CN109818234A - 一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器，包括：铁电层；设置在铁电层一侧的导电层；设置在铁电层背离导电层一侧的铁磁金属薄膜；设置在铁磁金属薄膜背离铁电层一侧的非铁磁金属薄膜；磁场装置，用于给铁磁金属薄膜施加水平方向且平行于铁磁金属薄膜的磁场，磁场的方向可调；电压装置一端与导电层连接，另一端与非铁磁金属薄膜连接；飞秒激光源用于发射飞秒激光，飞秒激光沿垂直于导电层的方向依次透过导电层、铁电层、铁磁金属薄膜和非铁磁金属薄膜，在磁场装置和电压装置的控制下，产生强度和偏振可调的太赫兹波。该太赫兹波发射器生产成本低，且偏振强度可灵活控制，便于实际应用。
Description
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，涉及一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器。
背景技术
太赫兹波(THz)泛指频率在0.1THz-10THz区间的电磁波，在此频段上既不完全适用光学理论来研究，也不完全适合微波理论来处理，因而在相当长的一段时期，人们对THz波段的认识很有限，并称之为太赫兹“空白”区。
近年来，随着现代科技的发展和各国研究者的努力，THz技术得以迅速发展，THz波独特的时域脉冲特性、低能和宽带等特点能给材料科学、量子信息、医疗诊断、天文学、环境监测、安全检查、卫星通讯、物品成像和军用雷达等领域带来重大的科学价值和广阔的应用前景。
在太赫兹技术中，太赫兹波发射器是太赫兹系统的关键器件。常见的宽谱太赫兹源主要是通过光电导天线技术和光整流技术等产生。在光电导天线技术中，通过飞秒脉冲光激发半导体薄膜(如低温生长的GaAs)产生电子空穴对，电子空穴在电极的偏置下形成瞬态的光电流，从而辐射出太赫兹脉冲波，该技术要求激发光的光子能量大于所用的半导体材料的带隙，且光电导天线造价较高。在光整流技术中，通过飞秒脉冲光在晶体内的非线性效应产生太赫兹脉冲波，该技术要求激发光和太赫兹光在晶体内的相位匹配，也就是说对激发光的波长也是有要求的，且晶体的造价也较高。
随着科学技术的发展，一些新型的太赫兹波发射器被提出，如利用铁磁薄膜和非铁磁薄膜界面的反自旋霍尔效应产生太赫兹波。针对该体系，现有研究工作主要集中在铁磁材料、非铁磁材料和层数设计等方面，去改进太赫兹辐射源的强度。在这些研究中太赫兹波的偏振方向可通过改变外加磁场方向来改变。但是，在这些器件中，不能同时对太赫兹波的偏振和强度进行主动的调控，不能完全满足实际的应用需求。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器，技术方案如下：
一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器，所述太赫兹波发射器包括：
铁电层；
设置在所述铁电层一侧的导电层；
设置在所述铁电层背离所述导电层一侧的铁磁金属薄膜；
设置在所述铁磁金属薄膜背离所述铁电层一侧的非铁磁金属薄膜；
磁场装置，所述磁场装置用于给所述铁磁金属薄膜施加水平方向且平行于所述铁磁金属薄膜的磁场，其中，所述磁场的方向可调；
电压装置，所述电压装置的一端与所述导电层连接，另一端与所述非铁磁金属薄膜连接；
飞秒激光源，所述飞秒激光源用于发射飞秒激光，所述飞秒激光沿垂直于所述导电层的方向依次透过所述导电层、所述铁电层、所述铁磁金属薄膜和所述非铁磁金属薄膜，在所述磁场装置和所述电压装置的控制下，产生强度和偏振可调的太赫兹波。
优选的，所述导电层为透明可见或近红外飞秒激光可透过的导电材料的导电层。
优选的，所述导电层为氧化铟锡导电层或掺氟的氧化锡导电层或掺铝的氧化锌导电层或掺镧的锡酸钡导电层。
优选的，所述导电层的厚度为10nm-1μm，包括端点值。
优选的，所述铁电层为透明可见或近红外飞秒激光可透过的铁电材料的铁电层。
优选的，所述铁电层的厚度为100nm-500μm，包括端点值。
优选的，所述铁磁金属薄膜为Fe材料或Co材料或Ni材料或CoFe材料的铁磁金属薄膜。
优选的，所述铁磁金属薄膜的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
优选的，所述非铁磁金属薄膜的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
优选的，所述非铁磁金属薄膜为Au材料或Ag材料或Pt材料或Pd材料或W材料或Ta材料或Cr材料或Ir材料的非铁磁金属薄膜。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
该太赫兹波发射器主要包括导电层、铁电层、铁磁金属薄膜和非铁磁金属薄膜，其中，铁电层和铁磁金属薄膜之间存在磁电耦合作用。通过飞秒激光泵浦铁磁金属薄膜并产生超快自旋流，铁磁金属薄膜和非铁磁金属薄膜界面的反自旋霍尔效应使得超快自旋流转换为瞬变的电荷电流，从而在非铁磁金属薄膜一侧辐射出太赫兹波。
在导电层和非铁磁金属薄膜间施加电压，通过调节电压的大小和极性来改变铁电层和铁磁金属薄膜之间的磁电耦合作用，改变铁磁金属薄膜的磁性，从而调控出射的太赫兹波的强度和偏振等特性。
对铁磁金属薄膜施加水平方向且平行于所述铁磁金属薄膜的磁场，其中，所述磁场的方向可调，通过改变磁场方向也可调控出射太赫兹波的偏振方向。
由此可知，该太赫兹波发射器生产成本低，且偏振强度可灵活控制，便于实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器的制作方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器的结构示意图，所述太赫兹波发射器包括：
铁电层11；
设置在所述铁电层11一侧的导电层12；
设置在所述铁电层11背离所述导电层12一侧的铁磁金属薄膜13；
设置在所述铁磁金属薄膜13背离所述铁电层11一侧的非铁磁金属薄膜14；
磁场装置，所述磁场装置用于给所述铁磁金属薄膜13施加水平方向且平行于所述铁磁金属薄膜13的磁场，其中，所述磁场的方向可调；
电压装置15，所述电压装置15的一端与所述导电层12连接，另一端与所述非铁磁金属薄膜14连接；
飞秒激光源16，所述飞秒激光源16用于发射飞秒激光，所述飞秒激光沿垂直于所述导电层12的方向依次透过所述导电层12、所述铁电层11、所述铁磁金属薄膜13和所述非铁磁金属薄膜14，在所述磁场装置和所述电压装置15的控制下，产生强度和偏振可调的太赫兹波。
需要说明的是，所述磁场装置在图1中并未示出。
在该实施例中，该太赫兹波发射器主要包括导电层12、铁电层11、铁磁金属薄膜13和非铁磁金属薄膜14，其中，铁电层11和铁磁金属薄膜13之间存在磁电耦合作用。通过飞秒激光泵浦铁磁金属薄膜13并产生超快自旋流，铁磁金属薄膜13和非铁磁金属薄膜14界面的反自旋霍尔效应使得超快自旋流转换为瞬变的电荷电流，从而在非铁磁金属薄膜14一侧辐射出太赫兹波。
所产生的太赫兹波具有很好的偏振特性，且偏振方向和外加磁场方向相互垂直，通过旋转外加磁场的方向，则可任意调节出射的太赫兹波的偏振方向。
在导电层12和非铁磁金属薄膜14间施加电压，通过调节电压的大小和极性，调节了铁电层11所受的应力大小，由于铁电层11和铁磁金属薄膜13之间的磁电耦合作用，改变铁磁金属薄膜13的磁性，进而影响铁磁金属薄膜13和非铁磁金属薄膜14界面处的反自旋霍尔效应，从而调控出射的太赫兹波的强度和偏振等特性。
由此可知，该太赫兹波发射器生产成本低，且偏振强度可灵活控制，便于实际应用。
需要说明的是，所述磁场装置可以是固定在旋转支架上的永久磁铁，也可以是四级电磁铁，通过控制两级上的电流大小来旋转磁场。其具体结构在本发明实施例中并不作限定。
需要说明的是，所述太赫兹波发射器至少还包括与所述电压装置连接所需要的电极和电极引线等结构。
进一步的，所述导电层12为透明可见或近红外飞秒激光可透过的导电材料的导电层。
进一步的，所述导电层12包括但不限定为氧化铟锡导电层或掺氟的氧化锡导电层或掺铝的氧化锌导电层或掺镧的锡酸钡导电层。
进一步的，所述导电层12的厚度为10nm-1μm，包括端点值。
例如，所述导电层12的厚度为100nm或500nm或700nm。
进一步的，所述铁电层11为透明可见或近红外飞秒激光可透过的铁电材料的铁电层。
进一步的，所述铁电层11的材料包括但不限定于铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)。
进一步的，所述铁电层11的厚度为100nm-500μm，包括端点值。
例如，所述铁电层11的厚度为500nm或20μm或200μm。
进一步的，所述铁磁金属薄膜13包括但不限定为Fe材料或Co材料或Ni材料或CoFe材料的铁磁金属薄膜。
需要说明的是，所述铁磁金属薄膜13的材料还包括上述金属的合金材料。
进一步的，所述铁磁金属薄膜13的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
例如，所述铁磁金属薄膜13的厚度为2nm或5nm或8nm。
进一步的，所述非铁磁金属薄膜14的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
例如，所述非铁磁金属薄膜14的厚度为3nm或6nm或9nm。
进一步的，所述非铁磁金属薄膜14包括但不限定为Au材料或Ag材料或Pt材料或Pd材料或W材料或Ta材料或Cr材料或Ir材料的非铁磁金属薄膜。
进一步的，所述太赫兹波发射器还包括：
设置在所述非铁磁金属薄膜背离所述铁磁金属薄膜一侧的保护层。
所述保护层的材料包括但不限定于MgO或SiO2或Al2O3等。
进一步的，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器的制作方法流程示意图，所述制作方法包括：
S201：提供一铁电层。S202：在所述铁电层的一侧生长导电层。
在该步骤中，包括但不限定于采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术或激光脉冲沉积技术生长一层导电层。
S203：在所述铁电层背离所述导电层的一侧生长铁磁金属薄膜。
在该步骤中，包括但不限定于采用磁控溅射技术或分子束外延技术或激光脉冲沉积技术生长一层铁磁金属薄膜。
S204：在所述铁磁金属薄膜背离所述铁电层的一侧生长非铁磁金属薄膜。
在该步骤中，包括但不限定于采用磁控溅射技术或分子束外延技术或激光脉冲沉积技术生长一层非铁磁金属薄膜。
S205：设置磁场装置、电压装置和飞秒激光源。
在该步骤中，所述磁场装置用于给所述铁磁金属薄膜施加水平方向且平行于所述铁磁金属薄膜的磁场，其中，所述磁场的方向可调。
所述电压装置的一端与所述导电层连接，另一端与所述非铁磁金属薄膜连接。
所述飞秒激光源用于发射飞秒激光，所述飞秒激光沿垂直于所述导电层的方向依次透过所述导电层、所述铁电层、所述铁磁金属薄膜和所述非铁磁金属薄膜，在所述磁场装置和所述电压装置的控制下，产生强度和偏振可调的太赫兹波。
以上对本发明所提供的一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对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)
1.一种强度和偏振主动可调的太赫兹波发射器，其特征在于，所述太赫兹波发射器包括：
铁电层；
设置在所述铁电层一侧的导电层；
设置在所述铁电层背离所述导电层一侧的铁磁金属薄膜；
设置在所述铁磁金属薄膜背离所述铁电层一侧的非铁磁金属薄膜；
磁场装置，所述磁场装置用于给所述铁磁金属薄膜施加水平方向且平行于所述铁磁金属薄膜的磁场，其中，所述磁场的方向可调；
电压装置，所述电压装置的一端与所述导电层连接，另一端与所述非铁磁金属薄膜连接；
飞秒激光源，所述飞秒激光源用于发射飞秒激光，所述飞秒激光沿垂直于所述导电层的方向依次透过所述导电层、所述铁电层、所述铁磁金属薄膜和所述非铁磁金属薄膜，在所述磁场装置和所述电压装置的控制下，产生强度和偏振可调的太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述导电层为透明可见或近红外飞秒激光可透过的导电材料的导电层。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述导电层为氧化铟锡导电层或掺氟的氧化锡导电层或掺铝的氧化锌导电层或掺镧的锡酸钡导电层。
4.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述导电层的厚度为10nm-1μm，包括端点值。
5.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述铁电层为透明可见或近红外飞秒激光可透过的铁电材料的铁电层。
6.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述铁电层的厚度为100nm-500μm，包括端点值。
7.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述铁磁金属薄膜为Fe材料或Co材料或Ni材料或CoFe材料的铁磁金属薄膜。
8.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述铁磁金属薄膜的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
9.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述非铁磁金属薄膜的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
10.根据权利要求1所述的太赫兹波发射器，其特征在于，所述非铁磁金属薄膜为Au材料或Ag材料或Pt材料或Pd材料或W材料或Ta材料或Cr材料或Ir材料的非铁磁金属薄膜。
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2019
- 2019-02-26 CN CN201910141811.6A patent/CN109818234A/zh active Pending
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