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石墨片超快激光器闪耀登场!

(2010-03-29 06:55:12) 下一个
石墨片超快激光器闪耀登场!

http://www.optochina.net/html/news/10230.html

 

英国剑桥大学及法国CNRS的研究人员已经制造出超快锁模(mode-locked)石墨片(graphene)激光器。由于石墨片为零能隙的半导体,这项研究成果不仅令人意外,而且显示了石墨片在光电器件上大有可为。

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  石墨片为蜂巢晶格的碳原子平面,其电子能以极高速运动,行为类似无静止质量的相对论性粒子,亦即所谓的狄拉克粒子(Dirac particle)。自2004年问世以来,石墨片不断以其独特的电子与力学性质惊艳科学界,并在器件应用上展现广泛潜力,因此被看好可能会取代硅成为未来电子器件新材料。最近,剑桥大学的Andrea Ferrari与其同事借助石墨片超快激光器的发明,证明了石墨片也可以应用于光电产品上。

  超快激光器在科技领域中的应用相当广,目前制造超快激光器的主要技术是透过锁模,锁模激光器能以非常高的频率产生超短脉冲波,仰赖的技术是半导体饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)。然而,此价格昂贵的器件不仅制作过程复杂,而且频宽相当有限。

  Ferrari表示,一般而言,能隙的存在是SESAM锁模技术的基本条件,零能隙的石墨片能被应用在锁模技术上确实令人惊讶。该团队研究了石墨片如何吸收光子,以及光激发电子空穴在石墨片中的行为,结果发现泡利阻断(Pauli blocking)在吸收饱和过程中扮演了关键的角色。

  根据泡利不兼容原理(Pauli exclusion principle),当电子跃迁到激发态的速率大于松弛速率时,吸收过程便达饱和,原因是激发态中已无可供电子跃迁的“空间”。由于石墨片中的狄拉克电子具有线性色散,意味着石墨片的饱和光吸收具有最大的频宽,远远超过其它的已知材料。

  该团队首先从石墨片溶液中取得石墨片-高分子复合物,接着将此复合物置于激光器共振腔中的两根光纤之间。Ferrari表示,石墨片的操作波段从紫外光横跨至远红外光,为理想的宽带饱和吸收体,此超快激光器利用它的宽带光学非线性特性,使得零能隙的石墨片不再局限于奈米电子学应用,而能跨足光电子学及积体光子器件。

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