Light | 基于石墨烯结构的THz非线性增强

导读

石墨烯因其较强光学非线性和易于集成的特点，成为全光开关和频率转换应用的理想候选材料。目前，在太赫兹（THz）区域，研究人员提出各种方法来优化石墨烯中的非线性效应，以解决原子级别的相互作用长度所引起的关键限制。

近日，加拿大渥太华大学Jean-Michel Ménard研究团队在这一领域取得了突破性进展，成功展示了结合多层设计、电控门极和超材料架构策略来增强基于石墨烯结构的THz非线性。研究团队通过多层设计增加相互作用长度，通过电控门极控制载流子密度，并使用金属超表面基底调制THz场的空间分布。并且，特别研究了使用台式高场THz源的三次谐波生成，测量到的三次谐波生成增强因子超过30，并提出了能够实现两个数量级增加的架构。这些发现证明了基于石墨烯结构在推进太赫兹频率转换技术用于信号处理和无线通信方面的潜力。

该文章近日发表在国际顶尖期刊《Light: Science & Applications》，题为“Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures”，加拿大渥太华大学的Ali Maleki为论文的第一作者，Jean-Michel Ménard教授为论文的通讯作者。

研究背景 

太赫兹区域的非线性光学已经成为一个具有多样化科学和技术应用的前景领域，促进了光学器件的创新、材料分析的进步和成像技术的发展。为了在太赫兹区域增强基于石墨烯样品的非线性效应，研究人员提出很多方法。例如，先前的研究表明，优化石墨烯中的载流子密度可以增强太赫兹三次谐波生成的功率转换效率。超表面也可以用来局部增强入射泵浦场，从而在石墨烯片中实现更强的高次谐波生成，达到在入射场强小于30 kV/cm时的1%场转换效率。

尽管这些方法在增强非线性效应方面是有效的，但均有一定的局限性。多层石墨烯器件可以提供更长的相互作用长度，以提高频率转换效率。然而，目前尚不清楚如何将这样的设计与其他技术结合来增强非线性效应。此外，大多数关于太赫兹高次谐波生成的研究都基于加速器的超辐射源，这些源提供窄带宽的多周期太赫兹脉冲，峰值场强达到85 kV/cm。

因此，本研究旨在探索通过结合多层设计、电控门极和基于超材料的架构来增强石墨烯结构中的太赫兹非线性效应的策略。通过这些方法，作者团队旨在提高太赫兹频率转换技术在信号处理和无线通信应用中的潜力。

创新研究 

在THz技术领域，实现高效非线性频率转换面临重要挑战。本研究通过创新性的多层设计，显著提升了石墨烯结构在太赫兹区域的非线性效应。研究团队首次展示了通过多层石墨烯堆叠，增强了光与物质的相互作用长度，从而在台式高场THz源下实现了三次谐波生成的显著增强。如图1所示，通过精心设计的实验配置，实现了对多层石墨烯样品的精确控制和测量，证明了多层设计在增强THz非线性效应中的有效性。

图1. 在样品位置产生和检测太赫兹三次谐波的实验装置示意图。

此外，研究人员还利用电控门极技术，实现了对石墨烯载流子密度的动态调控，进一步优化了THz非线性效应。如图2所示，通过改变栅极电压，研究者们观察到了三次谐波生成功率随载流子密度变化的显著变化，揭示了通过电控手段优化非线性效应的巨大潜力。

图2. 在堆叠石墨烯层中测量三次谐波生成。

最引人注目的创新之一是将超材料与石墨烯相结合，通过调制THz场的空间分布来增强非线性效应。如图3和图4所示，研究团队探索了不同设计的超材料结构对THz泵浦场的局部增强效应，以及这些结构如何显著提升三次谐波生成效率。这种结合超材料的策略，为未来基于石墨烯的THz技术的发展提供了新的方向。

图3. 门控多层石墨烯片中太赫兹非线性的电调控性。

图4. 基于超材料-石墨烯的架构。

这些创新发现不仅为石墨烯在全光开关和频率转换应用提供了新的见解，而且为未来在信号处理和无线通信应用中开发先进的THz频率转换技术铺平了道路。通过这些策略的结合，该研究展示了一种全新的方法来增强太赫兹波段的非线性效应，为相关领域的科学研究和技术发展带来了深远的影响。

总结与展望 

该研究成果为进一步提升基于石墨烯的太赫兹非线性光学器件的性能提供了新的方向。通过优化多层石墨烯结构、探索新型超表面设计以及实现更精细的载流子浓度调控，有望实现更高效率的非线性频率转换。此外，将这些策略扩展到其他二维材料，可能会揭示新的物理现象并开发出新型的光学器件。这些研究不仅能够推动基础物理研究的进展，还能够促进集成光电子学和未来通信技术的发展。

论文信息 

Maleki, A., Heindl, M.B., Xin, Y. et al. Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light Sci Appl 14, 44 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01657-1