激光正成为无数设备和行业不可或缺的组成部分。当激光的光束与纳米级材料表面相互作用时，它会发出一种被称为“等离子体激元”（plasmon）的光波，而给定等离子体激元的属性可以传递信息。在光学传输中，激光将光泵入一个称为“可饱和吸收器”的部件，以产生光信号。

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近日，亚利桑那州立大学电气工程副教授Yu Yao和她在亚利桑那州立大学光子学创新中心的研究团队设计了一种更快、更节能的纳米级激光元件，称为石墨烯－等离子体混合元结构饱和吸收体，简称GPSMA。

GPSMA在通信、信息处理、光谱学和生物医学等行业具有潜在的应用前景。吸收剂可用于提高速度、效率和整体性能，以推进数据传输、信息处理、生物医学传感和成像技术。

由于它在光学调制和饱和吸收方面具有有益的特性，Yu Yao的团队在他们的开发过程中加入了一种人工工程金属－石墨烯混合材料。

在最近发表在科学杂志ACS Nano上的一篇文章中，Yao详细介绍了她的实验室如何集成基于石墨烯的可饱和吸收剂，以及他们如何设法改进设备，以降低功耗，同时保持超快的响应时间。

他们通过设计一种光学天线阵列，将光聚焦到材料的纳米级间隙，即所谓的热点，以促进吸收，从而获得了这些重要的结果。通过将激光聚焦在这些热点上，他们观察到性能的提高和能量消耗的减少。

“石墨烯重量轻，具有快速的光学响应时间，但单层形式的吸收率低，”Yu Yao表示，“我们设计了这个装置，使纳米级热点的光吸收可以增加三个数量级以上，不仅可以产生强光吸收，还可以产生饱和吸收效果。通过GPSMA，我们正在制造一种饱和吸收装置，实际上可以将功耗降低近两到三个数量级。”

基于其显著提升的速度，他们的新技术将为红外激光光谱和高速光信号通信（光纤电缆和卫星通信）开辟新机遇。

“我们的设备可以以创纪录的高速度运行，”Yu Yao表示，“传统的可饱和吸收器可以在纳秒的时间尺度上工作，但现在我们可以达到大约60飞秒，比以前快了10万多倍。”

GPSMA目前在电磁波谱上的近红外波长上运行。由于石墨烯具有广泛的光学响应，它可以将其光谱覆盖范围扩展到红外光谱区域的更长的波长，这对分子光谱学和光通信具有重要意义。然而，对于较长的波长，传统上更难以实现饱和吸收并产生超短激光脉冲。因此，GPSMA设计概念可以填补这样的技术空白。

Yu Yao团队的设备在电信、能源和生物医学行业具有潜在的应用前景。这种吸收剂可用于提高光纤电缆的速度、效率和整体性能，为推进数据传输、太阳能电池性能和疾病检测成像技术开辟了机会。