{{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}\·E_{in}---\left(1\right)$

步骤2：通过公式(2)，即穿过没有石墨烯层、纯基底的太赫兹波电场复频谱E′_sub作为参考信号：

$E_{sub}^{\′}=\frac{2n_3}{n_1+n_3}\·e^{\frac{{\mathrm{in}}_1\mathrm{\ω}l}{c}}\·E_{in}---\left(2\right)$

步骤3：根据两个电场E_sam、E_sub推导其折射率，获取石墨烯层在太赫兹波入射情况时的信息公式(3)，

$\begin{array}{c}\frac{E_{sam}}{E_{sub}}=\frac{E_{sam}^{\′}}{E_{sub}^{\′}}\\ =\frac{\frac{2n_2(n_1+n_3)}{(n_1+n_2)(n_2+n_3)}\·e^{\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2-n_1)}}{1-\frac{n_3-n_2}{n_3+n_2}\·\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2}\·e^{\frac{2{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}\\ =\frac{2n_2(n_1+n_3)\·e^{\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2-n_1)}}{(n_3+n_2)(n_1+n_2)-(n_3-n_2)(n_1-n_2)\·e^{\frac{2{\mathrm{in}}_2\mathrm{\ω}l}{c}}}\\ =\frac{2n_2(n_1+n_3)}{(n_3+n_2)(n_1+n_2)\·e^{-\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2-n_1)}-(n_3-n_2)(n_1-n_2)\·e^{\frac{2i\mathrm{\ω}l(n_2+n_1)}{c}}}\end{array}---\left(3\right)$

其中满足从而使得忽略高阶项；即太赫兹波在样品中的穿透深度远远大于样品的厚度；其中两个基底材料性质相同；(2)基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤4：此时

$\begin{array}{c}\frac{E_{sam}}{E_{sub}}=\≈\frac{2n_2(n_1+n_3)}{(n_3+n_2)(n_1+n_2)\[1+\frac{i\mathrm{\ω}l(n_2-n_1)}{c}\]-(n_3-n_2)(n_1-n_2)\[1+\frac{2i\mathrm{\ω}l(n_2+n_1)}{c}\]}\\ =\frac{n_1+n_3}{n_1+n_3-\frac{i\mathrm{\ω}l}{c}(n_2^2-n_1^2)}\end{array}---\left(4\right)$

其中两个基底材料性质相同；(2)基底厚度远大于太赫兹脉冲在介质中的长度，以防止多重反射导致的相互影响；

步骤5：可以通过测量穿过石墨烯层和没有石墨烯层的基底材料的太赫兹波电场E_sam、E_sub和公式(4)，可以获得石墨烯层的复折射率在太赫兹波谱的信息，将公式(4)用石墨烯层的复电导率σ(ω)表示为公式(5)，其中空气环境下n₁(ω)＝1：

其中n1是太赫兹波入射调制器前的介质的复折射率，即空气折射率，n2是纳米金颗粒层与石墨烯层的复折射率，n3是石英基底复折射率，c为光速，Z₀＝377欧姆是真空阻抗系数，ω是太赫兹波角频率，σ(ω)、l分别是石墨烯层的复电导率和厚度；

步骤6：利用公式(5)可以求出调制器在太赫兹波段的复电导率σ(ω)，可知电导率与透射太赫兹波频谱的关系

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{(1+n_3)E_{sub}\left(\mathrm{\ω}\right)-(1+n3)E_{sam}\left(\mathrm{\ω}\right)}{E_{sam}\left(\mathrm{\ω}\right)*Z_0*l}$

其中E_sam(ω)，E_sub(ω)可通过实际测的透射太赫兹时域波形进行傅里叶变化得到，太赫兹波垂直的从复折射率为n₁的介质入射到厚度为l复折射率为n₂的石墨烯层材料中，随后进入复折射率为n₃的基底材料中，E_in、E′_sam、E′_sub分别表示入射太赫兹波电场的复频谱、穿过石墨烯层时太赫兹波电场的复频谱、以及进入没有放置石墨烯层只有石英基底时太赫兹脉冲电场的复频谱，E_sam、E_sub分别表示探测器探测到的太赫兹波电场的复频谱。