来源：江苏激光产业创新联盟

    江苏激光联盟导读：太赫兹光在今后的技术领域具有许多潜在的应用。太赫兹有可能成为继5G之后实现极端快速的移动通讯连接和无线网络的最有前途的技术。在千兆赫兹到太赫兹频率的转变中所存在的瓶颈主要是由不充分有效的发射源和转换介质所造成的。如今，研究人员发展了一个材料系统来产生太赫兹脉冲，其比以往任何时候都更为有效。这一材料系统是基于石墨烯，在石墨烯上涂敷一层金属薄层来实现的。

    在电磁波普范围内，太赫兹光位于红外发射和微波的范围内。太赫兹波具有许多潜在的技术应用。太赫兹技术有可能成为继5G之后用于极端移动通讯和无线网络的最有前途的技术。从兆赫兹到太赫兹频率的传输所遇到的瓶颈是没有有效的发射太赫兹的光源和转换装置。

    一个由德国-西班牙两个国家所组成的团队发展了一个以石墨烯为基础的来提高产生太赫兹波脉冲效率的办法。在这一系统中，研究人员在石墨烯板片上涂敷金属的薄层结构——尤其是以金为基础的薄层结构。

在光栅石墨烯超材料中产生增强的三倍频

    科学家当前使用的加速器件，往往比较复杂且体积比较大的激光来产生太赫兹波。新材料系统产生太赫兹的能力使得它可以同当前的半导体技术在活性过渡从千兆赫兹到太赫兹频率产生有效的超过电流源和转换成超过其过渡的性质。

    尽管石墨烯对大家来说比较熟悉，且可以作为频率的倍乘放大材料（当光的脉冲在低的太赫兹范围，即0.3-0.7THz发射出2D的碳材料的时候，转换至较高的频率），其产生太赫兹脉冲的有效性在以前主要依靠极端腔的输出信号来实现。粒子加速器运行在一个完全尺度或者巨大的激光系统中，从而才能产生可靠的信号，这样就使得在许多应用场合应用起来不太兼容。

    超薄的金层可以显著的放大在底部层的石墨烯层中输入进来的太赫兹脉冲（红色，见下图），使得有效的频率乘成为可能。为了发展一个可以显著的减少场强度的材料系统，研究人员在石墨烯上涂敷金的薄层，其所起的作用有点像天线。金的薄层放大在石墨烯层上输入进来的太赫兹。在一个物理系统中，特征的输送需要在石墨烯暴露在层的点位置具有非常强的场。

图：超薄的金层可以显著的放大在底部层的石墨烯层中输入进来的太赫兹脉冲（红色，见上图），使得有效的频率乘成为可能

    研究人员测试了他们所提出的概念，通过一个石墨烯层在玻璃上进行运输和随后的气象沉积，在石墨烯上沉积一超薄的氧化铝层来进行绝缘。研究人员随后 增加一个金属的条状晶格。光的脉冲在低的太赫兹范围内的光脉冲轰击材料，倍乘入射辐射的频率并使得团队可以探测和分析过程的有效性。

光栅方向 的有效性和工作（负载）循环

    同没有处理的石墨烯相比，比较弱的输入信号足够来产生频率倍乘信号。十分之一的场强度在一开始需要产生一个足够的频率倍乘信号来使得研究人员可以观察频率倍乘。一旦实现转换，脉冲的功率就会比采用其他办法所得到的功率强1000倍以上。

    研究人员报道了拓展薄层的宽度和减弱暴露的石墨烯层的覆盖面积，石墨烯层用来增强工艺的过程和提高其有效性。研究人员同时还额外的展示了他们的能力来将输出的频率提高最多九倍多。

    这一新的材料系统提高了从兆赫兹到太赫兹的转换过渡且实现纯粹的电信号——这意味着可以显著的减少所付出的努力。它可以集成在芯片上。

    研究人员认为太赫兹范围的波以及他们的系统，将有力的支撑在材料研究和传感器和探测方面的应用。

    目前这一研究成果已经发表在期刊《ACS Nano》上。

    文章来源：Grating-Graphene Metamaterial as a Platform for Terahertz Nonlinear Photonics， ACS Nano 2020, XXXX, XXX, XXX-XXX，Publication Date:December 11, 2020，https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08106。以及HZDR/Werkstatt X