CN110518439A - 一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法，发射源包括基底和磁场发生器，基底的一侧覆盖有至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层，每层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层上均覆盖有铁磁金属薄膜层，相邻的非磁性拓扑半金属纳米薄膜层和铁磁金属薄膜层构成双层异质结，双层异质结位于磁场发生器所发生的磁场中；最外层铁磁金属薄膜层上覆盖有覆盖层；覆盖层外设置有偏振调节器。本发明由飞秒脉冲激光光源作为激发光源，通过改变外加磁场的方向和激发光的偏振来调整产生太赫兹的强度和手性，进而得到高功率、偏振可调的宽带手性太赫兹。

Description

一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法

技术领域

本发明涉及电磁波领域，具体涉及一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法。

背景技术

太赫兹辐射由介于光学和微波频谱之间的电磁波组成，频率在0.1到10太赫兹(THz)之间。由于许多大分子的成键能在THz电磁波的光子能范围内(0.5～50meV)，所以THz能谱可以用于生物、医学和化学研究的材料成分分析。在THz频率范围内，固体物理中光子与物质的相互作用遵循Drude模型，Drude模型解释了电子在材料特别是金属中的输运特性。THz波的传播特性高度依赖于材料的导电性，导致服装、纸张、砖石、塑料、陶瓷、干木、半导体晶圆等材料对THz波都是透明的。此外，THz光谱学还作为一种非破坏性/非侵入性的方法，用于测量各种材料的电导率。太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的微细变化做出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，它能够对半导体、电介质薄膜及物体材料的物理信息进行快速准确的测量。

由于受到有效的太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，使得传统的光学或微波源不能有效地产生太赫兹波。目前中等大小的脉冲THz源通常小于1mW，因此很昂贵，也很难检测。现目前，国内外还没有能够稳定且高效的发射偏振可调的太赫兹波的发生器，且目前的研究中，能够操作方便地产生稳定、高效的手性太赫兹波的方法仍然未被发现，已有手段也是极其复杂，包括采用双脉冲技术和波板法来控制太赫兹椭圆度，主要是使两束光有相位差从而产生椭偏或者圆偏的太赫兹(Amer et al.Appl.Phys.Lett.87,221111(2005))。还有一种方法是通过对离子体的激发来产生螺旋的太赫兹(Lu,X.and Zhang,X.C.Phys.Rev.Lett.108,123903(2012))，以上方法存在的问题在于不能够产生稳定的手性太赫兹波。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种宽带手性太赫兹发射源及发射方法解决了现有太赫兹发射方法不能产生稳定的手性太赫兹波的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种宽带手性太赫兹发射源，其包括基底和磁场发生器，基底的一侧覆盖有至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层，每层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层上均覆盖有铁磁金属薄膜层，相邻的非磁性拓扑半金属纳米薄膜层和铁磁金属薄膜层构成双层异质结，双层异质结位于磁场发生器所发生的磁场中；最外层铁磁金属薄膜层上覆盖有覆盖层；覆盖层外或基底的另一侧设置有偏振调节器；

或基底的一侧覆盖有至少一层铁磁金属薄膜层，每层铁磁金属薄膜层上均覆盖有非磁性拓扑半金属纳米薄膜层，相邻的铁磁金属薄膜层和非磁性拓扑半金属纳米薄膜层构成双层异质结，双层异质结位于磁场发生器所发生的磁场中；最外层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层上覆盖有覆盖层；覆盖层外或基底的另一侧设置有偏振调节器。

进一步地，基底的材质为玻璃、石英、蓝宝石、氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化锗、氧化镧、氧化锡或硅；基底的前后面均为抛光面。

进一步地，磁场发生器为磁铁，磁铁的磁场强度大于等于100奥斯特。

进一步地，非磁性拓扑半金属纳米薄膜层的材质为砷化钽、砷化铌、磷化钽、磷化铌、二碲化钼、硅化钴、二砷化三镉、二硫化钼、五碲化锆、二碲化钨、锶汞铅晶体或锂锌铋晶体；非磁性拓扑半金属纳米薄膜层的厚度小于50nm。

进一步地，铁磁金属薄膜层的材质包括铁、钴和镍中的至少一种，铁磁金属薄膜层的厚度小于等于10nm。

进一步地，覆盖层的材质包括三氧化二铝、氧化镁和二氧化硅。

进一步地，偏振调节器为波片。

提供一种宽带手性太赫兹发射方法，其包括以下步骤：

S1、在基底的一侧依次覆盖至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜，在每层非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖一层铁磁金属薄膜，进而在基底上得到至少一层双层异质结，并在最外层铁磁金属薄膜上覆盖一层覆盖层；

或在基底的一侧依次覆盖至少一层铁磁金属薄膜，在每层铁磁金属薄膜上覆盖一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜，进而在基底上得到至少一层双层异质结，并在最外层非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖一层覆盖层；

S2、将双层异质结放置于强度至少为100奥斯特的磁场中，并在设置有覆盖层的一侧或基底的另一侧设置偏振调节器，得到太赫兹发射源；

S3、将波长为600nm～9000nm、脉宽为10fs～150fs的飞秒脉冲激光通过偏振调节器改变飞秒脉冲激光的偏振情况后施加在双层异质结上，进而激发产生太赫兹。

进一步地，步骤S3之后还包括步骤：

S4、通过调整偏振调节器来控制飞秒脉冲激光的偏振情况，进而改变太赫兹的手性；通过调整双层异质结与磁场的相对位置关系改变太赫兹的椭圆度。

本发明的有益效果为：

1、本发明由飞秒脉冲激光光源作为激发光源，通过改变外加磁场的方向和激发光的偏振来调整产生太赫兹的强度和手性，进而得到高功率、偏振可调的宽带手性太赫兹。

2、本发明设置的覆盖层可防止铁磁金属薄膜层氧化，提高本发射源的有效工作寿命。

附图说明

图1为本太赫兹辐射源透射式的太赫兹发射第一场景示意图；

图2为本太赫兹辐射源透射式的太赫兹发射第二场景示意图；

图3为本太赫兹辐射源反射式的太赫兹发射第一场景示意图；

图4为本太赫兹辐射源反射式的太赫兹发射第二场景示意图。

其中：1、飞秒脉冲激光；2、偏振调节器；3、覆盖层；4、铁磁金属薄膜层；5、非磁性拓扑半金属纳米薄膜层；6、基底；7、磁场发生器；8、可旋转平台。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该宽带手性太赫兹发射源包括基底和磁场发生器，基底6的一侧覆盖有至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5，每层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5上均覆盖有铁磁金属薄膜层4，相邻的非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5和铁磁金属薄膜层4构成双层异质结，双层异质结位于磁场发生器7所发生的磁场中；最外层铁磁金属薄膜层4上覆盖有覆盖层3；覆盖层3外或基底6的另一侧设置有偏振调节器2；

或基底6的一侧覆盖有至少一层铁磁金属薄膜层4，每层铁磁金属薄膜层4上均覆盖有非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5，相邻的铁磁金属薄膜层4和非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5构成双层异质结，双层异质结位于磁场发生器7所发生的磁场中；最外层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5上覆盖有覆盖层3；覆盖层3外或基底6的另一侧设置有偏振调节器2。

基底6的材质为玻璃、石英、蓝宝石、氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化锗、氧化镧、氧化锡或硅；基底6的前后面均为抛光面。磁场发生器7为磁铁，磁铁的磁场强度大于等于100奥斯特。偏振调节器2为二分之一波片或四分之一波片。

非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5的材质为砷化钽(TaAs)、砷化铌(NbAs)、磷化钽(TaP)、磷化铌(NbP)、二碲化钼(MoTe₂)、硅化钴(CoSi)、二砷化三镉(Cd₃As₂)、二硫化钼(MoS₂)、五碲化锆(ZrTe₅)、二碲化钨(WTe₂)、锶汞铅晶体(SrHgPb)或锂锌铋晶体(LiZnBi)；非磁性拓扑半金属纳米薄膜层5的厚度小于50nm。

铁磁金属薄膜层4的材质包括铁、钴和镍中的至少一种，铁磁金属薄膜层4的厚度小于等于10nm。覆盖层3的材质包括三氧化二铝、氧化镁和二氧化硅。

该宽带手性太赫兹发射方法包括以下步骤：

S1、在基底6的一侧依次覆盖至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜，在每层非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖一层铁磁金属薄膜，进而在基底6上得到至少一层双层异质结，并在最外层铁磁金属薄膜上覆盖一层覆盖层3；

或在基底6的一侧依次覆盖至少一层铁磁金属薄膜，在每层铁磁金属薄膜上覆盖一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜，进而在基底6上得到至少一层双层异质结，并在最外层非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖一层覆盖层3；

S2、将双层异质结放置于强度至少为100奥斯特的磁场中，并在设置有覆盖层3的一侧或基底6的另一侧设置偏振调节器，得到太赫兹发射源；

S3、将波长为600nm～9000nm、脉宽为10fs～150fs的飞秒脉冲激光通过偏振调节器改变飞秒脉冲激光的偏振情况后施加在双层异质结上，进而激发产生太赫兹；

S4、通过调整偏振调节器来控制飞秒脉冲激光的偏振情况，进而改变太赫兹的手性；通过调整双层异质结与磁场的相对位置关系改变太赫兹的椭圆度。

在本发明的一个实施例中，飞秒激光器发射出的飞秒脉冲激光1通过偏振调节器2后透过覆盖层3入射到被磁化的铁磁金属薄膜中，激发出自旋电子流进入到非磁性拓扑半金属纳米薄膜中，由于逆自旋霍尔效应，在非磁性拓扑半金属纳米薄膜内运动的自旋电子流发生横向偏移，该自旋电子流的形成和消失会辐射出太赫兹。由于光伏效应，在能带中不同状态的带速度不同，使得在非磁性拓扑半金属纳米薄膜中产生电荷电流，从而辐射出具备手性的太赫兹脉冲。本发明可通过将磁场固定在一个可旋转平台8上，对双层异质结施加面内的磁场，可以调整辐射太赫兹的方向，使得进入到非磁性拓扑半金属纳米薄膜中的太赫兹为任意设想方向。通过逆自旋霍尔效应和光伏效应产生的太赫兹波不仅可以在强度上进行叠加，增加产生太赫兹的强度，还可以在方向上进行合成，使得产生的手性太赫兹为偏振可调的太赫兹。采用多层非磁性拓扑半金属纳米薄膜和铁磁金属薄膜时，在每层双层异质结产生的太赫兹光波会进行叠加，因此该方式可以增强太赫兹光波的强度。

如图1和图2所示，当飞秒脉冲激光1通过偏振调节器2垂直从覆盖层3侧入射双层异质结，或飞秒脉冲激光1通过偏振调节器2从基底6的另一侧垂直入射双层异质结，无论是铁磁金属薄膜上覆盖非磁性拓扑半金属纳米薄膜，或是非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖铁磁金属薄膜，均可以通过透射的方式发射太赫兹。

如图3和图4所示，当飞秒脉冲激光1通过偏振调节器2以θ(0<θ≤90°)夹角从覆盖层3侧入射双层异质结，或飞秒脉冲激光1通过偏振调节器2以θ(0<θ≤90°)夹角从基底6的另一侧入射双层异质结，无论是铁磁金属薄膜上覆盖非磁性拓扑半金属纳米薄膜，或是非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖铁磁金属薄膜，均可以通过反射的方式发射太赫兹。

综上所述，本发明由飞秒脉冲激光1光源作为激发光源，通过改变外加磁场的方向和激发光的偏振来调整产生太赫兹的强度和手性，进而得到高功率、偏振可调的宽带手性太赫兹。

Claims (9)

1.一种宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，包括基底和磁场发生器，所述基底的一侧覆盖有至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜层，每层所述非磁性拓扑半金属纳米薄膜层上均覆盖有铁磁金属薄膜层，相邻的非磁性拓扑半金属纳米薄膜层和铁磁金属薄膜层构成双层异质结，所述双层异质结位于所述磁场发生器所发生的磁场中；最外层所述铁磁金属薄膜层上覆盖有覆盖层；所述覆盖层外或基底的另一侧设置有偏振调节器；

或所述基底的一侧覆盖有至少一层铁磁金属薄膜层，每层所述铁磁金属薄膜层上均覆盖有非磁性拓扑半金属纳米薄膜层，相邻的铁磁金属薄膜层和非磁性拓扑半金属纳米薄膜层构成双层异质结，所述双层异质结位于所述磁场发生器所发生的磁场中；最外层所述非磁性拓扑半金属纳米薄膜层上覆盖有覆盖层；所述覆盖层外或基底的另一侧设置有偏振调节器。

2.根据权利要求1所述的宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，所述基底的材质为玻璃、石英、蓝宝石、氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化锗、氧化镧、氧化锡或硅；所述基底的前后面均为抛光面。

3.根据权利要求1所述的宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，所述磁场发生器为磁铁，所述磁铁的磁场强度大于等于100奥斯特。

4.根据权利要求1所述的宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，所述非磁性拓扑半金属纳米薄膜层的材质为砷化钽、砷化铌、磷化钽、磷化铌、二碲化钼、硅化钴、二砷化三镉、二硫化钼、五碲化锆、二碲化钨、锶汞铅晶体或锂锌铋晶体；所述非磁性拓扑半金属纳米薄膜层的厚度小于50nm。

5.根据权利要求1所述的宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，所述铁磁金属薄膜层的材质包括铁、钴和镍中的至少一种，所述铁磁金属薄膜层的厚度小于等于10nm。

6.根据权利要求1所述的宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，所述覆盖层的材质包括三氧化二铝、氧化镁和二氧化硅。

7.根据权利要求1所述的宽带手性太赫兹发射源，其特征在于，所述偏振调节器为波片。

8.一种宽带手性太赫兹发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在基底的一侧依次覆盖至少一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜，在每层非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖一层铁磁金属薄膜，进而在基底上得到至少一层双层异质结，并在最外层铁磁金属薄膜上覆盖一层覆盖层；

或在基底的一侧依次覆盖至少一层铁磁金属薄膜，在每层铁磁金属薄膜上覆盖一层非磁性拓扑半金属纳米薄膜，进而在基底上得到至少一层双层异质结，并在最外层非磁性拓扑半金属纳米薄膜上覆盖一层覆盖层；

S2、将双层异质结放置于强度至少为100奥斯特的磁场中，并在设置有覆盖层的一侧或基底的另一侧设置偏振调节器，得到太赫兹发射源；

S3、将波长为600nm～9000nm、脉宽为10fs～150fs的飞秒脉冲激光通过偏振调节器改变飞秒脉冲激光的偏振情况后施加在双层异质结上，进而激发产生太赫兹。

9.根据权利要求8所述的宽带手性太赫兹发射方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括步骤：

S4、通过调整偏振调节器来控制飞秒脉冲激光的偏振情况，进而改变太赫兹的手性；通过调整双层异质结与磁场的相对位置关系改变太赫兹的椭圆度。