基于石墨烯的超短激光脉冲技术

亚利桑那州立大学的研究人员提出了一种基于亚波长厚(<1/5λ0)混合石墨烯-等离子体超表面结构的红外波段增强饱和吸收效果的设计概念。Yu Yao和她在亚利桑那州立大学光子学创新中心的研究团队设计了一种更快、更节能的纳米级激光组件，称为石墨烯—等离子体激元混合亚结构可饱和吸收体，简称GPSMA。

该团队的理论和实验结果表明，通过激发纳米级热点内的非平衡载流子，不仅可以增强石墨烯的可饱和吸收，而且可以将饱和通量降低超过3个数量级（从约1 mJ/cm²至100 nJ/cm²)。他们的抽运-探针测量结果显示了超短的饱和吸收恢复时间(<60 fs)，这最终由石墨烯中光激发载流子的弛豫动力学决定。他们还根据自相关测量结果在器件中观察到脉冲变窄效应。这样的设计概念可以通过结构工程来定制，以在更宽的波长范围内操作，直至中红外和远红外光谱区域。这些超快低饱和注量可饱和吸收体设计可以实现低阈值，紧凑，自启动锁模激光器，激光脉冲整形和高速光学信息处理。

激光产生窄光束。当激光的光与纳米尺度的材料表面相互作用时，它会发出一种被称为等离子体激元的光波，而一个给定的等离子体激元的属性可以发出信息信号。在光传输中，激光器将光抽到一个叫做可饱和吸收体的部件上，以产生光信号。

该团队最近开发的GPSMA在通信、信息处理、光谱学和生物医学行业都有潜在的应用。该吸收器可用于提高速度，效率和整体性能，以促进数据传输，信息处理，生物医学传感和成像技术。

Yao的团队已经在他们的工作中结合了一种人工工程金属-石墨烯混合材料，因为它在光调制和可饱和吸收方面具有有益的特性。

科学家们通过设计一个光学天线阵列，将光聚焦到材料的纳米级间隙，即热点，以提高吸收，从而取得了令人印象深刻的结果。通过将激光聚焦在这些热点上，他们观察到了性能的提高和能耗的降低。

Yao说：“石墨烯重量轻，光响应时间快，但单分子层吸收率低，我们设计了这个装置，使纳米热点的光吸收可以增加三个数量级以上，不仅有很强的光吸收，而且还具有饱和吸收效应。利用GPSMA，我们正在制造一种可饱和吸收器装置，它实际上可以将功耗降低近两到三个数量级。”

它们的新技术以其速度之快，为红外激光光谱和高速光信号通信提供了与光纤电缆和卫星通信的机会。

Yao说：“我们的设备可以以创纪录的高速度运行，传统的可饱和吸收器可以工作在纳秒的时间尺度上，但现在我们可以工作到大约60飞秒，这是100,000倍的速度。”

GPSMA目前在电磁光谱上以近红外波长工作.由于石墨烯具有广泛的光学响应，使得它的光谱覆盖范围有可能扩展到红外光谱区域的较长波长，这在分子光谱学和光通信领域具有重要的意义。然而，对于较长的波长，通常很难获得饱和吸收器和产生超短的激光脉冲。GPSMA的设计理念可以填补这一技术空白。