利用多層石墨烯錐形結(jié)構(gòu)增強(qiáng)太赫茲波的納米聚焦研究

　　隨著太赫茲(THz)技術(shù)的發(fā)展，THz波已被廣泛應(yīng)用于光譜分析、探測成像以及光通信等領(lǐng)域。目前，如何獲取高強(qiáng)度、微納尺度的THz光源依然是科研領(lǐng)域一大難點。基于表面等離激元(SPP)的納米聚焦為解決這一難題提供了新的思路，利用貴金屬納米結(jié)構(gòu)可以將光場壓縮到亞波長尺度，從而實現(xiàn)光場增強(qiáng)。然而，傳統(tǒng)的貴金屬和介質(zhì)材料對THz波損耗較大，光場限制不強(qiáng)，納米聚焦效果并不理想。

　　武漢光電國家實驗室超快光學(xué)研究團(tuán)隊陸培祥教授、“青年千人”王兵教授和博士生劉為為等人設(shè)計了一種基于多層石墨烯(多個石墨烯單層由介質(zhì)隔開)錐形結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)THz波的納米聚焦，每層石墨烯SPP之間的相互耦合使得THz光場能夠被極大壓縮并限制在納米錐的尖端。研究結(jié)果表明，3層石墨烯錐可以使波長為50微米的THz波電場強(qiáng)度增強(qiáng)約620倍，明顯優(yōu)于單層石墨烯錐的增強(qiáng)效果(240倍)，通過調(diào)節(jié)石墨烯化學(xué)勢和入射THz波長，其電場強(qiáng)度可進(jìn)一步增強(qiáng)達(dá)1800倍。此外，多層石墨烯錐對光場的限制能力也大大增強(qiáng)，在錐尖光場可以被壓縮至入射波長的1/2800，比類似金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)至少提高了一個數(shù)量級。這一研究結(jié)果對于實現(xiàn)高強(qiáng)度和納米尺度的THz光源提出了一種新的實現(xiàn)方式，為THz波在非線性光學(xué)和納米光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。

　　(a)多層石墨烯錐聚焦THz波示意圖;(b)3層石墨烯錐尖端部分電場分布圖;(c)電場增強(qiáng)隨石墨烯層數(shù)變化關(guān)系;(d)電場增強(qiáng)隨THz波長和石墨烯化學(xué)勢變化掃描圖。