專利名稱：一種基于光抽運(yùn)無基底石墨烯的太赫茲波放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及通過光抽運(yùn)無基底石墨稀，使石墨稀實(shí)現(xiàn)負(fù)電導(dǎo)率，從而對太赫茲波進(jìn)行放大的裝置。
背景技術(shù)：
THz輻射源從其產(chǎn)生的機(jī)理來看可分為兩大類基于電子學(xué)的THz輻射源和基于光學(xué)的THz福射源。光學(xué)方法目前主要有，非線性光學(xué)差頻方法和THz波參量振蕩方法,光
抽運(yùn)THz波氣體激光器，與超短激光脈沖有關(guān)、能產(chǎn)生寬帶亞皮秒THz輻射的光整流、光電導(dǎo)和等離子體四波混頻等方法。其中，利用飛秒激光脈沖抽運(yùn)非線性晶體通過光整流效應(yīng)產(chǎn)生THz輻射，是利用飛秒激光脈沖和非線性介質(zhì)(如ZnTe)相互作用產(chǎn)生低頻電極化場，此電極化場在晶體表面輻射出THz電磁波。光整流發(fā)射的THz波束的能量直接來源于激光脈沖的能量，它的轉(zhuǎn)換效率主要依賴于材料的非線性系數(shù)和相位匹配條件。該方式所產(chǎn)生的THz波具有超寬帶、窄脈寬、高峰值功率等特點(diǎn)，可應(yīng)用于THz時(shí)域光譜成像、精密時(shí)間分辨光譜等研究，其信噪比遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)遠(yuǎn)紅外傅立葉光譜，但THz脈沖時(shí)間相干性差、轉(zhuǎn)換效率較低，得到的THz波束的平均功率只有納瓦到微瓦的數(shù)量級，限制了其應(yīng)用范圍。因此，尋找新型高效材料，對THz輻射源進(jìn)行放大，提高其功率、轉(zhuǎn)換效率和相干性，實(shí)現(xiàn)高效率、寬帶、高能量、可調(diào)諧的相干THz源成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)(H.Karasawa, T. Komori, T. Watanabe, H. Fukidome, M. Suemitsu, A. Satou,V. Ryzhii, T. Otsuji, Observation of amplified stimulated terahertz emission fromoptically pumped heteroepitaxial graphene-on—silicon materials, J. InfraredMilli. Terhz. Waves. 2011 32 :655-665)報(bào)道了用 I. 55 μ m、80fs 的飛秒激光抽運(yùn)異質(zhì)外延石墨烯材料，CdTe晶體作為太赫茲探測脈沖發(fā)射器，同時(shí)作為電光傳感器，實(shí)現(xiàn)THz信號的放大。異質(zhì)外延石墨烯材料是通過加熱單晶6H-SiC脫除Si，在單晶(0001)面上分解出石墨烯片層方法制得的石墨烯結(jié)構(gòu)。由于電荷由SiC轉(zhuǎn)移到與SiC表面接觸的最底層石墨烯，導(dǎo)致該層石墨烯電導(dǎo)率很高，德魯?shù)挛帐蛊鋵μ掌澆ǘ畏秶妮椛湮蛰^大，吸收其他石墨烯層輻射的THz波,對實(shí)現(xiàn)THz的放大有負(fù)的作用，因此這種方法實(shí)現(xiàn)太赫茲放大的效率不高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，克服上述缺陷，提高太赫茲放大的效率。本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種基于光抽運(yùn)無基底石墨烯的太赫茲波放大裝置，包括THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射放大裝置、THz輻射探測裝置，這三個(gè)裝置通過分束器共用一臺飛秒激光器。THz輻射產(chǎn)生裝置包括飛秒激光器、二分之一波片、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)、全反鏡、會聚透鏡、非線性晶體；THz輻射放大裝置裝置包括飛秒激光器、全反鏡、會聚透鏡和無基底石墨烯；THz輻射探測裝置包括飛秒激光器、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)、全反鏡、會聚透鏡和、偏振片和THz輻射探測系統(tǒng)。上述器件裝置的光路傳輸關(guān)系是入射的飛秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡后分為兩束其中一束Beam 3為光探測路，進(jìn)入THz輻射探測裝置，利用電光取樣探測原理對所產(chǎn)生的太赫茲脈沖進(jìn)行探測；另一束再經(jīng)過另一分束鏡分成兩束Beam I和Beam 2 ；Beam I為THz產(chǎn)生光，進(jìn)入THz輻射產(chǎn)生裝置，利用光整流效應(yīng)在非線性晶體表面產(chǎn)生THz輻射，該THz脈沖經(jīng)兩個(gè)離軸拋物鏡 照射到無基底石墨烯上，作為信號光；Beam2為石墨烯的抽運(yùn)光，光激發(fā)無基底石墨烯實(shí)現(xiàn)石墨烯中載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在THz信號光的作用下實(shí)現(xiàn)對THz輻射的受激放大；被光抽運(yùn)無基底石墨烯放大后的THz波，又經(jīng)過一對離軸拋面鏡后進(jìn)入THz輻射探測系統(tǒng)。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，非線性晶體為ZnTe晶體。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，無基底石墨烯附著在聚乙烯上，聚乙烯支撐無基底石墨烯并能使THz波低損耗透過。本發(fā)明依據(jù)的原理用光子能量為七(c是真空中光速，&是修正的普
朗克常量，λρ是泵浦光光子波長)的光泵浦石墨烯生成能量為— 的電子和空穴，Stl是光生電子和空穴的能量。因?yàn)殡娮雍涂昭ㄅc光學(xué)聲子的相互作用時(shí)間^很短，光生電子和空穴快速級聯(lián)發(fā)射N個(gè)能量較高的光學(xué)聲子，每個(gè)光學(xué)聲子的能量為》200meF，λ。為光學(xué)聲子的波長，N=[V(2瓜^/入)]([V(2瓜介/Λ)]是取S0 /(2；ζ^./Λ)的整數(shù)部分)，N是光生電子和空穴級聯(lián)發(fā)射光學(xué)聲子的個(gè)數(shù)，從而使產(chǎn)生的光生電子和空穴弛豫到在石墨烯導(dǎo)帶和價(jià)帶的低能量區(qū)域。泵浦和弛豫過程使電子和空穴的費(fèi)米能級分開，由狄拉克點(diǎn)分別轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶和價(jià)帶，電子和空穴獲得了在導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部的低能量狀態(tài)，這相當(dāng)于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后發(fā)生帶間轉(zhuǎn)移，即電子和空
穴的復(fù)合，這個(gè)過程伴隨著能量較低的光子的吸收和發(fā)射—λ<ε” 是電子和空穴
分布的準(zhǔn)費(fèi)米能級，λ是吸收和發(fā)射的低能量光子的波長，使得帶間轉(zhuǎn)移對動態(tài)電導(dǎo)率實(shí)部Reo λ有負(fù)的貢獻(xiàn)。如果Re σ λ < 0，通過電子和空穴的復(fù)合，可能實(shí)現(xiàn)低能量光子的輻射。當(dāng)泵浦光波長870 896nm(能量為1386 1428meV)范圍時(shí)，發(fā)射低能量光子頻率的范圍是O. I IOTHz，處于THz波段。無基底石墨烯附著在聚乙烯上，聚乙烯支撐無基底石墨烯并能使THz波低損耗透過。由于底層與襯底聚乙烯的結(jié)合不緊密，底層和上面各層石墨烯的電導(dǎo)率基本一致，這就克服了異質(zhì)外延石墨烯由于基底石墨烯電導(dǎo)率很高而導(dǎo)致的對THz波的德魯?shù)挛眨岣吡藢Hz波的放大效率。本實(shí)用新型的有益效果是利用光泵浦的石墨烯能實(shí)現(xiàn)在太赫茲波段的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原理，實(shí)現(xiàn)了對飛秒泵浦非線性晶體光整流效應(yīng)產(chǎn)生的THz輻射的放大，使用無基底石墨烯，克服了石墨烯底層對THz波的德魯?shù)挛?，提高?THz波的功率、轉(zhuǎn)換效率和相干性。

圖I是光抽運(yùn)石墨烯實(shí)現(xiàn)THz受激放大裝置示意圖；圖2光抽運(yùn)無基底石墨稀實(shí)現(xiàn)太赫茲放大原理圖；圖3有基底石墨稀和無基底石墨稀結(jié)構(gòu)對照圖；[0014]圖4輸入信號與經(jīng)無基底石墨烯放大后對應(yīng)的輸出信號的對比圖。I飛秒激光器，2 二分之一波片，3分束鏡，4時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，5全反鏡，6會聚透鏡，7非線性晶體ZnTe，8離軸拋物鏡，9無基底石墨烯，10偏振片，11探測系統(tǒng)，12聚乙烯，13有基底石墨烯，14基底
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參見圖1，一種基于光抽運(yùn)無基底石墨烯的太赫茲波放大裝置，包括THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射放大裝置、THz輻射探測裝置，這三個(gè)裝置通過分束器共用一臺飛秒激光器。THz輻射產(chǎn)生裝置包括飛秒激光器
I、二分之一波片2、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4、全反鏡5、會聚透鏡6、非線性晶體7 ；THz輻射放大裝置裝置包括飛秒激光器I、全反鏡、會聚透鏡和無基底石墨烯9 ；THz輻射探測裝置包括飛秒激光器I、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4、全反鏡、會聚透鏡和、偏振片10和THz輻射探測系統(tǒng)11。上述器件裝置的光路傳輸關(guān)系是入射的飛秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡3后分為兩束其中一束Beam 3為光探測路，進(jìn)入THz輻射探測裝置，利用電光取樣探測原理對所產(chǎn)生的太赫茲脈沖進(jìn)行探測；另一束再經(jīng)過另一分束鏡3分成兩束Beam I和Beam 2 ；Beam I為THz產(chǎn)生光，進(jìn)入THz輻射產(chǎn)生裝置，利用光整流效應(yīng)在非線性晶體7表面產(chǎn)生THz輻射，該THz脈沖經(jīng)兩個(gè)離軸拋物鏡8照射到無基底石墨烯9上，作為信號光；Beam2為石墨烯的抽運(yùn)光，光激發(fā)無基底石墨烯9實(shí)現(xiàn)石墨烯中載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在THz信號光的作用下實(shí)現(xiàn)對THz輻射的受激放大；被光抽運(yùn)無基底石墨烯9放大后的THz波，又經(jīng)過一對離軸拋面鏡后進(jìn)入THz輻射探測系統(tǒng)。非線性晶體7為ZnTe晶體。參見圖2，無基底石墨烯9附著到聚乙烯12上，聚乙烯12支撐無基底石墨烯9并能使THz波透過。圖3為有基底石墨稀結(jié)構(gòu)和無基底石墨稀結(jié)構(gòu)的對比圖。有基底石墨稀13含有一層與基底結(jié)合緊密的基底14，該基底導(dǎo)致對THz波的德魯?shù)挛眨虼?，本發(fā)明采用無基底的結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，使無基底石墨烯9覆蓋襯底聚乙烯的一半。石墨烯為用化學(xué)解理法或物理剝離法制作的石墨烯薄膜。實(shí)驗(yàn)時(shí)載有樣品的平臺交替移動，以便使THz信號光分別經(jīng)過襯底聚乙烯和無基底石墨烯+襯底聚乙烯區(qū)域進(jìn)行測量對照。通過測量無基底石墨烯+襯底聚乙烯和只有襯底聚乙烯的電場強(qiáng)度，可以驗(yàn)證THz信號的受激放大。圖4是輸入信號與經(jīng)無基底石墨烯放大后對應(yīng)的輸出信號的對比。該裝置可用于THz時(shí)域光譜成像、精密時(shí)間分辨光譜等研究，較原有的時(shí)域光譜儀具有更高的THz波功率和能量。
權(quán)利要求1.一種基于光抽運(yùn)無基底石墨烯的太赫茲波放大裝置，包括THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射放大裝置、THz輻射探測裝置，這三個(gè)裝置通過分束器共用一臺飛秒激光器； THz輻射產(chǎn)生裝置包括飛秒激光器(I)、二分之一波片(2)、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)(4)、全反鏡(5)、會聚透鏡(6)、非線性晶體(7) ;THz輻射放大裝置裝置包括飛秒激光器(I)、全反鏡、會聚透鏡和無基底石墨烯(9) ;THz輻射探測裝置包括飛秒激光器(I)、時(shí)間延遲控制系統(tǒng)(4)、全反鏡、會聚透鏡和、偏振片(10)和THz輻射探測系統(tǒng)(11)； 上述器件裝置的光路傳輸關(guān)系是入射的飛秒激光脈沖經(jīng)過分束鏡(3)后分為兩束其中一束Beam 3為光探測路，進(jìn)入THz輻射探測裝置，利用電光取樣探測原理對所產(chǎn)生的太赫茲脈沖進(jìn)行探測；另一束再經(jīng)過另一分束鏡(3)分成兩束Beam I和Beam 2 ；Beam I為THz產(chǎn)生光，進(jìn)入THz輻射產(chǎn)生裝置，利用光整流效應(yīng)在非線性晶體(7)表面產(chǎn)生THz輻射，該THz脈沖經(jīng)兩個(gè)離軸拋物鏡(8)照射到無基底石墨烯(9)上，作為信號光；Beam2為石墨烯的抽運(yùn)光，光激發(fā)無基底石墨烯(9)實(shí)現(xiàn)石墨烯中載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在THz信號光的作用下實(shí)現(xiàn)對THz輻射的受激放大；被光抽運(yùn)無基底石墨烯(9)放大后的THz波，又經(jīng)過一對尚軸拋面鏡后進(jìn)入THz福射探測系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于光抽運(yùn)無基底石墨烯的太赫茲波放大裝置，非線性晶體(J)為ZnTe晶體。
3.如權(quán)利要求I所述的一種基于光抽運(yùn)無基底石墨稀的太赫茲波放大裝置，無基底石墨烯(9)附著在聚乙烯(12)上，聚乙烯(12)支撐無基底石墨烯(9)并能使THz波低損耗透過。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于光抽運(yùn)無基底石墨烯的太赫茲波放大裝置，包括THz輻射產(chǎn)生裝置、THz輻射放大裝置、THz輻射探測裝置，三裝置通過分束器共用一臺飛秒激光器。入射的飛秒光脈沖經(jīng)過分束鏡后分為兩束其中一束為光探測路，進(jìn)入THz輻射探測裝置，利用電光取樣探測原理對所產(chǎn)生和放大的太赫茲脈沖進(jìn)行探測；另一束再經(jīng)過另一分束鏡分成兩束Beam 1和Beam 2；Beam 1為THz產(chǎn)生光，利用光整流效應(yīng)在非線性晶體表面產(chǎn)生THz輻射，該輻射經(jīng)離軸拋物鏡照射到無基底石墨烯上，作為信號光；Beam2為石墨烯的抽運(yùn)光，激發(fā)無基底石墨烯實(shí)現(xiàn)載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在THz信號光的作用下實(shí)現(xiàn)對THz輻射的受激放大。
文檔編號G02F1/355GK202433655SQ201120578029
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者劉陵玉, 尹貽恒, 張會云, 張曉 , 張洪艷, 張玉萍 申請人:山東科技大學(xué)