CN108963724A - 介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器 - Google Patents

介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种介质‑金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器，所述介质‑金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：[介质层/金属层]n/绝缘衬底；其中，n为1～10之间的整数；所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。与现有技术相比，本发明提供的介质‑金属光子晶体采用特定结构，一方面能够更大程度上吸收激光能量，激发每个金属层产生太赫兹脉冲，另一方面能够使每个金属层产生的太赫兹波相干叠加，从而使太赫兹强度获得极大增强；应用于太赫兹脉冲发生器能够最大限度的利用飞秒激光能量，从而极大地提升太赫兹强度，且频谱宽、偏振可调。

Description

介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器
技术领域
本发明涉及太赫兹光电器件技术领域，更具体地说，是涉及介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器。
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；但它们在成本、频谱、简便性等方面各自有一些弱点。近几年发展起来的基于铁磁/非磁薄膜中超快自旋过程的太赫兹脉冲发生器，在成本、频谱、简便性等方面具有很大优势，但其发射强度存在一定限制；一个重要的原因是它只吸收一小部分飞秒激光能量，从而限制了它的产生效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器，本发明提供的太赫兹脉冲发生器能够最大限度的利用飞秒激光能量，从而极大地提升太赫兹强度。
本发明提供了一种介质-金属光子晶体，具有式(I)所示的多层复合结构：
[介质层/金属层]n/绝缘衬底 式(I)；
式(I)中，n为1～10之间的整数；
所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。
优选的，所述金属层为磁性/非磁性双层纳米薄膜或非磁性/磁性/非磁性三层纳米薄膜。
优选的，所述磁性纳米薄膜的材质包括Fe、Co、Ni、FeNi、CoFe、CoFeB、Fe3Si、YIG、Fe3O4、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19中的一种或多种；
所述磁性纳米薄膜的厚度为0.1nm～10nm。
优选的，所述非磁性纳米薄膜的材质包括Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、PtBi、CuBi、CuIr、CuPb、Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te、Bi2Te2Se、Sn-dopedBi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3、α-Sn、TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2、ZrSiS、石墨烯和MoS2中的一种或多种；
所述非磁性纳米薄膜的厚度为0.1nm～10nm。
优选的，所述介质层的材质包括Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2和Y2O3中的一种或多种；
所述介质层的厚度为25nm～2000nm。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的介质-金属光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
a)在绝缘衬底上周期性依次沉积金属层和介质层，得到介质-金属光子晶体；所述介质-金属光子晶体具有式(I)所示的多层复合结构：
[介质层/金属层]n/绝缘衬底 式(I)；
式(I)中，n为1～10之间的整数；
所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。
优选的，步骤a)中所述在绝缘衬底上周期性依次沉积金属层和介质层的过程具体为：
在绝缘衬底上交替沉积磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜形成金属层，再在形成的金属层上沉积介质层，然后以所述介质层为新的沉积衬底周期性依次沉积上述金属层和介质层，得到介质-金属光子晶体。
优选的，步骤a)中所述沉积的方式为激光脉冲沉积、磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积。
本发明还提供了一种太赫兹脉冲发生器，由飞秒激光脉冲源、介质-金属光子晶体和外加可旋转磁场构成；
所述介质-金属光子晶体为上述技术方案所述的介质-金属光子晶体或上述技术方案所述的制备方法制备得到的介质-金属光子晶体；
所述飞秒激光脉冲源与所述介质-金属光子晶体的介质层相对；
所述外加可旋转磁场平行施加于所述介质-金属光子晶体的磁性纳米薄膜平面。
优选的，所述飞秒激光脉冲源的飞秒激光波长为200nm～2000nm。
本发明提供了一种介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器，所述介质-金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：[介质层/金属层]n/绝缘衬底；其中，n为1～10之间的整数；所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。与现有技术相比，本发明提供的介质-金属光子晶体采用特定结构，一方面能够更大程度上吸收激光能量，激发每个金属层产生太赫兹脉冲，另一方面能够使每个金属层产生的太赫兹波相干叠加，从而使太赫兹强度获得极大增强；应用于太赫兹脉冲发生器能够最大限度的利用飞秒激光能量，从而极大地提升太赫兹强度，且频谱宽、偏振可调。实验结果表明，本发明提供的介质-金属光子晶体的激光吸收率大于80％，产生的太赫兹脉冲强度与商用ZnTe晶体相当。
另外，本发明提供的太赫兹脉冲发生器结构简单、成本低，可替代昂贵窄带宽的商用电光晶体太赫兹发生器，为太赫兹波的应用提供更优质的选择。
附图说明
图1为本发明实施例提供的介质-金属光子晶体的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的金属层为磁性/非磁性双层纳米薄膜的介质-金属光子晶体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的金属层为非磁性/磁性/非磁性双层纳米薄膜的介质-金属光子晶体的结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的太赫兹脉冲发生器的结构及工作过程示意图；
图5为本发明实施例3提供的太赫兹脉冲发生器与商用ZnTe晶体发生器产生的太赫兹脉冲的技术效果对比图；
图6为本发明实施例4提供的太赫兹脉冲发生器的结构及工作过程示意图；
图7为本发明实施例4提供的太赫兹脉冲发生器与商用ZnTe晶体发生器产生的太赫兹脉冲的技术效果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种介质-金属光子晶体，具有式(I)所示的多层复合结构：
[介质层/金属层]n/绝缘衬底 式(I)；
式(I)中，n为1～10之间的整数；
所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的介质-金属光子晶体的结构示意图；其中，1为绝缘衬底，2为介质层，3为金属层，4为[介质层/金属层]周期单元，5为磁性纳米薄膜，6和为非磁性纳米薄膜，6’为非磁性纳米薄膜。
在本发明中，所述绝缘衬底的材质优选包括Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2和Y2O3中的一种或多种，更优选为MgO。在本发明中，所述绝缘衬底能够透射太赫兹波，本发明对此没有特殊限制。在本发明中，所述绝缘衬底的厚度优选为0.1mm～2mm，更优选为0.5mm。
在本发明中，所述绝缘衬底上依次复合有n个[介质层/金属层]周期单元；其中，n为周期数，具体为1～10之间的整数，优选为3。在本发明中，所述[介质层/金属层]周期单元中的金属层与所述结缘衬底接触。在本发明中，所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。由此可知，当n＝1时，所述绝缘衬底依次复合金属层和介质层；当n＝2时，所述绝缘衬底依次复合金属层、介质层、金属层和介质层；当n＝3时，所述绝缘衬底依次复合金属层、介质层、金属层、介质层、金属层和介质层；以此类推。
在本发明中，所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构，优选为磁性/非磁性双层纳米薄膜或非磁性/磁性/非磁性三层纳米薄膜。在本发明优选的实施例中，所述非磁性/磁性/非磁性三层纳米薄膜中，两侧的非磁性材料不同。
在本发明中，所述磁性纳米薄膜的材质优选包括Fe、Co、Ni、FeNi、CoFe、CoFeB、Fe3Si、YIG、Fe3O4、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19中的一种或多种，更优选为Fe。在本发明中，上述磁性纳米薄膜的材质可分为铁磁材料和亚铁磁材料；其中，所述铁磁材料包括Fe、Co、Ni单一成分及其合金(如FeNi、CoFe)，以及加入其它成分的合金，如CoFeB、Fe3Si；所述亚铁磁材料包括YIG、Fe3O4、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19。在本发明中，所述磁性纳米薄膜的厚度优选为0.1nm～10nm，更优选为1nm～5nm。
在本发明中，所述非磁性纳米薄膜的材质优选包括Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、PtBi、CuBi、CuIr、CuPb、Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te、Bi2Te2Se、Sn-doped Bi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3、α-Sn、TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2、ZrSiS、石墨烯和MoS2中的一种或多种，更优选为Pt或W。在本发明中，上述非磁性纳米薄膜的材质可分为非磁金属薄膜材料、拓扑绝缘体薄膜材料、外尔半金属薄膜材料和二维材料；其中，所述非磁金属薄膜材料包括Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、PtBi、CuBi、CuIr和CuPb；所述拓扑绝缘体薄膜材料包括Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te、Bi2Te2Se、Sn-doped Bi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3和α-Sn；所述外尔半金属薄膜材料包括TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2和ZrSiS；所述二维材料包括石墨烯和MoS2。在本发明中，所述非磁性纳米薄膜的厚度优选为0.1nm～10nm，更优选为1nm～5nm。
在本发明优选的实施例中，所述金属层为磁性/非磁性双层纳米薄膜，参见图2所示；其中，非磁层为自旋霍尔角大的材料。在本发明另一个优选的实施例中，所述金属层为非磁性/磁性/非磁性三层纳米薄膜，参见图3所示；其中，左侧非磁层和右侧非磁层均为自旋霍尔角大的材料，且两侧的自旋霍尔角符号相反。在本发明中，飞秒激光激发超快自旋流从磁性纳米薄膜进入非磁性纳米薄膜，非磁性纳米薄膜的反自旋霍尔效应使超快自旋流转换成时间尺度为皮秒的瞬时电荷流，从而使金属层向两侧辐射太赫兹脉冲；同时，各个金属层产生的太赫兹波能够相干叠加从而使太赫兹强度获得极大增强。
在本发明中，所述介质层的材质优选包括Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2和Y2O3中的一种或多种，更优选为SiO2。在本发明中，所述介质层能够透射太赫兹波。本发明通过调节周期数n和所述介质层的厚度，能够更大程度上吸收激光能量，从而激发每个金属层产生太赫兹脉冲；并且激光能量局域在金属层，从而最大限度的利用激光能量，极大地提升太赫兹强度。在本发明中，飞秒激光脉冲源的波长优选为200nm～2000nm，为使激光能量吸收率大于80％，设置介质层的厚度在激光的1/8到1个波长。在本发明中，所述介质层的厚度优选为25nm～2000nm，更优选为80nm～140nm。
在本发明中，所述介质层优选与所述金属层中的非磁性纳米薄膜直接接触。在本发明优选的实施例中，所述金属层为磁性/非磁性双层纳米薄膜，此时，所述介质-金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：[介质层/非磁性双层纳米薄膜/磁性双层纳米薄膜]n/绝缘衬底。在本发明另一个优选的实施例中，所述金属层为非磁性/磁性/非磁性三层纳米薄膜，此时，所述介质-金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：[介质层/非磁性双层纳米薄膜/磁性双层纳米薄膜/非磁性双层纳米薄膜]n/绝缘衬底。
本发明提供的介质-金属光子晶体采用特定结构，一方面能够更大程度上吸收激光能量，激发每个金属层产生太赫兹脉冲，另一方面能够使每个金属层产生的太赫兹波相干叠加，从而使太赫兹强度获得极大增强。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的介质-金属光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
a)在绝缘衬底上周期性依次沉积金属层和介质层，得到介质-金属光子晶体；所述介质-金属光子晶体具有式(I)所示的多层复合结构：
[介质层/金属层]n/绝缘衬底 式(I)；
式(I)中，n为1～10之间的整数；
所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。
在本发明中，所述绝缘衬底、金属层和介质层与上述技术方案中所述的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述在绝缘衬底上周期性依次沉积金属层和介质层的过程优选具体为：
在绝缘衬底上交替沉积磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜形成金属层，再在形成的金属层上沉积介质层，然后以所述介质层为新的沉积衬底周期性依次沉积上述金属层和介质层，得到介质-金属光子晶体。
在本发明中，所述沉积的方式优选为激光脉冲沉积、磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积，更优选为磁控溅射沉积。
本发明还提供了一种太赫兹脉冲发生器，由飞秒激光脉冲源、介质-金属光子晶体和外加可旋转磁场构成；
所述介质-金属光子晶体为上述技术方案所述的介质-金属光子晶体或上述技术方案所述的制备方法制备得到的介质-金属光子晶体；
所述飞秒激光脉冲源与所述介质-金属光子晶体的介质层相对；
所述外加可旋转磁场平行施加于所述介质-金属光子晶体的磁性纳米薄膜平面。
在本发明中，所述飞秒激光脉冲源为飞秒激光振荡器或飞秒激光放大器，本发明对此没有特殊限制。在本发明中，所述飞秒激光脉冲源的飞秒激光波长优选为200nm～2000nm，更优选为800nm。
在本发明中，所述飞秒激光脉冲源与所述介质-金属光子晶体的介质层相对，从而使所述飞秒激光脉冲源的飞秒激光由此进入所述介质-金属光子晶体。
在本发明中，所述介质-金属光子晶体为上述技术方案所述的介质-金属光子晶体或上述技术方案所述的制备方法制备得到的介质-金属光子晶体，在此不再赘述。
在本发明中，所述外加可旋转磁场平行施加于所述介质-金属光子晶体的磁性纳米薄膜平面，从而使所述磁性纳米薄膜饱和磁化。在本发明中，所述外加可旋转磁场能够在所述磁性纳米薄膜平面进行面内旋转，从而调控太赫兹脉冲的偏振方向。在本发明中，所述外加可旋转磁场优选通过四极电磁铁实现，或者通过旋转样品架上的磁铁实现；具体为：(1)通过四极电磁铁实现：通过调节施加在相对两极上的电流来旋转磁场；(2)通过旋转样品架上的磁铁实现：将磁铁固定在旋转支架上，旋转磁铁使磁场在面内旋转；本发明对此没有特殊限制。
本发明提供了一种介质-金属光子晶体、其制备方法和太赫兹脉冲发生器，所述介质-金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：[介质层/金属层]n/绝缘衬底；其中，n为1～10之间的整数；所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。与现有技术相比，本发明提供的介质-金属光子晶体采用特定结构，一方面能够更大程度上吸收激光能量，激发每个金属层产生太赫兹脉冲，另一方面能够使每个金属层产生的太赫兹波相干叠加，从而使太赫兹强度获得极大增强；应用于太赫兹脉冲发生器能够最大限度的利用飞秒激光能量，从而极大地提升太赫兹强度，且频谱宽、偏振可调。实验结果表明，本发明提供的介质-金属光子晶体的激光吸收率大于80％，产生的太赫兹脉冲强度与商用ZnTe晶体相当。
另外，本发明提供的太赫兹脉冲发生器结构简单、成本低，可替代昂贵窄带宽的商用电光晶体太赫兹发生器，为太赫兹波的应用提供更优质的选择。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
将厚度为0.5mm的MgO绝缘衬底放入磁控溅射真空腔抽真空，真空度达到10-5Pa时开始溅射；首先利用直流磁控溅射在MgO绝缘衬底上生长2nm厚的Fe磁性纳米薄膜，然后利用直流磁控溅射在Fe磁性纳米薄膜上生长2nm厚的Pt非磁性纳米薄膜，从而形成金属层；接着利用射频磁控溅射在Pt非磁性纳米薄膜上生长90nm厚的SiO2介质层，形成[介质层/金属层]周期单元；以上形成[介质层/金属层]周期单元过程重复3次，得到介质-金属光子晶体；
所述介质-金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：
[SiO2介质层/Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜]3/MgO绝缘衬底。
实施例2
将厚度为0.5mm的MgO绝缘衬底放入磁控溅射真空腔抽真空，真空度达到10-5Pa时开始溅射；首先利用直流磁控溅射在MgO绝缘衬底上生长2nm厚的W非磁性纳米薄膜，然后利用直流磁控溅射在W非磁性纳米薄膜上生长2nm厚的Fe磁性纳米薄膜，再利用直流磁控溅射在Fe磁性纳米薄膜上生长2nm厚的Pt非磁性纳米薄膜，从而形成金属层；接着利用射频磁控溅射在Pt非磁性纳米薄膜上生长110nm厚的SiO2介质层，形成[介质层/金属层]周期单元；以上形成[介质层/金属层]周期单元过程重复3次，得到介质-金属光子晶体；
所述介质-金属光子晶体具有下式所示的多层复合结构：
[SiO2介质层/Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜/W非磁性纳米薄膜]3/MgO绝缘衬底。
实施例3
采用实施例1提供的介质-金属光子晶体与飞秒激光脉冲源、外加可旋转磁场构成太赫兹脉冲发生器；具体结构及工作过程参见图4所示。其中，1为MgO绝缘衬底，2为SiO2介质层，3为Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜金属层，4为[SiO2介质层/Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜金属层]周期单元，5为Fe磁性纳米薄膜，6为Pt非磁性纳米薄膜，7为飞秒激光脉冲源，8为外加可旋转磁场，9为Fe磁性纳米薄膜磁化强度，10为正向出射的太赫兹脉冲，11为反向出射的太赫兹脉冲。
本发明实施例3提供的太赫兹脉冲发生器的工作过程具体为：
飞秒激光脉冲源(1)从SiO2介质层(2)侧照射介质-金属光子晶体，飞秒激光垂直入射介质-金属光子晶体，飞秒激光的波长为800nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为100fs，功率为350mW；激光在所述介质-金属光子晶体的结构中传输，由于多重散射和干涉，使80％以上的激光能量被吸收，且局域在Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜金属层(3)内；外加可旋转磁场(8)施加于所述介质-金属光子晶体的Fe磁性纳米薄膜(5)平面面内，使Fe磁性纳米薄膜磁化强度(9)指向磁场方向；Fe磁性纳米薄膜(5)受激光激发，产生超快自旋流从Fe磁性纳米薄膜(5)注入到Pt非磁性纳米薄膜(6)内；由于反自旋霍尔效应，超快自旋流转换成时间尺度为皮秒的瞬时电荷流，从而使Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜金属层(3)发射太赫兹脉冲；改变外加可旋转磁场(8)的方向从而改变Fe磁性纳米薄膜磁化强度(9)的取向，最终调控太赫兹脉冲(10)和(11)的偏振方向；激光能量80％以上被吸收，且各个金属层产生的太赫兹波相干叠加，使所述介质-金属光子晶体向两侧辐射的太赫兹脉冲(10)和(11)获得极大增强。
利用功率计测得反射功率、透射功率，计算获得激光吸收率为85％。利用电光采样方法探测其发射的太赫兹脉冲，并与商用太赫兹发生器ZnTe晶体进行对比，技术效果对比图参见图5所示。由图5可知，本发明实施例3提供的太赫兹脉冲发生器产生的太赫兹脉冲强度与商用ZnTe晶体接近。
实施例4
采用实施例2提供的介质-金属光子晶体与飞秒激光脉冲源、外加可旋转磁场构成太赫兹脉冲发生器；具体结构及工作过程参见图6所示。其中，1为MgO绝缘衬底，2为SiO2介质层，3为Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜/W非磁性纳米薄膜金属层，4为[SiO2介质层/Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜/W非磁性纳米薄膜金属层]周期单元，5为Fe磁性纳米薄膜，6为Pt非磁性纳米薄膜，6’为W非磁性纳米薄膜，7为飞秒激光脉冲源，8为外加可旋转磁场，9为Fe磁性纳米薄膜磁化强度，10为正向出射的太赫兹脉冲，11为反向出射的太赫兹脉冲。
本发明实施例4提供的太赫兹脉冲发生器的工作过程具体为：
飞秒激光脉冲源(1)从SiO2介质层(2)侧照射介质-金属光子晶体，飞秒激光垂直入射介质-金属光子晶体，飞秒激光的波长为800nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为100fs，功率为350mW；激光在所述介质-金属光子晶体的结构中传输，由于多重散射和干涉，使80％以上的激光能量被吸收，且局域在Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜/W非磁性纳米薄膜金属层(3)内；外加可旋转磁场(8)施加于所述介质-金属光子晶体的Fe磁性纳米薄膜(5)平面面内，使Fe磁性纳米薄膜磁化强度(9)指向磁场方向；Fe磁性纳米薄膜(5)受激光激发，产生超快自旋流从Fe磁性纳米薄膜(5)注入到Pt非磁性纳米薄膜(6)和W非磁性纳米薄膜(6’)内；由于反自旋霍尔效应，超快自旋流转换成时间尺度为皮秒的瞬时电荷流，从而使Pt非磁性纳米薄膜/Fe磁性纳米薄膜/W非磁性纳米薄膜金属层(3)发射太赫兹脉冲；改变外加可旋转磁场(8)的方向从而改变Fe磁性纳米薄膜磁化强度(9)的取向，最终调控太赫兹脉冲(10)和(11)的偏振方向；激光能量80％以上被吸收，且各个金属层产生的太赫兹波相干叠加，使所述介质-金属光子晶体向两侧辐射的太赫兹脉冲(10)和(11)获得极大增强。
利用功率计测得反射功率、透射功率，计算获得激光吸收率为94％。利用电光采样方法探测其发射的太赫兹脉冲，并与商用太赫兹发生器ZnTe晶体进行对比，技术效果对比图参见图7所示。由图7可知，本发明实施例4提供的太赫兹脉冲发生器产生的太赫兹脉冲强度与商用ZnTe晶体相当。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种介质-金属光子晶体，具有式(I)所示的多层复合结构：
[介质层/金属层]n/绝缘衬底 式(I)；
式(I)中，n为1～10之间的整数；
所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。
2.根据权利要求1所述的介质-金属光子晶体，其特征在于，所述金属层为磁性/非磁性双层纳米薄膜或非磁性/磁性/非磁性三层纳米薄膜。
3.根据权利要求1所述的介质-金属光子晶体，其特征在于，所述磁性纳米薄膜的材质包括Fe、Co、Ni、FeNi、CoFe、CoFeB、Fe3Si、YIG、Fe3O4、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19中的一种或多种；
所述磁性纳米薄膜的厚度为0.1nm～10nm。
4.根据权利要求1所述的介质-金属光子晶体，其特征在于，所述非磁性纳米薄膜的材质包括Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、PtBi、CuBi、CuIr、CuPb、Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te、Bi2Te2Se、Sn-dopedBi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3、α-Sn、TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2、ZrSiS、石墨烯和MoS2中的一种或多种；
所述非磁性纳米薄膜的厚度为0.1nm～10nm。
5.根据权利要求1所述的介质-金属光子晶体，其特征在于，所述介质层的材质包括Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2和Y2O3中的一种或多种；
所述介质层的厚度为25nm～2000nm。
6.一种权利要求1～5任一项所述的介质-金属光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
a)在绝缘衬底上周期性依次沉积金属层和介质层，得到介质-金属光子晶体；所述介质-金属光子晶体具有式(I)所示的多层复合结构：
[介质层/金属层]n/绝缘衬底 式(I)；
式(I)中，n为1～10之间的整数；
所述金属层为磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜交替复合形成的多层结构。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述在绝缘衬底上周期性依次沉积金属层和介质层的过程具体为：
在绝缘衬底上交替沉积磁性纳米薄膜和非磁性纳米薄膜形成金属层，再在形成的金属层上沉积介质层，然后以所述介质层为新的沉积衬底周期性依次沉积上述金属层和介质层，得到介质-金属光子晶体。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述沉积的方式为激光脉冲沉积、磁控溅射沉积或电子束蒸发沉积。
9.一种太赫兹脉冲发生器，由飞秒激光脉冲源、介质-金属光子晶体和外加可旋转磁场构成；
所述介质-金属光子晶体为权利要求1～5任一项所述的介质-金属光子晶体或权利要求6～8任一项所述的制备方法制备得到的介质-金属光子晶体；
所述飞秒激光脉冲源与所述介质-金属光子晶体的介质层相对；
所述外加可旋转磁场平行施加于所述介质-金属光子晶体的磁性纳米薄膜平面。
10.根据权利要求9所述的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述飞秒激光脉冲源的飞秒激光波长为200nm～2000nm。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109411993A (zh) * 2018-12-28 2019-03-01 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器
CN109581781A (zh) * 2019-01-31 2019-04-05 湖南师范大学 一种基于光子晶体拓扑态的低阈值光学双稳态器件
CN109672071A (zh) * 2019-01-03 2019-04-23 北京航空航天大学 一种自旋太赫兹发射器及太赫兹波的产生方法
CN109830874A (zh) * 2019-04-08 2019-05-31 北京航空航天大学 一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器
CN110518439A (zh) * 2019-09-06 2019-11-29 电子科技大学 一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法
CN110867717A (zh) * 2019-11-22 2020-03-06 北京航空航天大学 一种基于拓扑绝缘体的偏振可调谐太赫兹波发射装置
CN111082287A (zh) * 2019-12-19 2020-04-28 西北大学 一种MoSe2/铁磁金属太赫兹辐射源、制备及太赫兹波激发方法
CN111697415A (zh) * 2020-06-04 2020-09-22 上海理工大学 一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法
CN112909711A (zh) * 2021-03-23 2021-06-04 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种偏振可调控的太赫兹发生器
CN113964627A (zh) * 2021-10-19 2022-01-21 中国科学技术大学 一种性能可调的太赫兹波发射器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102358936A (zh) * 2011-09-21 2012-02-22 太原理工大学 一种光子晶体多层膜的制备方法
CN105914564A (zh) * 2016-06-14 2016-08-31 西南交通大学 一种高强度宽带太赫兹波发生器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102358936A (zh) * 2011-09-21 2012-02-22 太原理工大学 一种光子晶体多层膜的制备方法
CN105914564A (zh) * 2016-06-14 2016-08-31 西南交通大学 一种高强度宽带太赫兹波发生器

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109411993A (zh) * 2018-12-28 2019-03-01 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器
CN109672071A (zh) * 2019-01-03 2019-04-23 北京航空航天大学 一种自旋太赫兹发射器及太赫兹波的产生方法
CN109581781A (zh) * 2019-01-31 2019-04-05 湖南师范大学 一种基于光子晶体拓扑态的低阈值光学双稳态器件
CN109830874A (zh) * 2019-04-08 2019-05-31 北京航空航天大学 一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器
CN109830874B (zh) * 2019-04-08 2024-05-07 北京航空航天大学 一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器
CN110518439A (zh) * 2019-09-06 2019-11-29 电子科技大学 一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法
CN110867717B (zh) * 2019-11-22 2022-01-14 北京航空航天大学 一种基于拓扑绝缘体的偏振可调谐太赫兹波发射装置
CN110867717A (zh) * 2019-11-22 2020-03-06 北京航空航天大学 一种基于拓扑绝缘体的偏振可调谐太赫兹波发射装置
CN111082287A (zh) * 2019-12-19 2020-04-28 西北大学 一种MoSe2/铁磁金属太赫兹辐射源、制备及太赫兹波激发方法
CN111082287B (zh) * 2019-12-19 2022-02-18 西北大学 一种MoSe2/铁磁金属太赫兹辐射源、制备及太赫兹波激发方法
CN111697415A (zh) * 2020-06-04 2020-09-22 上海理工大学 一种基于Weyl半金属-纳米介孔复合结构的太赫兹增强方法
CN112909711A (zh) * 2021-03-23 2021-06-04 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种偏振可调控的太赫兹发生器
CN113964627A (zh) * 2021-10-19 2022-01-21 中国科学技术大学 一种性能可调的太赫兹波发射器

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