石墨烯光学非线性：从三阶到非微扰电动力学 regime

我们发展了用于研究单层上超快脉冲传播（如含石墨烯纳米光子集成波导的情形）的石墨烯光学非线性非微扰模型。该石墨烯“热电子”模型（GHEM）基于早期针对 2D 半导体的费米-狄拉克框架工作，后者主要面向自由空间激光束照射下单层稳态吸收响应。我们的扩展将 GHEM 适配于强 ps 脉冲激发下沿石墨烯单层的面内光-物质相互作用，其导致载流子密度饱和 regime。我们首先定量概述“经典”微扰三阶非线性响应，然后研究石墨烯作为 GHEM 参数函数的静态与瞬态响应，重点关注单层质量和电压可调性。这些结果与可饱和吸收和非线性折射的唯象模型进行比较，显示出与近期实验工作的良好吻合。总之，GHEM 在单一多参数框架中统一了实验观察到的吸收与折射光学非线性，从而能够评估诸如衍射极限纳米光子波导等结构中的电压可调光-物质相互作用。该形式体系可轻易推广至 THz 频率，适配多通道（如泵浦-探测）非线性效应，或进一步发展以包含载流子和晶格温度扩散来拓展其有效阈值。