近年来,对石墨烯性质的深入研究揭示出其在THz辐射源和THz放大器方面具有巨大的应用潜力。2012年,Li等使用红外飞秒激光泵浦石墨烯,发现其可以在极短的时间内产生受激辐射,并向外辐射出大量近红外光子[14]。同年,Taiichi等通过飞秒激光泵浦单层石墨烯,观察到了受激辐射现象,并且其发生集居数反转的能带恰好位于THz波段[15]。许多类似的工作也提到,在特定的温度条件下,通过光泵浦或者电注入的手段,可以使石墨烯产生集居数反转,即其电导率出现负值。因此,石墨烯可以作为增益介质应用在THz辐射源和THz放大器中。为方便讨论起见,本小节首先定义增益倍率
式中,G为用dB表示的增益倍率;I 0和I分别为增益前和增益后电磁辐射的强度;g为增益系数,主要由增益介质决定;l表示电磁波与增益介质相互作用的有效距离。从式(9.7)可以看出,增益系数越大,有效作用距离越长,电磁波获得的增益倍率就越大。然而,单层石墨烯的厚度非常小,仅为0.34 nm,它与电磁波作用的有效距离非常短,这极大地限制了其作为增益介质的放大效率。Takatsuka等设计了一种基于金属孔阵列结构的THz放大器,将单层石墨烯覆盖在金属孔上作为增益介质,并在器件的背面放置一块金属反射镜以形成反射式F-P谐振腔,利用金属孔阵列形成的SPP波和反射谐振腔来增强THz波与石墨烯相互作用的强度,在3 THz处获得了2倍的增益[16]。
这里重点介绍一种基于亚波长等离子体阵列结构的THz放大器,其结构示意图如图9.9所示,由单层石墨烯与硅基底周期性交替排布而构成。整个器件共有25个周期,每一个周期包含一层20μm厚的硅基底和一层带有电极结构的单层石墨烯。电极为正方环形,边长为3 mm,铜环线宽为20μm、厚为100 nm,偏置电压的接入方式如图9.9(a)所示。这样就可以通过调控偏置电压来控制石墨烯的费米能级,进而控制其电磁性质。THz波自上而下垂直入射,其光斑尺寸小于铜环电极的孔径,因而可以通过石墨烯放大后出射。(www.xing528.com)
图9.9 THz放大器的结构示意图[17]
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