В рамках применения графена в оптоэлектронных устройствах особенно интересными также являются нелинейные свойства, в частности – насыщаемое поглощение (Saturable absorption, SA), двух-фотонное поглощение (TPA), обратное насыщаемое поглощение (RSA) и эффект оптического ослабления (Optical Limiting) [9,11,12]. Уникальный характер данных свойств в графене позволяет создавать на его основе оптоэлектронные элементы систем, обладающие большей эффективностью по сравнению с существующими и позволяя реализовывать новые оптоэлектронные схемы.
1.Насыщаемое поглощение.
![Модель графеновой плоскости Модель графеновой плоскости](/contentimages/contentsize/1262.jpg)
Поскольку структура энергетических уровней графена представляет собой два конуса, встречающиеся в точках Дирака, то графен может быть насыщаемым поглотителем для любого спектра частот в оптическом диапазоне. Графен обладает постоянной высоко-частотной динамической проводимостью Дираковских фермионов, в результате чего поглощение не зависит от длины волны. Также, графен обладает чрезвычайно высокой динамикой носителей заряда, которая ограничивается рассеянием типа заряд – заряд или заряд – фонон. Вследствие этого, ограничения по времени для таких процессов как генерация фотоэлектронов составляет порядка нескольких пикосекунд. Как результат, графен может изменять постоянное излучение на ряд чрезвычайно частых и коротких оптических импульсов, переводя постоянное излучение лазера, или импульсное, но с достаточно большой длительность импульса, в высокочастотное и с малой длительностью. Уменьшение ширины импульсов зависит от скорости релаксации электронов. Также, при необходимости, как уже указывалось выше, может быть сформирована запрещенная зона в графене, что позволит ограничить длины волн, в которых будет использоваться данный эффект.
![Эффект сужения импульса излучения в зависимости от времени релаксации электронов верхних возбужденных уровней. Эффект сужения импульса излучения в зависимости от времени релаксации электронов верхних возбужденных уровней.](/contentimages/contentsize/1262_001.jpg)
Двухфотонное поглощение (TPA)
В ряде случаев в лазерной технике необходимым является снижение интенсивности генерируемого излучения в пределах определенной длины волны. В данном случае в теории возможно использование эффекта двух-фотонного поглощения в графене. TPA – спонтанное поглощение двух фотонов одной и той же или различной частоты. Данный эффект реализуется в многослойных образцах графена, в частности в двухслойном графене. Для монослойного графена доминирующим является SAпоглощение, в то время как для двухслойного графена доминирующим при высоких интенсивностях является TPA. Насыщенная интенсивность и TPAкоэффициент для двухслойного графена зависят от длин волн, дисперсия TPA может быть подсчитана на основе квантовой теории возмущений. TPA для двухслойного графена зависит от в видимом и терагерц спектрах. В графене процесс двух-фотонного поглощения более эффективен для коротких импульсов, поскольку интенсивность подобных импульсов намного выше [11,12]. Таким образом, графен может играть и обратную роль – снижая интенсивность лазерного излучения в импульсном режиме и практически не снижая ее для постоянного излучения определенной заданной интенсивности.
Поляризаторы на основе графена
Еще одно применение графена в твердотельных и оптоволоконных лазерах, уже не связанное с нелинейными оптическими свойствами – оптические поляризаторы [19]. Компактные поляризаторы могут размещаться в оптоволоконных каналах связи с встроенными графеновыми элементами пропускания вдоль линии распространения. Однако для подобной интеграции требуются графеновые образцы высокого качества миллиметровых размеров, получение которых на данный момент является большой трудностью, хотя уже были получены монокристаллические образцы миллиметровых размеров с помощью метода CVD на медной подложке. Популярной методикой изменения плоскости поляризации является поворот с помощью эффекта Фарадея. Квантования Ландау двумерного электронного газа в графене приводит к сильному повороту с быстрым откликом и возможности настройки полосы пропускания. При использовании многослойного графена возможно еще большое увеличение поворота плоскости поляризации. Два поляризатора, объединенные с вращателем Фарадея могут быть сформированы в довольно малых объемах. Однако, необходимое магнитное поле с индукцией менее одного тесла на данный момент довольно сложно достичь в графеновых поляризаторах.