CN105914564A - 一种高强度宽带太赫兹波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度宽带太赫兹波发生器，基本结构包括：(1)双面抛光基底、[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n或[非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层]n(n≥1，n为重复核心层个数)。使用时，外加磁场，磁场方向平行于薄膜平面，磁铁固定在旋转台上，通过改变磁场方向，改变太赫兹光波的偏振方向，太赫兹光波的偏振方向与磁场方向垂直。本发明利用铁磁/非磁性金属薄膜层中的反自旋霍尔效应产生THz脉冲，不仅可以得到频谱较宽的太赫兹脉冲，而且其强度可以与非线性晶体产生的THz光波相比拟，成本大大降低，为THz波今后更广泛的应用提供了良好的条件。

Description

一种高强度宽带太赫兹波发生器
技术领域
本发明涉及电磁波发生装置，尤其是太赫兹波发生器。
背景技术
太赫兹(Terahertz，1THz＝1012Hz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。相比于其他波段的电磁波，THz波有其独特的优势：1、低能性，太赫兹波段的光子能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏被探测物质，另外较低的能量对低温超导性能的探测具有重要作用；2、宽带性，单个THz脉冲可以达到几个THz频率的宽度，许多材料的振动能级或转动能级位于该THz波段，如爆炸物分子在该波段具有明显的吸收峰，因此可以为安检设备提供有效的补充；3、穿透性，太赫兹光波对于很多非极性绝缘物质，如硬纸板或塑料等具有很高的透过率，因此可以在安检中发挥重要作用；4、瞬态性，太赫兹脉冲的脉宽在皮秒量级，对各种材料的时间分辨研究具有重要意义。THz光波以其众多优势，在众多领域得到广泛研究和应用，在成像、物质结构分析和无损探测等领域展现了良好的应用前景。
太赫兹源是太赫兹系统重要部分。产生THz光波的方法有很多,但是常用的产生宽带超快THz脉冲主要是通过光整流和光导天线方法。光整流方法产生THz脉冲主要是基于非线性晶体(如ZnTe晶体、GaP晶体以及OH1有机晶体)和飞秒激光脉冲。通过飞秒激光脉冲在晶体内发生非线性作用,辐射出THz脉冲。该方法产生的THz脉冲频谱较宽,但是晶体价格较高。另一种方法是光导天线方法，该方法是通过在高电阻率的材料(GaAs、InP或Si晶片)上加上金属电极来实现的。超短脉冲激发出材料中的电子空穴对，金属电极对电子空穴对加速，产生瞬态的光电流，这种快速的，随时间变化的电流辐射出的电磁波就是THz脉冲。该方法产生的THz脉冲功率较强，但是频谱较窄。
综上所述，常用的THz产生的方法都有其局限性。因此发展一种频谱较宽的、稳定的、低成本的THz源是目前迫切解决的问题。近期，提出的一种在铁磁薄膜和非铁磁薄膜界面产生THz产生方法，但是该方法产生的THz脉冲能量较低。
发明内容
鉴于现有THz辐射源存在以上问题，结合之前的研究现状，提出一种多层Fe/Pt纳米薄膜的脉冲THz发生器。该太赫兹发生器结构简单，产生的THz波具有较宽的频率范围(约2.5THz左右)，光波强度和非线性晶体产生的THz波强度接近，同时该脉冲THz发生器与非线性晶体相比，产生的光波特性接近，但是大大降低了成本，具有较高的应用价值。
为实现以上目的，本发明采取技术方案是：一种高强度宽带太赫兹波发生器，由飞秒激光脉冲光源、THz脉冲发生器和作用于THz脉冲发生器的磁场构成：脉冲THz波发生器以[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n或[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n为核心层，n≥1；单或多核心层生长在双面抛光的基底上构成；所述基底为双面抛光的Al2O3或MgO；所述非磁性金属薄膜和铁磁薄膜为纳米薄膜；磁场平行于薄膜平面加在纳米薄膜两侧。
所述基底为双面抛光(氧化镁，氧化铝，氧化硅，氧化钛，氧化锌，氧化锆，氧化锗，氧化返，氧化钇，氧化镧，氧化锡中的一种)；所述非磁性金属薄膜和铁磁薄膜为纳米薄膜。
基于一层或多层铁磁/金属纳米薄膜(如Fe/Pt)的THz脉冲发生器，构成[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n或[非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层]n的结构，(n≥1，n为核心层个数)。所述THz脉冲发生器是用非磁性金属和铁磁薄膜(如Pt和Fe)依次生长在双面抛光的基底上(如MgO和Al2O3)，非磁性金属或铁磁薄膜的厚度为0.2-10nm。
为得到较强的THz光波强度，在基底上生长多层[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n或[非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层]n薄膜(如：[Fe/Pt/MgO]n或[Pt/Fe/MgO]n，n≥1)，在每个非磁性金属薄膜/铁磁薄膜层产生的THz光波强度叠加，大大增强了THz光波强度。
所述的脉冲THz波发生器产生的THz光波能量是由超快激光提供。飞秒激光脉冲入射到该THz发生器，依次通过(1)基底、非磁性金属薄膜和铁磁薄膜，或(2)基底、铁磁薄膜和非磁性金属薄膜。THz光波在铁磁薄膜/非磁性金属薄膜层内产生，沿激光传播方向传播。
所述的脉冲THz发生器产生的THz光波具有良好的偏振特性，偏振方向与磁场方向垂直，为得到任意偏振方向的THz光波，将磁铁固定在旋转平台上，通过改变磁场方向，可以获得任意偏振方向的THz光波。
附图说明
图1为单层重复单元构成的THz发生器结构示意图其中：图(a)为非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层；图(b)为铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层。
图2为多层重复单元构成的THz发生器结构示意图。其中图(a)为[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n；图(b)为[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n。
图3为基于该脉冲THz波发生器产生的时域THz信号，以及频域内的THz信号的对照图。
图4为该THz发生器产生的THz脉冲与相同条件下的GaP产生的THz脉冲对比。
图中：1为飞秒激光脉冲，2为基底，3为金属纳米薄膜，4为铁磁纳米薄膜，5为能透射THz波的绝缘层(例如：MgO)，6为多层薄膜重复单元，7为磁场，8为THz脉冲。
具体实施方式
通过附图所示内容(测试结果以Fe/Pt为例，可到外推其它铁磁薄膜/非磁性金属薄膜材料)。本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。
以下结合附图说明本发明的实施方式。
本发明涉及一种基于铁磁/金属纳米薄膜的脉冲THz发生器，本发明的核心部分结构如图1所示，该脉冲THz发生器包括：双面抛光的基底2、金属纳米薄膜3、铁磁纳米薄膜4、能透射THz波的绝缘层5。图2是多层[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层薄膜]或[非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层]结构示意图，6为薄膜重复单元。
具体的实施方法为：飞秒激光发射出的超短脉冲透过基底入射到被磁化的铁磁纳米薄膜中，激发出的自旋电子流进入非磁性金属薄膜内，由于反自旋霍尔效应，在非磁性金属薄膜内运动的自旋电子流发生横向偏移，形成平行于表面的横向电子流分量，该电子流的形成和消失辐射出THz脉冲。在铁磁薄膜/非磁性金属薄膜层内产生的THz脉冲平行于光束向前或向后传播。
上述THz光波在铁磁薄膜/非磁性金属薄膜层内产生，多个铁磁薄膜/非磁性金属薄膜层累加起来会使THz光波强度增强。因此该发明以[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层薄膜]或[非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层]三层薄膜作为重复单元，制作成多层的铁磁/非磁性金属薄膜界面，可以通过对薄膜层数的优化，以3层薄膜得到的信号强度最大。
上述方法产生THz光波的偏振方向以垂直于磁场7方向为主。因此为获得不同偏振方向的THz光波，可以通过旋转磁场方向来实现，多层薄膜固定不动，而通过转动旋转台来改变磁场方向，从而获得不同偏振方向的THz光波。
实施例
本实施实例脉冲THz发生器是由3层铁/铂薄膜组成，如图2所示，飞秒激光波长为800nm，脉宽为50fs，频率为1000Hz，功率为70mW。激光光波入射到脉冲THz发生器上，产生的THz光波时域和频域信号如图3所示，该THz光波是通过非线性晶体ZnTe来探测的，THz光波脉冲宽度约为1ps，傅里叶变换之后的频谱宽度大于2.5THz，其产生的THz信号的强度比非线性晶体GaP信号要强。因此该方法可以产生较强的THz光波同时具有较宽的频谱范围。
采用本发明的基本方案，在实际实施过程中，可根据实际需要做出多种变化,例如：各纳米薄膜可刻蚀成由一些基本图形：直线、圆、多边形式样，成为不同性能的THz发生器。铁磁薄膜可用以下物质之一构成：Fe、Co、Ni、CoFe单一成份或其合金。非磁性金属薄膜可用以下物质之一构成：Au、Ag、Pt、Bi、Bi2Se3。

Claims (8)

1.一种高强度宽带太赫兹波发生器，由飞秒激光脉冲光源、THz脉冲发生器和作用于THz脉冲发生器的磁场构成，其特征在于，脉冲THz波发生器以[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n或[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n为核心层，n≥1；单或多核心层生长在双面抛光的基底上；所述基底为双面抛光的Al2O3或MgO；所述非磁性金属薄膜和铁磁薄膜为纳米薄膜；磁场平行于薄膜平面加在纳米薄膜两侧。
2.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，铁磁薄膜或非磁性金属薄膜材料厚度在1到10nm内变动。
3.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，各单元膜层依次在双面抛光基底上生长1到10层。
4.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，所述铁磁薄膜为Fe纳米薄膜；非磁性金属薄膜为Pt纳米薄膜；能透射THz波的绝缘层采用MgO薄膜；构成[Fe/Pt/MgO]n或[Pt/Fe/MgO]n太赫兹波发生器，n≥1。
5.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，所述各纳米薄膜刻蚀成各种式样，成为不同性能的THz发生器；所述式样由一些基本图形：直线、圆、多边形组成。
6.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，所述铁磁薄膜可用以下物质之一构成：Fe、Co、Ni、CoFe单一成份或其合金。
7.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，所述非磁性金属薄膜可用以下物质之一构成：Au、Ag、Pt、Bi、Bi2Se3。
8.根据权利要求1所述的高强度宽带太赫兹波发生器，其特征在于，所述基底采用如下材料中的一种：氧化镁，氧化铝，氧化硅，氧化钛，氧化锌，氧化锆，氧化锗，氧化钒，氧化钇，氧化镧，氧化锡。
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