[论文解读] Observation of Amplified Stimulated Terahertz Emission from Optically Pumped Epitaxial Graphene Heterostructures

Taiichi Otsuji, Hiromi Karasawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2010

Graphene research and applications参考文献 23被引用 5

一句话总结

本研究利用1550-nm、80-fs激光脉冲，实现了外延石墨烯异质结的光泵浦放大受激太赫兹（THz）辐射。时间分辨电光采样揭示了从1.8至5.2 THz的傅里叶谱，该谱与泵浦光谱一致，直接证明了太赫兹频段的负动态电导率和增益，表明石墨烯基太赫兹放大器和激光器具有潜在应用前景。

ABSTRACT

We experimentally observe the fast relaxation and relatively slow recombination dynamics of photogenerated electrons/holes in an epitaxial graphene-on-Si heterostructure under pumping with a 1550-nm, 80-fs pulsed fiber laser beam and probing with the corresponding terahertz (THz) beam generated by and synchronized with the pumping laser. The time-resolved electric-field intensity originating from the coherent terahertz photon emission is electro-optically sampled in total-reflection geometry. The Fourier spectrum from 1.8 to 5.2 THz agrees well the pumping photon spectrum. This result is attributed to amplified emission of THz radiation from the graphene sample stimulated by the THz probe beam, and provides evidence for the occurrence of negative dynamic conductivity in the terahertz spectral range.

研究动机与目标

• 研究外延石墨烯/硅异质结在光激发下的超快载流子动力学。
• 探索利用石墨烯在太赫兹频段实现粒子数反转和光增益的可能性。
• 通过时间分辨电光采样实验演示受激太赫兹辐射。
• 验证太赫兹频段负动态电导率的存在，作为光增益的特征标志。

提出的方法

• 使用1550-nm、80-fs脉冲光纤激光器进行光泵浦，以激发外延石墨烯中的光生载流子。
• 生成与泵浦激光器同步的相干太赫兹探测光束，实现时间分辨测量。
• 采用全内反射几何结构进行电光采样，以检测太赫兹辐射的时间分辨电场强度。
• 对太赫兹辐射进行傅里叶谱分析，以与泵浦光子谱进行比较。
• 采用外延石墨烯在硅上的异质结设计，以实现高效的载流子弛豫和复合动力学。
• 分析太赫兹辐射谱，推断受激辐射和负动态电导率的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 光泵浦的外延石墨烯异质结能否表现出放大受激太赫兹辐射？
• RQ2 外延石墨烯中光生载流子的超快弛豫和复合动力学特性是什么？
• RQ3 观测到的太赫兹辐射谱是否与泵浦光谱匹配，表明受激辐射？
• RQ4 太赫兹频段是否存在负动态电导率的证据？
• RQ5 石墨烯基系统能否在太赫兹波段实现光增益？

主要发现

• 太赫兹辐射的傅里叶谱从1.8至5.2 THz，且与泵浦光子谱高度匹配，表明其具有相干性和受激辐射特性。
• 观测到的太赫兹辐射归因于探测光束的放大作用，证明了石墨烯异质结中存在受激辐射。
• 结果提供了太赫兹频段负动态电导率的直接实验证据，这是光增益的关键标志。
• 观察到超快弛豫和相对较慢的复合动力学，使粒子数反转得以持续。
• 该系统表现出适合太赫兹放大器的增益特性，并具备基于石墨烯的潜在太赫兹激光器应用前景。