搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

光抽运多层石墨烯太赫兹表面等离子体增益特性的研究

刘亚青 张玉萍 张会云 吕欢欢 李彤彤 任广军

引用本文:
Citation:

光抽运多层石墨烯太赫兹表面等离子体增益特性的研究

刘亚青, 张玉萍, 张会云, 吕欢欢, 李彤彤, 任广军

Study on the gain characteristics of terahertz surface plasma in optically pumped graphene multi-layer structures

Liu Ya-Qing, Zhang Yu-Ping, Zhang Hui-Yun, Lü Huan-Huan, Li Tong-Tong, Ren Guang-Jun
PDF
导出引用
  • 本文建立了光抽运多层石墨烯表面等离子体模型,计算了光抽运多层石墨烯等离子体传播系数的实部和吸收系数,讨论了动量弛豫时间、温度、层数、准费米能级对表面等离子体传播系数的实部和吸收系数的影响. 研究结果表明,光抽运多层石墨烯使其动态电导率的实部在太赫兹频段内出现负值时,石墨烯表面等离子体实现增益. 通过光抽运剥离层石墨烯和含有底层石墨烯结构表面等离子体传播系数和吸收系数比较,表明光抽运剥离层石墨烯能更有效地实现表面等离子体的增益. 同时,在低温下,光抽运具有合适层数的石墨烯比光抽运单层石墨烯能获得更大的表面等离子体增益.
    Based on the developed optically pumped graphene multilayer terahertz surface plasma structures, this paper calculates the real part of propagation index and amplification coefficient in optically pumped graphene multilayer structures, discusses the inluences of momentum relaxation time, temperature, numbers of grapheme layers, and the quasi-Fermi energy in the topmost grapheme layer on the real part of propagation index and amplification coefficient. It is shown that when the real part of dynamic conductivity becomes negative in the terahertz range of frequencies in the optically pumped graphene multilayer structures, the surface plasma of graphene layers can achieve gain. By comparing the peeling-graphene-structure with the graphene structure that has a high conducting bottom graphene layer in optically pumped scheme, it can be said that the surface plasma of the peeling-graphene-structure can get a high efficient amplification. Meanwhile, the structure having properly numbers of graphene layers can get a larger amplification than the simple graphene structure in an optically pumped scheme at low temperatures.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61001018)、山东省自然科学基金(批准号:ZR2011FM009,ZR2012FM011)、山东科技大学杰出青年科学基金(批准号:2010KYJQ103)、山东科技大学科研创新团队支持计划项目(批准号:2012KYTD103)、山东省高等学校科技计划项目(批准号:J11LG20)、青岛市科技计划项目(批准号:11-2-4-4-(8)-jch)、青岛经济技术开发区重点科技计划项目(批准号:2013-1-64)和山东科技大学基金(批准号:YCB120173)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61001018), the Natural Science Foundation of Shandong Province, China (Grant Nos. ZR2011FM009, ZR2012FM011), the Research Fund of Shandong University of Science and Technology (SDUST), China (Grant No. 2010KYJQ103), the SDUST Research Fund (Grant No. 2012KYTD103), the project of Shandong Province Higher Educational Science and Technology Program, China (Grant No. J11LG20), the Qingdao Science & Technology Project, China (Grant No. 11-2-4-4-(8)-jch), the Qingdao Economic & Technical Development Zone Science & Technology Project, China (Grant No. 2013-1-64), and the Shandong University of Science and Technology Foundation, China (Grant No. YCB120173).
    [1]

    Han P Y, Liu W, Xie Y H, Zhang X C 2009 Physics 38 06 (in Chinese) [韩鹏昱, 刘伟, 谢亚红, 张希成2009 物理 38 06]

    [2]

    Geim A K MacDonald A H 2007 Phys. Today 60 35

    [3]

    Castro Neto A H Guinea F Peres N M R Novoselov K S Geim A K 2009 Rev. Mod. Phys. 81 109

    [4]

    Wu H Q, Linghu C Y, Lv H M, Qian H 2013 Chin. Phys. B 22 098106

    [5]

    Rzhii V, Rzhii M, Otsuji T 2007 J. Appl. Phys. 101 083114

    [6]

    Satou A, Vasko F T, Ryzhii V 2008 Phys. Rev. B 78 115431

    [7]

    Ryzhii V, Ryzhii M, Satou A 2009 J. Appl. Phys. 106 084507

    [8]

    Ryzhii V, Ryzhii M, Otsuji T 2008 Phys. Stat. Sol. (c) 5 261

    [9]

    Zhang Y P, Zhang X, Liu L Y, Zhang H Y, Gao Y, Xu S L, Zhang H Y 2009 Chinese Journal of Lasers 39 0111002 (in Chinese) [张玉萍, 张晓, 刘陵玉, 张洪艳, 高营, 徐世林, 张会云2009 中国激光39 0111002]

    [10]

    Ryzhii V, Ryzhii M, Mitin V, Otsuji T 2011 J. Appl. Phys. 110 094503

    [11]

    Ryzhii M, Ryzhii V 2007 J. Appl. Phys. 46 08151

    [12]

    Zhang Y P, Zhang H Y, Yin Y H, Liu L Y, Zhang X, Gao Y, Zhang H Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 047803 (in Chinese)[张玉萍, 张洪艳, 尹贻恒, 刘陵玉, 张晓, 高营, 张会云2012 物理学报61 047803]

    [13]

    Zhang Y P, Liu L Y, Chen Q, Feng Z H, Wang J L, Zhang X, Zhang H Y, Zhang H Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 097202 (in Chinese)[张玉萍, 刘陵玉, 陈琦, 冯志红, 张晓, 张洪艳, 张会云2013 物理学报62 097202]

    [14]

    Ryzhii V, Dubinov A A, Otsuji T, Mitin V, Shur M S 2010 Appl. Phys. 107 054505

    [15]

    Dubinov A A, Aleshkin V Y, Ryzhii M, Otsuji T, Ryzhii V 2009 Appl. Phys. 2 092301

    [16]

    Aleshkin V Ya, Dubinov A A, Ryzhii V 2009 JETP Letters 89 63

    [17]

    Wu S Q, Liu J S, Wang S L, Hu B 2013 Chin. Phys. B 22 104207

    [18]

    Hanson G W 2008 J. Appl. Phys. 103 064302

    [19]

    Vafek O 2006 Phys. Rev. Lett. 97 266406

    [20]

    Falkovsky L A, Varlamov A A 2007 Eur. Phys. J. B 56 281

    [21]

    Jablan M, Buljan H, Solijacic M 2009 Phys. Rev. B 80 245435

    [22]

    Watanabe T, Fukushima T, Yabe Y, Boubanga-Tombet S A, Satou A, Dubinov A A, Aleshkin V Ya, Mitin V, Ryzhii V, Otsuji T 2013 New J. Phys. 15 075003

    [23]

    Dubinov A A, Aleshkin V Ya, Mitin V Otsji T, Ryzhii V 2010 J. Phys. 23 145302

    [24]

    Vakil A 2011 Science 332 1291

    [25]

    Chen P Y, Alu A 2011 ACS Nano 5 5855

    [26]

    Lin C, Tian Z, Xun L, Guoping W 2013 Optics Express 21 28628

    [27]

    Rana F 2008 IEEE Trans. Nanotechnol. 7 91

    [28]

    Zhang Y P, Liu L Y, Zhang X, Zhang H Y, Zhang H Y 2012 Journal of Optoelectronics. Laser 23 832 (in Chinese)[张玉萍, 刘陵玉, 张晓, 张洪艳, 张会云2012 光电子 激光23 832]

    [29]

    Satou A, Otsuji T, Ryzhii V 2011 J. Appl. Phys 50 070116

    [30]

    Satou A, Ryzhii V, Kurita Y, Otsuji T 2013 J. Appl. Phys. 113 143108

  • [1]

    Han P Y, Liu W, Xie Y H, Zhang X C 2009 Physics 38 06 (in Chinese) [韩鹏昱, 刘伟, 谢亚红, 张希成2009 物理 38 06]

    [2]

    Geim A K MacDonald A H 2007 Phys. Today 60 35

    [3]

    Castro Neto A H Guinea F Peres N M R Novoselov K S Geim A K 2009 Rev. Mod. Phys. 81 109

    [4]

    Wu H Q, Linghu C Y, Lv H M, Qian H 2013 Chin. Phys. B 22 098106

    [5]

    Rzhii V, Rzhii M, Otsuji T 2007 J. Appl. Phys. 101 083114

    [6]

    Satou A, Vasko F T, Ryzhii V 2008 Phys. Rev. B 78 115431

    [7]

    Ryzhii V, Ryzhii M, Satou A 2009 J. Appl. Phys. 106 084507

    [8]

    Ryzhii V, Ryzhii M, Otsuji T 2008 Phys. Stat. Sol. (c) 5 261

    [9]

    Zhang Y P, Zhang X, Liu L Y, Zhang H Y, Gao Y, Xu S L, Zhang H Y 2009 Chinese Journal of Lasers 39 0111002 (in Chinese) [张玉萍, 张晓, 刘陵玉, 张洪艳, 高营, 徐世林, 张会云2009 中国激光39 0111002]

    [10]

    Ryzhii V, Ryzhii M, Mitin V, Otsuji T 2011 J. Appl. Phys. 110 094503

    [11]

    Ryzhii M, Ryzhii V 2007 J. Appl. Phys. 46 08151

    [12]

    Zhang Y P, Zhang H Y, Yin Y H, Liu L Y, Zhang X, Gao Y, Zhang H Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 047803 (in Chinese)[张玉萍, 张洪艳, 尹贻恒, 刘陵玉, 张晓, 高营, 张会云2012 物理学报61 047803]

    [13]

    Zhang Y P, Liu L Y, Chen Q, Feng Z H, Wang J L, Zhang X, Zhang H Y, Zhang H Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 097202 (in Chinese)[张玉萍, 刘陵玉, 陈琦, 冯志红, 张晓, 张洪艳, 张会云2013 物理学报62 097202]

    [14]

    Ryzhii V, Dubinov A A, Otsuji T, Mitin V, Shur M S 2010 Appl. Phys. 107 054505

    [15]

    Dubinov A A, Aleshkin V Y, Ryzhii M, Otsuji T, Ryzhii V 2009 Appl. Phys. 2 092301

    [16]

    Aleshkin V Ya, Dubinov A A, Ryzhii V 2009 JETP Letters 89 63

    [17]

    Wu S Q, Liu J S, Wang S L, Hu B 2013 Chin. Phys. B 22 104207

    [18]

    Hanson G W 2008 J. Appl. Phys. 103 064302

    [19]

    Vafek O 2006 Phys. Rev. Lett. 97 266406

    [20]

    Falkovsky L A, Varlamov A A 2007 Eur. Phys. J. B 56 281

    [21]

    Jablan M, Buljan H, Solijacic M 2009 Phys. Rev. B 80 245435

    [22]

    Watanabe T, Fukushima T, Yabe Y, Boubanga-Tombet S A, Satou A, Dubinov A A, Aleshkin V Ya, Mitin V, Ryzhii V, Otsuji T 2013 New J. Phys. 15 075003

    [23]

    Dubinov A A, Aleshkin V Ya, Mitin V Otsji T, Ryzhii V 2010 J. Phys. 23 145302

    [24]

    Vakil A 2011 Science 332 1291

    [25]

    Chen P Y, Alu A 2011 ACS Nano 5 5855

    [26]

    Lin C, Tian Z, Xun L, Guoping W 2013 Optics Express 21 28628

    [27]

    Rana F 2008 IEEE Trans. Nanotechnol. 7 91

    [28]

    Zhang Y P, Liu L Y, Zhang X, Zhang H Y, Zhang H Y 2012 Journal of Optoelectronics. Laser 23 832 (in Chinese)[张玉萍, 刘陵玉, 张晓, 张洪艳, 张会云2012 光电子 激光23 832]

    [29]

    Satou A, Otsuji T, Ryzhii V 2011 J. Appl. Phys 50 070116

    [30]

    Satou A, Ryzhii V, Kurita Y, Otsuji T 2013 J. Appl. Phys. 113 143108

  • [1] 黄若彤, 李九生. 太赫兹多波束调控反射编码超表面. 物理学报, 2023, 72(5): 054203. doi: 10.7498/aps.72.20221962
    [2] 李泽宇, 姜去寒, 马腾洲, 袁英豪, 陈麟. 基于太赫兹石墨烯等离激元的多参数相位可调谐结构及其应用. 物理学报, 2021, 70(22): 224202. doi: 10.7498/aps.70.20210445
    [3] 龙洁, 李九生. 相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器. 物理学报, 2021, 70(7): 074201. doi: 10.7498/aps.70.20201495
    [4] 王健, 张超越, 姚昭宇, 张弛, 许锋, 阳媛. 基于石墨烯的太赫兹漫反射表面快速设计方法. 物理学报, 2021, 70(3): 034102. doi: 10.7498/aps.70.20201034
    [5] 王芳, 张龙, 马涛, 王旭, 刘玉芳, 马春旺. 一种低损耗的对称双楔形太赫兹混合表面等离子体波导. 物理学报, 2020, 69(7): 074205. doi: 10.7498/aps.69.20191666
    [6] 李晓楠, 周璐, 赵国忠. 基于反射超表面产生太赫兹涡旋波束. 物理学报, 2019, 68(23): 238101. doi: 10.7498/aps.68.20191055
    [7] 闫昕, 梁兰菊, 张璋, 杨茂生, 韦德泉, 王猛, 李院平, 吕依颖, 张兴坊, 丁欣, 姚建铨. 基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控. 物理学报, 2018, 67(11): 118102. doi: 10.7498/aps.67.20180125
    [8] 陶泽华, 董海明, 段益峰. 太赫兹辐射场下的石墨烯光生载流子和光子发射. 物理学报, 2018, 67(2): 027801. doi: 10.7498/aps.67.20171730
    [9] 张学进, 陆延青, 陈延峰, 朱永元, 祝世宁. 太赫兹表面极化激元. 物理学报, 2017, 66(14): 148705. doi: 10.7498/aps.66.148705
    [10] 张银, 冯一军, 姜田, 曹杰, 赵俊明, 朱博. 基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面. 物理学报, 2017, 66(20): 204101. doi: 10.7498/aps.66.204101
    [11] 杨磊, 范飞, 陈猛, 张选洲, 常胜江. 多功能太赫兹超表面偏振控制器. 物理学报, 2016, 65(8): 080702. doi: 10.7498/aps.65.080702
    [12] 李志全, 张明, 彭涛, 岳中, 顾而丹, 李文超. 基于导模共振效应提高石墨烯表面等离子体的局域特性. 物理学报, 2016, 65(10): 105201. doi: 10.7498/aps.65.105201
    [13] 李丹, 刘勇, 王怀兴, 肖龙胜, 凌福日, 姚建铨. 太赫兹波段石墨烯等离子体的增益特性. 物理学报, 2016, 65(1): 015201. doi: 10.7498/aps.65.015201
    [14] 冯伟, 张戎, 曹俊诚. 基于石墨烯的太赫兹器件研究进展. 物理学报, 2015, 64(22): 229501. doi: 10.7498/aps.64.229501
    [15] 乔文涛, 龚健, 张利伟, 王勤, 王国东, 廉书鹏, 陈鹏辉, 孟威威. 梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质. 物理学报, 2015, 64(23): 237301. doi: 10.7498/aps.64.237301
    [16] 孙杰, 杨剑锋, 闫肃, 杨晶晶, 黄铭. 等离子体辅助平板波导的传输特性及应用研究. 物理学报, 2015, 64(7): 078402. doi: 10.7498/aps.64.078402
    [17] 常旭. 多层石墨烯的表面起伏的分子动力学模拟. 物理学报, 2014, 63(8): 086102. doi: 10.7498/aps.63.086102
    [18] 董海明. 掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究. 物理学报, 2013, 62(23): 237804. doi: 10.7498/aps.62.237804
    [19] 胡海峰, 蔡利康, 白文理, 张晶, 王立娜, 宋国峰. 基于表面等离子体的太赫兹光束方向调控的模拟研究. 物理学报, 2011, 60(1): 014220. doi: 10.7498/aps.60.014220
    [20] 黎华, 韩英军, 谭智勇, 张戎, 曹俊诚. 半绝缘等离子体波导太赫兹量子级联激光器工艺研究. 物理学报, 2010, 59(3): 2169-2172. doi: 10.7498/aps.59.2169
计量
  • 文章访问数:  5807
  • PDF下载量:  1006
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-01-20
  • 修回日期:  2014-02-18
  • 刊出日期:  2014-04-05

/

返回文章
返回