利用多层石墨烯锥形结构增强太赫兹波的纳米聚焦的研究

随着太赫兹(THz)技术的发展，THz波已被广泛应用于光谱分析、探测成像以及光通信等领域。目前，如何获取高强度、微纳尺度的THz光源依然是科研领域一大难点。基于表面等离激元(SPP)的纳米聚焦为解决这一难题提供了新的思路，利用贵金属纳米结构可以将光场压缩到亚波长尺度，从而实现光场增强。然而，传统的贵金属和介质材料对THz波损耗较大，光场限制不强，纳米聚焦效果并不理想。

武汉光电国家实验室超快光学研究团队陆培祥教授、“青年千人”王兵教授和博士生刘为为等人设计了一种基于多层石墨烯(多个石墨烯单层由介质隔开)锥形结构来增强THz波的纳米聚焦，每层石墨烯SPP之间的相互耦合使得THz光场能够被极大压缩并限制在纳米锥的尖端。研究结果表明，3层石墨烯锥可以使波长为50微米的THz波电场强度增强约620倍，明显优于单层石墨烯锥的增强效果(240倍)，通过调节石墨烯化学势和入射THz波长，其电场强度可进一步增强达1800倍。此外，多层石墨烯锥对光场的限制能力也大大增强，在锥尖光场可以被压缩至入射波长的1/2800，比类似金属/介质结构至少提高了一个数量级。这一研究结果对于实现高强度和纳米尺度的THz光源提出了一种新的实现方式，为THz波在非线性光学和纳米光学等领域的应用奠定了理论和实验基础。

2016年6月22日，OSA旗下期刊Optics Express在线刊发了题为Enhanced plasmonic nanofocusing of terahertz waves in tapered graphene multilayers的研究成果(Vol. 24, No. 13, pp. 14765-14780, 2016)。该研究获得了国家973研究计划(No. 2014CB921301)、国家自然科学基金(No. 11304108)和湖北省自然科学基金(No. 2015CFA040)的支持。

(a)多层石墨烯锥聚焦THz波示意图;(b)3层石墨烯锥尖端部分电场分布图;(c)电场增强随石墨烯层数变化关系;(d)电场增强随THz波长和石墨烯化学势变化扫描图。

来源：武汉光电国家实验室(筹)