亞利桑那州立大學的研究人員提出了一種基于亞波長厚(<1/5λ0)混合石墨烯-等離子體超表面結構的紅外波段增強飽和吸收效果的設計概念。Yu Yao和她在亞利桑那州立大學光子學創新中心的研究團隊設計了一種更快、更節能的納米級激光組件，稱為石墨烯—等離子體激元混合亞結構可飽和吸收體，簡稱GPSMA。
該團隊的理論和實驗結果表明，通過激發納米級熱點內的非平衡載流子，不僅可以增強石墨烯的可飽和吸收，而且可以將飽和通量降低超過3個數量級（從約1 mJ/cm2至100 nJ/cm2)。他們的抽運-探針測量結果顯示了超短的飽和吸收恢復時間(<60 fs)，這最終由石墨烯中光激發載流子的弛豫動力學決定。他們還根據自相關測量結果在器件中觀察到脈沖變窄效應。這樣的設計概念可以通過結構工程來定制，以在更寬的波長范圍內操作，直至中紅外和遠紅外光譜區域。這些超快低飽和注量可飽和吸收體設計可以實現低閾值，緊湊，自啟動鎖模激光器，激光脈沖整形和高速光學信息處理。
激光產生窄光束。當激光的光與納米尺度的材料表面相互作用時，它會發出一種被稱為等離子體激元的光波，而一個給定的等離子體激元的屬性可以發出信息信號。在光傳輸中，激光器將光抽到一個叫做可飽和吸收體的部件上，以產生光信號。
該團隊最近開發的GPSMA在通信、信息處理、光譜學和生物醫學行業都有潛在的應用。該吸收器可用于提高速度，效率和整體性能，以促進數據傳輸，信息處理，生物醫學傳感和成像技術。
Yao的團隊已經在他們的工作中結合了一種人工工程金屬-石墨烯混合材料，因為它在光調制和可飽和吸收方面具有有益的特性。
科學家們通過設計一個光學天線陣列，將光聚焦到材料的納米級間隙，即熱點，以提高吸收，從而取得了令人印象深刻的結果。通過將激光聚焦在這些熱點上，他們觀察到了性能的提高和能耗的降低。
“石墨烯重量輕，光響應時間快，但單分子層吸收率低，”姚說。“我們設計了這個裝置，使納米熱點的光吸收可以增加三個數量級以上，不僅有很強的光吸收，而且還具有飽和吸收效應。利用GPSMA，我們正在制造一種可飽和吸收器裝置，它實際上可以將功耗降低近兩到三個數量級。”
它們的新技術以其速度之快，為紅外激光光譜和高速光信號通信提供了與光纖電纜和衛星通信的機會。
“我們的設備可以以創紀錄的高速度運行，”Yao說。“傳統的可飽和吸收器可以工作在納秒的時間尺度上，但現在我們可以工作到大約60飛秒，這是100,000倍的速度。”
GPSMA目前在電磁光譜上以近紅外波長工作.由于石墨烯具有廣泛的光學響應，使得它的光譜覆蓋范圍有可能擴展到紅外光譜區域的較長波長，這在分子光譜學和光通信領域具有重要的意義。然而，對于較長的波長，通常很難獲得飽和吸收器和產生超短的激光脈沖。GPSMA的設計理念可以填補這一技術空白。
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