CN108023263B - 一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其具体结构包括：铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面形成有二维电子气；通过飞秒激光脉冲泵浦铁磁纳米层，激发超快自旋流从铁磁纳米层注入二维电子气中，二维电子气中的反Edelstein效应使超快自旋流转换为皮秒量级的瞬时电荷流，从而向两侧辐射出太赫兹脉冲；外加磁场施加于铁磁纳米层面内，改变外加磁场方向可调控太赫兹脉冲的偏振方向；在铁磁纳米层和底电极之间施加电压，可调控太赫兹脉冲的偏振、强度和频谱宽度；因此本发明可在单一器件上实现不同偏振、强度、频谱宽度等的太赫兹脉冲产生。

Description

一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器
技术领域
本发明涉及太赫兹光电器件技术，具体为一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器。
背景技术
太赫兹（THz）波是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波。太赫兹波具有许多独特性质，比如透射性、安全性、很强的光谱分辨本领等，这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景，包括太赫兹雷达和通信、光谱和成像、无损探伤、安全检测等方面。
太赫兹发生器是太赫兹系统的重要组成部分。现有常规的太赫兹脉冲产生，主要基于光整流、光电导天线、空气等离子体等。但这些太赫兹脉冲发生器，不能同时对产生的太赫兹脉冲的偏振、强度、频谱宽度等同时进行调控，从而满足相关的应用需求。
随着发展，出现利用新型太赫兹系列的发生器方案，比如公开号为CN105914564A，公开日2016年8月31日的中国发明专利申请，公开了一种高强度宽带太赫兹波发生器，基本结构包括：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）。该种发生器在使用时，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，通过改变磁场方向，可改变太赫兹光波的偏振方向。但是该种发生器，不能同时对太赫兹的偏振、强度、频谱宽度等进行调控，因此还不能完全达到需求。
发明内容
本发明提供了一种全新机理的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，能够在单一器件上实现不同偏振、强度、频谱宽度等的太赫兹脉冲产生。
为实现以上目的，本发明的技术方案是：
一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于：包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构，该多层结构依次为铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间形成有二维电子气；所述铁磁纳米层的外侧加飞秒激光脉冲；所述多层结构的铁磁纳米层施加面内磁场，用于调控太赫兹脉冲的偏振；所述多层结构的铁磁纳米层和底电极的之间加设电压，通过外加电压调控太赫兹脉冲的偏振、强度和频谱宽度等。
所述铁磁纳米层的材料可选用以下材料之一：Fe、Co、Ni单一成分或其合金，或者加入其它成分的合金，如CoFeB、Fe3Si；铁磁纳米层的厚度范围为1nm-10nm；LaAlO3纳米层的厚度范围为0.5nm-5nm。
所述二维电子气形成于LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间，飞秒激光脉冲泵浦铁磁纳米层，激发超快自旋流从铁磁纳米层注入二维电子气，二维电子气的反Edelstein效应使超快自旋流转换为皮秒量级的瞬时电荷流，从而使得所述发生器向两侧辐射出太赫兹脉冲。
所述外加磁场可通过磁场发生器提供，外加磁场可在铁磁纳米层面内旋转；磁场使铁磁纳米层在面内饱和磁化；产生的太赫兹脉冲的偏振方向与瞬时电荷流方向平行，而瞬时电荷流的方向与外加磁场垂直，改变外加磁场方向可调控太赫兹脉冲的偏振方向。
本发明提供外加电压施加于铁磁纳米层和底电极间，电压可调控二维电子气，从而调控自旋流和电荷流的转换性能，最终调控产生的太赫兹脉冲的偏振、强度、频谱宽度。
总体而言，本发明设计的发生器具有频谱宽、结构简单、易制备、成本低廉的特点，最关键的是可在单一器件上实现不同偏振、强度、频谱宽度等的太赫兹脉冲产生，为太赫兹的应用提供了更丰富的功能和选择。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中；1为飞秒激光脉冲，2为铁磁纳米层，3为LaAlO3纳米层，4为二维电子气，5为SrTiO3衬底，6为底电极，7为磁场，8为超快自旋流，9为瞬时电荷流，10为电压，11为背向出射的太赫兹脉冲，12为正向出射的太赫兹脉冲。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式做说明。
如图1所示的一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构2-6，飞秒激光脉冲1，外加磁场7，外加电压8。该多层结构依次包括：铁磁纳米层2，LaAlO3纳米层3，SrTiO3衬底5，LaAlO3纳米层3和SrTiO3衬底5界面间形成的二维电子气4，底电极6。
所述铁磁纳米层2可选用以下材料之一：Fe、Co、Ni单一成分或其合金，或者加入其它成分的合金，如CoFeB、Fe3Si; 铁磁纳米层2的厚度在1-10nm间变动；LaAlO3纳米层3的厚度在0.5nm-5nm间变动。
所述多层结构的制备方法为：在SrTiO3衬底5上利用激光脉冲沉积（PLD）生长LaAlO3纳米层3，然后选用激光脉冲沉积、磁控溅射或电子束蒸发等方法生长铁磁纳米层1和底电极6。
所述铁磁纳米层2的外侧加飞秒激光脉冲1。
所述铁磁纳米层2在面内施加外加磁场7，且外加磁场7可在面内旋转，用于调控太赫兹脉冲的偏振。外加磁场7的实现方式可以是：一种是利用四极电磁铁，通过调节施加在相对两极上的电流来旋转磁场；另一种是将磁铁固定在旋转支架上，旋转磁铁使磁场在面内旋转。
所述多层结构的铁磁纳米层2和底电极3之间引出导线，接入电压源正负极，从而对二维电子气4施加电压10，通过外加电压调控太赫兹脉冲的偏振、强度和频谱宽度等。
太赫兹脉冲产生的具体实施方法为：外加磁场7施加于铁磁纳米层2面内，飞秒激光脉冲1照射到铁磁纳米层2，激发超快自旋流8从铁磁纳米层2通过LaAlO3纳米层3注入二维电子气4；由于二维电子气4的反Edelstein效应，超快自旋流8转换为时间尺度为皮秒的瞬时电荷流9，从而产生背向出射的太赫兹脉冲11和正向出射的太赫兹脉冲12。
产生的太赫兹脉冲11、12的偏振方向与瞬时电荷流9方向平行，而瞬时电荷流9的方向与外加磁场7垂直，因此改变外加磁场7的方向可调控太赫兹脉冲11、12的偏振方向。
通过施加外加电压10调控二维电子气，从而调控超快自旋流8和瞬时电荷流9的转换性能，最终通过改变外加电压10的正负、大小调控太赫兹脉冲11、12的偏振、大小和频谱宽度等。
以上所公开的内容，只是作为本发明的较佳实施例，而不能以此限制本发明的权利范围，因此根据本发明权利要求保护范围所做的各种变化、修饰、或改进，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构，该多层结构依次为铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间形成有二维电子气；所述铁磁纳米层的外侧施加飞秒激光脉冲；所述多层结构的铁磁纳米层施加面内外加磁场，外加磁场在铁磁纳米层面内可旋转，改变外加磁场的方向可调控太赫兹脉冲的偏振方向；所述多层结构的铁磁纳米层和底电极之间加设电压，加设电压可调控二维电子气，通过改变外加电压的正负、大小调控太赫兹脉冲的偏振、强度、频谱宽度。
2.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述铁磁纳米层的材料选用以下材料之一：Fe、Co、Ni单一成分，或者其中任意一种的合金，或者其中任意两种组成的合金，或者三种组成的合金。
3.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述铁磁纳米层的厚度范围为1-10nm。
4.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述LaAlO3纳米层的厚度范围为0.5nm-5nm。
5.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，通过飞秒激光脉冲泵浦铁磁纳米层激发超快自旋流从铁磁纳米层注入二维电子气，二维电子气中的反Edelstein效应使超快自旋流转换为皮秒量级的瞬时电荷流，从而使得所述太赫兹脉冲发生器向两侧辐射出太赫兹脉冲。
6.根据权利要求5所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述外加磁场施加于铁磁纳米层面内使之饱和磁化，外加磁场在铁磁纳米层面内可旋转；所述太赫兹脉冲的偏振方向与瞬时电荷流的方向平行，而瞬时电荷流的方向与外加磁场垂直，因此通过改变外加磁场的方向调控太赫兹脉冲的偏振方向。
7.根据权利要求5或6所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述铁磁纳米层和底电极间的外加电压用于调控二维电子气，从而调控超快自旋流和瞬时电荷流的转换性能，最终调控产生的太赫兹脉冲的偏振、强度、频谱宽度。
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