CN110768087B - 一种偏振可调谐太赫兹波辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振可调谐太赫兹波辐射源，包括金属密闭腔以及置于其内的第一级自旋发射器、第二级自旋发射器以及相位补偿调节装置；飞秒激光入射到第一级自旋发射器，泵浦产生第一级太赫兹波，剩余的飞秒激光继续泵浦第二级自旋发射器，产生第二级太赫兹波；其中，通过调节相位补偿调节装置，实现两级太赫兹波的相位差为90°；通过调节两级外加磁场，实现两级太赫兹波偏振态的相互垂直，通过调制飞秒泵浦激光的功率，可以实现两级太赫兹波的振幅相同。本发明不仅能产生高质量的圆偏振太赫兹辐射，还能够实现任意偏振态太赫兹波的产生，这为下一代集成化的新型太赫兹辐射源奠定了基础。

Description

一种偏振可调谐太赫兹波辐射源

技术领域

本发明属于太赫兹波产生技术领域，特别涉及一种小型、紧凑、高效且偏振可任意调节的偏振可调谐太赫兹波辐射源。

背景技术

太赫兹波段处于低能量的电子学和高能量的光子学之间的过渡频带，这是最后一段被人类了解和认识的电磁波波段，也是目前公认的具备优良特性的电磁波段。太赫兹辐射的产生、传输、调控和探测构成了太赫兹这门新兴科学的关键技术，人们对于太赫兹波偏振态的研究在高速宽带通信、国防安全、医疗诊断、新型材料研发等多个领域具有重要的应用价值。然而现在典型的强太赫兹源，例如光导天线的太赫兹辐射源、有机晶体和大孔径光导天线产生的太赫兹辐射，大多是线偏振的脉冲信号，同时由于大多数强太赫兹源多为脉冲源，脉冲信号偏振的特殊性致使太赫兹偏振操控器件的研究和发展仍然相对滞后，高效、主动可控偏振态的太赫兹器件仍然十分匮乏。

目前实现太赫兹偏振控制的方案大约有以下几种：1)利用空间光调制器实现任意偏振的太赫兹产生；2)双泵浦激发非线性晶体产生偏振可调谐的太赫兹辐射源；3)双色场实现的偏振可调谐等离子体源；4)基于磁性材料双泵浦的偏振可调谐太赫兹辐射源。

其中，方法1)利用空间光调制器实现任意偏振的太赫兹产生，空间光调制器是一种可以实现任意调控输出激光脉冲的瞬时偏振态和强度的设备。通过调控泵浦激光的偏振态和瞬时强度，由非线性晶体的对称性，可以实现以规定的方式操纵太赫兹波的电场矢量的幅度和方向。这种方法产生的太赫兹波拥有很高的灵活性，能够产生各种研究所需的太赫兹波样式，但是空间光调制器造价高昂，实现起来极为复杂，目前仍处于实验室阶段，离商业化应用仍存在较大距离；而且空间光调制器的泵浦激光功率受到很大的限制，泵浦功率的限制致使产生太赫兹波的功率也难以有效提高。方法2)利用对两个时间分离的光泵浦脉冲在非线性晶体中进行光学整流，以实现对两个光脉冲的相对时间延迟和极化的控制，从而可以进一步实现对THz波椭圆率的调控。但是这种圆偏振的产生方法需要使用偏振片，而偏振片的使用会使产生的太赫兹波在物理基底原理上造成大幅削弱，这让本来难以提高的太赫兹辐射功率更加难以满足要求。方法3)首先利用800nm和400nm的激光共同作用在空气中产生空气等离子体，而后通过分别调控800nm和400nm激光的相关相位差和等离子体丝的长度，来实现所需方位角和椭圆率的偏振太赫兹脉冲的产生。但是这种方案有三个很大的问题，首先是等离子体的效率很低，在使用非常高的泵浦激光后其产生太赫兹波的强度依旧不高，当瞬时功率增加到10¹⁵W之后，会出现饱和现象；其次，等离子体丝的长度是由泵浦激光的输入功率决定，而等离子体丝的长度直接决定了产生太赫兹波的椭圆率，这直接限制了泵浦激光的输入功率大小。最重要的是，由高能激光激发出的等离子体极不稳定，这使得该种方案离商用化成熟的器件还有很远的距离。4)基于磁性材料双泵浦的偏振可调谐太赫兹辐射源，在反铁磁材料例如像NiO晶体中，特定偏振态的单束飞秒激光脉冲会在反铁磁材料晶体中激发拉曼型非线性光学效应，进而可以实现通过操控泵浦飞秒激光来对反铁磁材料单晶中纵磁化矢量运动的操控。该种方案这种方法灵活性很高，产生的太赫兹辐射源可以满足凝聚态物理，生物手性分子的研究，但是很难继续加大功率，对于应用到信息与通信工程行业的帮助不大。

发明内容

为实现对太赫兹波偏振态的快速和高效的调控，本发明基于自旋发射原理，通过级联发射的方法巧妙设计实现了高效高质量偏振可调谐太赫兹波辐射源。本发明由于其构成简单，可以在极宽的频带内调节，性能牢固可靠，可以小型化，因此能够实用的满足相关基础科学研究和各类工程应用对于高质量圆偏振太赫兹波的需求，同时，还能够实现任意偏振态太赫兹波的调控产生，这为下一代集成化的新型太赫兹辐射源奠定了基础。

本发明提供了一种偏振可调谐太赫兹波辐射源，包括金属密闭腔以及置于所述金属密闭腔内的飞秒激光光源、第一级自旋发射器、第二级自旋发射器和相位补偿调节装置；所述第一级自旋发射器包括第一级纳米铁磁薄膜和第一级外加磁场，所述第二级自旋发射器包括第二级纳米铁磁薄膜和第二级外加磁场；

所述飞秒激光光源输出的飞秒激光射入所述第一级纳米铁磁薄膜，产生线偏振态的第一级太赫兹波，剩余的飞秒激光与产生的第一级太赫兹波共同经过所述两级纳米铁磁薄膜间的所述相位补偿调节装置之后，所述剩余的飞秒激光超前入射到所述第二级纳米铁磁薄膜上，产生线偏振态的第二级太赫兹波；其中，通过所述相位补偿调节装置调节实现两级太赫兹波的相位差为90°；通过调节两级外加磁场实现两级太赫兹波的偏振态相互垂直；通过调制飞秒激光的泵浦功率，实现两级太赫兹波的振幅相同。

优选地，所述金属密闭腔内充有压强可控的稀薄气体，所述相位补偿调节装置包括一对离轴抛物面镜和形成于所述一对离轴抛物面镜之间的气体柱，通过调节所述金属密闭腔内的气体压强来调节所述气体柱的压强，并且通过调节所述一对离轴抛物面镜之间的距离来调节所述气体柱的长度，直接实现两级太赫兹波的相位差为90°。

优选地，两级纳米铁磁薄膜结构相同，各纳米铁磁薄膜是通过磁控溅射的方法生长在石英衬底上形成的W/CoFeB/Pt三层纳米厚的异质结薄膜。

优选地，所形成的W/CoFeB/Pt三层纳米厚的异质结薄膜中，W、CoFeB、Pt单层厚度均为1.8nm，纳米铁磁薄膜的总厚度为5.4nm。

优选地，可以通过固定第一级外加磁场，同时改变第二级外加磁场来实现两级太赫兹波的偏振态相互垂直。

优选地，还包括太赫兹偏振片、太赫兹能量探测器和电光采样器，实现对产生的圆偏振太赫兹辐射进行偏振探测和检偏。

本发明的有益效果：

1)本发明产生圆偏振太赫兹辐射的结构简单，利用各种常用的装置和相对成熟的磁控溅射装置即可实现，无需类似各种超材料的复杂高成本的制造工艺，克服了多种已有方案对材料要求高，结构复杂，成本高昂的缺点；

2)本发明实现原理简单，其中圆偏振太赫兹合成装置基于简单的时空相位关系和相对成熟的自旋太赫兹发射器方案，材料省、成本低，性能牢固稳定，还可以做成便携化插件；

3)本发明效率高，基于自旋发射的太赫兹辐射源拥有极高的效率，例如仅仅5nm左右的异质结薄膜产生太赫兹波的信号强度就已经可以与几毫米厚的传统ZnTe非线性晶体相比；

4)本发明成本低，由于设计产品只需要各种反射装置和铁磁薄膜，跟传统的超材料方案比，极大的降低了圆偏振合成的成本；

5)本发明构成简单，可以在极宽的频带内调节，性能牢固可靠，可以小型化，能够实用的满足各方面对于偏振调节的需求；

6)本发明产生的太赫兹辐射的偏振态可实现任意调谐，除了可实现圆偏振太赫兹波产生外，本产品还可以实现空间任意偏振特性的太赫兹辐射，能够满足科研生产实践的需求；

7)纳米铁磁薄膜太赫兹辐射源具有发射效率高、辐射频带宽、偏振可控、稳定可靠、结构简单等优点，本发明设计的圆偏振太赫兹辐射源通过铁磁薄膜太赫兹辐射源的级联发射，可以实现宽带工作适应的圆偏振太赫兹辐射源。

附图说明

图1为本发明的圆偏振太赫兹波发射原理示意图；

图2为本发明实施例的偏振可调谐太赫兹波辐射源的结构示意图。

如图中：

1-飞秒激光光源 2-第一级自旋发射器 3-第二级自旋发射器 4-离轴抛物面镜5-气体柱 6-硅片 7-太赫兹偏振片 8-ZnTe 9-1/4玻片 10-WP 11-电光采样器

具体实施方式

如图1所示，本发明基于自旋发射原理，利用级联发射的方法，使用一束飞秒激光先后泵浦两级纳米铁磁薄膜，用产生的两级太赫兹波的实现任意偏振态太赫兹波的产生，其中要实现圆偏振太赫兹波的产生需要满足的三个条件：两级太赫兹波的偏振态需要相互垂直、两级太赫兹波的振幅需要相等以及两级太赫兹波间需要有90°相位差，由此最终实现圆偏振太赫兹辐射源的产生与任意偏振态的调谐。

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。下面所述实施例采用脉冲宽度100fs的商用钛宝石激光振荡器的飞秒激光光源，以及生长在石英玻璃衬底的纳米铁磁薄膜和相应的光路配套设备。同时，通过太赫兹能量探测器，光电取样技术和太赫兹偏振片还实现了对产生的圆偏振太赫兹辐射进行偏振探测和检偏。

在图2所示示例中，本发明实施例提供的偏振可调谐太赫兹波辐射源，包括内部充有压强可控的稀薄气体(例如空气)的金属密闭腔(未示出)，和置于该金属密闭腔内的飞秒激光光源1、第一级自旋发射器2、第二级自旋发射器3以及设置于两级自旋发射器之间的一对离轴抛物面镜4和形成于一对离轴抛物面镜4之间的气体柱5。金属密闭腔由密闭的金属壳体构成，也可以称为透射池，第一级自旋发射器2包括第一级纳米铁磁薄膜和第一级外加磁场，第二级自旋发射器3包括第二级纳米铁磁薄膜和第二级外加磁场。

特别地，两级纳米铁磁薄膜结构相同，各纳米铁磁薄膜是通过磁控溅射的方法生长在石英衬底上形成的W/CoFeB/Pt三层纳米厚的异质结薄膜。优选地，所形成的W/CoFeB/Pt三层纳米厚的异质结薄膜中，W、CoFeB、Pt单层厚度均为1.8nm，纳米铁磁薄膜的总厚度为5.4nm。

本发明的偏振可调谐太赫兹波辐射源的具体工作过程如下：

1)飞秒激光光源1输出的飞秒激光射入第一级自旋发射器1的纳米铁磁薄膜中，会将纳米铁磁薄膜中的电子泵浦激发到费米能级以上，由于自旋向上的电子和自旋向下的电子的密度和迁移率不同，当电子从铁磁金属(CoFeB)扩散到非铁磁性金属(W和Pt)的过程中，会首先产生横向的自旋极化电流，当自旋极化流扩散到铁磁金属和非铁磁金属形成的异质结界面处，由于逆自旋霍尔效应，会产生纵向的面内电荷流，纵向振荡的面内电荷流振荡产生线偏振态的第一级太赫兹波。通过第一级外加磁场可以调节该第一级太赫兹波的偏振状态。在本过程中，铁磁材料对飞秒激光仅有吸收的作用，而并没有调制效果，因此，剩余的飞秒激光会与自旋发射产生的第一级太赫兹波共同向前传播。

2)在传播至第二级自旋发射器2的纳米铁磁薄膜前的过程中，由于两级自旋发射器之间存在设置在特定距离和特定压强下的空气柱，并且太赫兹波和飞秒激光对于空气的折射率不同，因此会导致剩余的飞秒激光在时间上超前于第一级太赫兹波，当超前的飞秒激光入射到第二级铁磁薄膜中时，同样会导致线偏振态的第二级太赫兹波的产生，其偏振状态可被第二级外加磁场调制。

3)产生的第二级太赫兹波与第一级太赫兹波相比，会在时间上继承剩余飞秒激光的超前时间，时间上的超前对应着相位上的超前，因此两级太赫兹波之间的相位差也可以实现调制。特别地，可以通过设计透射池内补偿气体的种类(不限于空气)、气体压强以及其沿飞秒激光传播路径方向的长度(即图2示例中气体柱5的长度)，在一个很宽的频带上实现两级太赫兹波间90°的相位差。应该理解，调节补偿气体的压强实际上就是调节整个密闭金属腔内的气压。

此外，基于自旋发射的机理，由于纳米铁磁薄膜产生的太赫兹波的偏振方向与其外加磁场方向相互垂直，因此可以通过调节两级自旋发射器的外加磁场实现两级太赫兹波的偏振态相互垂直。有利地，可以通过固定第一级外加磁场，而改变第二级外加磁场来直接实现两级太赫兹波的偏振态相互垂直。

特别地，由于第一级太赫兹波的振幅会被第二级铁磁薄膜衰减，产生第二级太赫兹波的飞秒激光会被第一级铁磁薄膜衰减；铁磁薄膜对于光和太赫兹波的衰减率不同，但同时又都是线性衰减，这使得当调节外加泵浦激光的功率时，两级太赫兹波的振幅会有相等的时刻，因此，可以通过调制飞秒激光泵浦功率实现两级太赫兹波的振幅相同。

4)通过上述步骤的精细调节之后，第一级太赫兹波与第二级太赫兹波叠加，即可产生圆偏振的太赫兹波。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种偏振可调谐太赫兹波辐射源，其特征在于，包括金属密闭腔以及置于所述金属密闭腔内的飞秒激光光源、第一级自旋发射器、第二级自旋发射器和相位补偿调节装置；所述第一级自旋发射器包括第一级纳米铁磁薄膜和第一级外加磁场，所述第二级自旋发射器包括第二级纳米铁磁薄膜和第二级外加磁场；

所述飞秒激光光源输出的飞秒激光射入所述第一级纳米铁磁薄膜，产生线偏振态的第一级太赫兹波，剩余的飞秒激光与产生的第一级太赫兹波共同经过所述两级纳米铁磁薄膜间的所述相位补偿调节装置之后，所述剩余的飞秒激光超前入射到所述第二级纳米铁磁薄膜上，产生线偏振态的第二级太赫兹波；其中，通过所述相位补偿调节装置调节实现两级太赫兹波的相位差为90°；通过调节两级外加磁场实现两级太赫兹波的偏振态相互垂直；通过调制飞秒激光的泵浦功率，实现两级太赫兹波的振幅相同；

所述金属密闭腔内充有压强可控的稀薄气体，所述相位补偿调节装置包括一对离轴抛物面镜和形成于所述一对离轴抛物面镜之间的气体柱，通过调节所述金属密闭腔内的气体压强来调节所述气体柱的压强，并且通过调节所述一对离轴抛物面镜之间的距离来调节所述气体柱的长度，实现两级太赫兹波的相位差为90°。

2.根据权利要求1所述的偏振可调谐太赫兹波辐射源，其特征在于，两级纳米铁磁薄膜结构相同，各纳米铁磁薄膜是通过磁控溅射的方法生长在石英衬底上形成的W/CoFeB/Pt三层纳米厚的异质结薄膜。

3.根据权利要求2所述的偏振可调谐太赫兹波辐射源，其特征在于，所形成的W/CoFeB/Pt三层纳米厚的异质结薄膜中，W、CoFeB、Pt单层厚度均为1.8nm，纳米铁磁薄膜的总厚度为5.4nm。

4.根据权利要求1所述的偏振可调谐太赫兹波辐射源，其特征在于，通过固定第一级外加磁场，同时改变第二级外加磁场来实现两级太赫兹波的偏振态相互垂直。

5.根据权利要求1所述的偏振可调谐太赫兹波辐射源，其特征在于，还包括太赫兹偏振片、太赫兹能量探测器和电光采样器，实现对产生的圆偏振太赫兹辐射进行偏振探测和检偏。

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