石墨烯具有强烈的三阶非线性效应。这使其在微纳光子学、激光产业、生物成像等领域具有巨大的应用潜力。我国科学家制备出了国际上首个基于石墨烯三阶非线性光学效应的电光器件，电学的调控比可达几个数量级，有望为石墨烯产业提供一种杀手锏级别的高端应用。

石墨烯具有强烈的三阶非线性效应。这使其在微纳光子学、激光产业、生物成像等领域具有巨大的应用潜力。然而，过去的实验报道无法对石墨烯三阶非线性系数形成统一的观点，不同实验结果甚至有着高达6个数量级的差异。

研究人员采用离子凝胶技术制备石墨烯场效应晶体管器件，并通过大范围调控石墨烯中的载流子密度和化学势逐一控制相关量子共振跃迁通道的研究方法。研究发现，石墨烯中的化学势会强烈地影响其三阶非线性光学响应，而且不同的三阶非线性效应对化学势的依赖关系完全不同。

近日，复旦大学物理学系教授吴施伟课题组联合中科院长春光机所程晋罗副研究员、中国科学技术大学曾长淦教授、北京大学刘开辉研究员和加拿大多伦多大学的J. E. Sipe教授，利用离子凝胶技术（ion-gel）实现了石墨烯中三阶非线性和四波混频非线性光学现象的电学调控和增强效应，并通过理论推导揭示其内在的物理机制，研究成果以“Gate-tunable third-order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene”为题于伦敦时间5月21日在线发表于Nature Photonics上。

图1、基于离子凝胶调控技术的石墨烯场效应晶体管器件示意图

图2、不同化学势μ和光子能量下的THG信号强度

研究团队揭示了跃迁通道间的干涉效应在石墨烯非线性光学效应中的主导作用，澄清了之前国际上不同课题组在三阶非线性光学系数上分歧的来源，并且指出了通过化学势来大范围调控石墨烯非线性光学效应的途径。与此同时，本研究工作制备出了国际上首个基于石墨烯三阶非线性光学效应的电光器件，电学的调控比可达几个数量级。鉴于近年来石墨烯在大面积低成本生长制备方面的重大突破，这一电光调控机制有望为石墨烯产业提供一种杀手锏级别的高端应用。

中科院长春光机所郭春雷中美联合光子实验室的程晋罗副研究员，为此项研究工作提供了理论支持。