二维材料石墨烯由于其特殊的能带结构,具有优异的光学性能,一直是光学前沿研究热点。特别是,在太赫兹波段,石墨烯具有很强的三阶非线性极化率χ(3),受到领域内专家学者的广泛关注。然而尽管石墨烯的χ(3)较大,但是在很多情况下,其非线性转化效率依然不能满足实际应用需求,同时考虑到太赫兹波段高输出功率光源较难实现,因此如何增强石墨烯非线性光学效应是一个关键科学问题。针对这一问题,本论文重点围绕“石墨烯中三次谐波增强”,开展深入而系统的研究。我们设计了表面等离激元超表面,研究表明:利用局域表面等离激元共振可以大大增强石墨烯的三次谐波,当入射能量为10 KW/cm2时,效率可达5%。此外,我们还发现了增强非线性效应的新机制。主要内容如下:一、基于表面等离激元的石墨烯中三次谐波增强非线性超表面为增强光学非线性效应提供了新的范式。我们设计和研究了一个金属条带-介质层-金属板(Metal-Insulator-Metal,MIM)的超表面结构增强石墨烯中三次谐波产生(THG),在低太赫兹波段,当入射能量为10 KW/cm2时,效率可达5%。其物理机制是:通过MIM结构中的局域表面等离激元共振实现线性场的完美吸收,把所有入射能量都局域在石墨烯区域,由于线性局域场增强导致了很强的非线性效应。我们还系统地研究了金属条带的厚度与宽度、石墨烯费米能级对线性吸收及其基频共振频率fFF、THG输出功率及其共振所对应的基频fTH/3的影响。研究表明:不同参数有不同主导作用且金属条带在整个结构中扮演重要角色。此外还发现了随宽度变化时的“异常现象”非线性效应。二、非线性场共振诱导三次谐波增强本文还提出了一种增强三次谐波产生(THG)的新方法,其物理机制并不是利用线性场共振增强的传统方法,而基于非线性场共振。通过设计和研究一种具有混合导模和BIC(BIC:Bound states In the Continuum modes)的表面等离激元-石墨烯超表面,我们发现:产生的弱非线性场与这些模式相互作用导致的共振也可以增强石墨烯中三次谐波。在某些情况下,基于非线性场共振产生的THG 比基于传统方法:线性局域场增强,得到的THG效率更高。其物理本质是:非线性场共振大大增强了光子与光子的直接相互作用,从而使整个系统具有较大的有效非线性系数。这一发现为非线性光学超表面的研究提供了新的思路。此外,为了进一步揭示这个结果的演化规律,我们还系统研究了结构几何尺寸以及费米能级EF对共振频率、THG输出功率、THz共振谱Q因子等的影响。