石墨烯非線性光學特性及光孤子理論研究

《石墨烯非線性光學特性及光孤子理論研究》是依託中國礦業大學，由董海明擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：石墨烯非線性光學特性及光孤子理論研究
• 項目類別：專項基金項目
• 項目負責人：董海明
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

石墨烯是二維相對論費米子系統，由於獨特的電子結構和光電學性質，在基礎科學、光電材料和器件領域擁有巨大的研究和套用價值。在前期利用半經典理論方法研究了石墨烯的線性光電特性的基礎之上，本項目將從更精確的量子理論出發研究石墨烯的非線性光學特性。首先，我們將發展石墨烯的非線性光學理論模型，解釋其奇異的光透射譜（石墨烯-碲鎘汞系統光透射率大於100%，並且有明顯振盪），並探討利用石墨烯製作透明電極。其次，建立詳細的理論模型，解決石墨烯在四波混頻現象中非線性光學理論研究結果與實驗研究結果相矛盾的難題。再次，利用石墨烯強的太赫茲非線性光學效應，從理論上構建石墨烯人造複合材料模型，期望首次預言並實現太赫茲區相對論的Townes型穩定的空間光孤子。最後，構建“光纖-石墨烯-光纖”系統，從理論上證明該系統可以更穩定的傳輸二維光孤子，建立新的光孤子系統，為石墨烯的研究和套用開闢新的方向。

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結題摘要

石墨烯是二維相對論費米子系統，擁有獨特的電子結構和光電學性質，在基礎科學，光電材料和器件領域擁有巨大的研究和套用價值。首先，項目建立並發展了石墨烯的非線性光學理論模型，研究發現石墨烯具有強的非線性光學特性，尤其是在太赫茲區，同時我們詳細解釋了深層的物理原因。利用量子理論研究摻雜石墨烯系統外電場和光場共同作用下的非平衡載流子的非線性太赫茲光學性質，研究表明通過改變外加電場, 可以有效調節石墨烯系統太赫茲非線性光學特性。研究結果為探索和發展以石墨烯為基礎的新型納米太赫茲光電器件的研究和實際套用提供了理論依據。其次，在此基礎上，利用石墨烯強的太赫茲非線性光學特性，構建了石墨烯超材料結構，利用該材料結構實現太赫茲區相對論的Townes型穩定的空間光孤子。其次，研究發現不同標度理論的選擇，可以明顯的影響石墨烯的光學性質，尤其是超快光學性質，主要的物理原因是超快光場下石墨烯具有明顯的非共振光吸收，並且光電回響不同。再次，建立了石墨烯的光學布洛赫理論研究了石墨烯超快動態光學性質。研究確定了石墨烯線性和非線性光學回響區，石墨烯的光電回響非常迅速，能夠在1 ps 之內迅速產生光電流。發現石墨烯是一種新的非線性光學材料。理論研究結果可以說明並解釋石墨烯低溫下的超快光學實驗結果，同時也對石墨烯在超快動態光學領域有重要的理論參考價值。同時，建立理論模型研究石墨烯高場時的等離激元，石墨烯系統等離激元與傳統的二維電子氣的加電場的等離激元非常不同。理論研究結果表明石墨烯等離激元以及等離激元-聲子耦合模，不僅可以通過外加門電壓調控，而且還可以通過外加偏電壓（輸運電壓）有效的調控。最後，發展了修正的八帶K•P模型研究石墨烯等低維新型光電材料的能帶結構和光學性質。本項目不僅從理論上更準確系統的研究並解釋石墨烯系統非線光學特性，而且為石墨烯光電器件和光孤子傳輸的實驗研究和實際套用提供理論依據和新的研究思路。理論研究結果得到了國際同行的廣泛關注和引用。