亞利桑那州立大學的研究人員提出了一種基于亞波長厚(<1/5λ0)混合石墨烯-等離子體超表面結構的紅外波段增強飽和吸收效果的設計概念。Yu Yao和她在亞利桑那州立大學光子學創(chuàng)新中心的研究團隊設計了一種更快、更節(jié)能的納米級激光組件，稱為石墨烯—等離子體激元混合亞結構可飽和吸收體，簡稱GPSMA。
該團隊的理論和實驗結果表明，通過激發(fā)納米級熱點內(nèi)的非平衡載流子，不僅可以增強石墨烯的可飽和吸收，而且可以將飽和通量降低超過3個數(shù)量級（從約1 mJ/cm2至100 nJ/cm2)。他們的抽運-探針測量結果顯示了超短的飽和吸收恢復時間(<60 fs)，這最終由石墨烯中光激發(fā)載流子的弛豫動力學決定。他們還根據(jù)自相關測量結果在器件中觀察到脈沖變窄效應。這樣的設計概念可以通過結構工程來定制，以在更寬的波長范圍內(nèi)操作，直至中紅外和遠紅外光譜區(qū)域。這些超快低飽和注量可飽和吸收體設計可以實現(xiàn)低閾值，緊湊，自啟動鎖模激光器，激光脈沖整形和高速光學信息處理。
激光產(chǎn)生窄光束。當激光的光與納米尺度的材料表面相互作用時，它會發(fā)出一種被稱為等離子體激元的光波，而一個給定的等離子體激元的屬性可以發(fā)出信息信號。在光傳輸中，激光器將光抽到一個叫做可飽和吸收體的部件上，以產(chǎn)生光信號。
該團隊最近開發(fā)的GPSMA在通信、信息處理、光譜學和生物醫(yī)學行業(yè)都有潛在的應用。該吸收器可用于提高速度，效率和整體性能，以促進數(shù)據(jù)傳輸，信息處理，生物醫(yī)學傳感和成像技術。
Yao的團隊已經(jīng)在他們的工作中結合了一種人工工程金屬-石墨烯混合材料，因為它在光調(diào)制和可飽和吸收方面具有有益的特性。
科學家們通過設計一個光學天線陣列，將光聚焦到材料的納米級間隙，即熱點，以提高吸收，從而取得了令人印象深刻的結果。通過將激光聚焦在這些熱點上，他們觀察到了性能的提高和能耗的降低。
“石墨烯重量輕，光響應時間快，但單分子層吸收率低，”姚說。“我們設計了這個裝置，使納米熱點的光吸收可以增加三個數(shù)量級以上，不僅有很強的光吸收，而且還具有飽和吸收效應。利用GPSMA，我們正在制造一種可飽和吸收器裝置，它實際上可以將功耗降低近兩到三個數(shù)量級。”
它們的新技術以其速度之快，為紅外激光光譜和高速光信號通信提供了與光纖電纜和衛(wèi)星通信的機會。
“我們的設備可以以創(chuàng)紀錄的高速度運行，”Yao說。“傳統(tǒng)的可飽和吸收器可以工作在納秒的時間尺度上，但現(xiàn)在我們可以工作到大約60飛秒，這是100,000倍的速度。”
GPSMA目前在電磁光譜上以近紅外波長工作.由于石墨烯具有廣泛的光學響應，使得它的光譜覆蓋范圍有可能擴展到紅外光譜區(qū)域的較長波長，這在分子光譜學和光通信領域具有重要的意義。然而，對于較長的波長，通常很難獲得飽和吸收器和產(chǎn)生超短的激光脈沖。GPSMA的設計理念可以填補這一技術空白。
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