石墨烯非线性光学特性及光孤子理论研究

Graphene, a two-dimensional one atom thick allotrope of carbon, holds the promise for building advanved nano-optoelectronic devices, due to its unique electronic structure and properties. Previously we have investigated the linear optoelectronic properties of graphene with semi-classical theory. In this research project, we will study nonlinear optical properties of graphene based on quantum theory. At first, we intend to develop a detailed theoretical model to explain nonlinear optical properties, especially unique transmission spectrum (>100%) recently observed in graphene system. Secondly, we will try to understand the confusing disagreement between present theoretical results and experimental findings from nonlinear optical measurements with four-wave mixing, which is belived scientifically very important. Thirdly, we will design an electrically tunable graphene-basied metamaterial with a large nonlinear optical response and expect that there exists a structure sustaining a novel type of stable two-dimensional spatial solitary wave, a relativistic version of the Townes soliton in the Terahertz regime. Finally, we intend to conceive a novel soliton system, fiber-graphene-fiber, to realize the temporal solitons in such new system. In the project, we hope to develop a more precise theoretical model to explain the nonlinear optical properties of graphene. Furthermore, we hope that the present work could shed some light on the application of graphene not only as an optoelectronic device but also as optical soliton science.

石墨烯是二维相对论费米子系统，由于独特的电子结构和光电学性质，在基础科学、光电材料和器件领域拥有巨大的研究和应用价值。在前期利用半经典理论方法研究了石墨烯的线性光电特性的基础之上，本项目将从更精确的量子理论出发研究石墨烯的非线性光学特性。首先，我们将发展石墨烯的非线性光学理论模型，解释其奇异的光透射谱（石墨烯-碲镉汞系统光透射率大于100%，并且有明显振荡），并探讨利用石墨烯制作透明电极。其次，建立详细的理论模型，解决石墨烯在四波混频现象中非线性光学理论研究结果与实验研究结果相矛盾的难题。再次，利用石墨烯强的太赫兹非线性光学效应，从理论上构建石墨烯人造复合材料模型，期望首次预言并实现太赫兹区相对论的Townes型稳定的空间光孤子。最后，构建“光纤-石墨烯-光纤”系统，从理论上证明该系统可以更稳定的传输二维光孤子，建立新的光孤子系统，为石墨烯的研究和应用开辟新的方向。

石墨烯是二维相对论费米子系统，拥有独特的电子结构和光电学性质，在基础科学，光电材料和器件领域拥有巨大的研究和应用价值。首先，项目建立并发展了石墨烯的非线性光学理论模型，研究发现石墨烯具有强的非线性光学特性，尤其是在太赫兹区，同时我们详细解释了深层的物理原因。利用量子理论研究掺杂石墨烯系统外电场和光场共同作用下的非平衡载流子的非线性太赫兹光学性质，研究表明通过改变外加电场, 可以有效调节石墨烯系统太赫兹非线性光学特性。研究结果为探索和发展以石墨烯为基础的新型纳米太赫兹光电器件的研究和实际应用提供了理论依据。其次，在此基础上，利用石墨烯强的太赫兹非线性光学特性，构建了石墨烯超材料结构，利用该材料结构实现太赫兹区相对论的Townes型稳定的空间光孤子。其次，研究发现不同标度理论的选择，可以明显的影响石墨烯的光学性质，尤其是超快光学性质，主要的物理原因是超快光场下石墨烯具有明显的非共振光吸收，并且光电响应不同。再次，建立了石墨烯的光学布洛赫理论研究了石墨烯超快动态光学性质。研究确定了石墨烯线性和非线性光学响应区，石墨烯的光电响应非常迅速，能够在1 ps 之内迅速产生光电流。发现石墨烯是一种新的非线性光学材料。理论研究结果可以说明并解释石墨烯低温下的超快光学实验结果，同时也对石墨烯在超快动态光学领域有重要的理论参考价值。同时，建立理论模型研究石墨烯高场时的等离激元，石墨烯系统等离激元与传统的二维电子气的加电场的等离激元非常不同。理论研究结果表明石墨烯等离激元以及等离激元-声子耦合模，不仅可以通过外加门电压调控，而且还可以通过外加偏电压（输运电压）有效的调控。最后，发展了修正的八带K•P模型研究石墨烯等低维新型光电材料的能带结构和光学性质。本项目不仅从理论上更准确系统的研究并解释石墨烯系统非线光学特性，而且为石墨烯光电器件和光孤子传输的实验研究和实际应用提供理论依据和新的研究思路。理论研究结果得到了国际同行的广泛关注和引用。