CN113489463B - 一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，包括电压源模块，信号发生器模块，功率放大器模块，控制器模块，自旋太赫兹发射器组成；电压源模块用于给信号发生器模块、功率放大器模块供电，其输出电压为两者额定工作电压；信号发生器模块可以输出频率可调的脉冲电信号，其中脉冲电信号包括方波信号、正弦波信号等；功率放大器模块用于对信号发生器模块产生的脉冲电信号放大，其中功率放大器模块包含两个输出通道，即x通道和y通道；功率放大器模块放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器工作，产生偏振、振幅可控自旋太赫兹波。本发明的调控过程不同于传统机械调控太赫兹的振幅、偏振，而是采用电控制方式，调控效率以及速度得到提升。

Description

一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统

技术领域

本发明涉及太赫兹发射设备技术领域，具体涉及一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统。

背景技术

太赫兹频段位于红外和微波之间，是宏观电子学与微观光子学的过渡频段，兼具宽带性、低能性、高透性、唯一性等诸多优势特性，其在无损检测、卫星通信、医疗诊断、卫星通信等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。自旋太赫兹源因其独特的太赫兹产生机理，具有低成本、高效率等优势，是未来太赫兹技术的重要发展方向。

偏振、振幅是太赫兹波的一个重要参数，现有技术中对太赫兹偏振、振幅的调节需要偏振片或衰减片等光学元件，采用机械调控方式，调控效率低下。

发明内容

本发明提出的一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，包括电压源模块，信号发生器模块，功率放大器模块，控制器模块，自旋太赫兹发射器组成；所述的电压源模块用于给信号发生器模块、功率放大器模块、控制器模块供电，其输出电压为三者额定工作电压；信号发生器模块可以输出频率可调的脉冲电信号，其中脉冲电信号包括方波信号、正弦波信号等；功率放大器模块用于对信号发生器模块产生的脉冲电信号放大，其中功率放大器模块包含两个输出通道，即x通道和y通道；经功率放大器模块放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器工作，产生偏振、振幅可控自旋太赫兹波；

所述控制器模块可以对信号发生器模块产生的脉冲电信号频率进行控制；同时控制器模块可以控制功率放大器模块的两个输出通道脉冲电信号的大小，即x通道和y通道脉冲电流的振幅。

进一步地，所述信号发生器模块、功率放大器模块、自旋太赫兹发射器之间通过同轴电缆连接，其中信号发生器模块连接功率放大器模块，功率放大器模块连接自旋太赫兹发射器；电压源模块、信号发生器模块、功率放大器模块、控制器模块之间通过导线连接，其中电压源模块分别连接信号发生器模块、功率放大器模块，控制器模块分别连接信号发生器模块、功率放大器模块。

进一步地，所述自旋太赫兹发射器由x方向和y方向的两对电磁线圈和自旋太赫兹芯片组成，其中x方向的电磁线圈同功率放大器模块的x通道相连；y方向的电磁线圈同功率放大器模块的y通道相连；x通道和y通道的同轴电缆长度近似相等；自旋太赫兹芯片处于两对电磁线圈中间。当功率放大器输出的脉冲电信号通过自旋太赫兹发射器模块的两对电磁线圈时，根据比奥-萨法尔定律，可在两对电磁线圈中心产生脉冲磁场，脉冲磁场对自旋太赫兹芯片进行磁化，其中脉冲磁场的大小、方向同功率放大器模块的x通道和y通道的脉冲电流大小有关。

进一步地，所述产生的自旋太赫兹借助锁相放大器采用ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，其中锁相放大器的参考信号由脉冲信号发生器模块提供。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明通过信号发生器模块产生脉冲电信号，并通过功率放大器模块对信号发生器模块产生的脉冲电信号进行放大，最后通过两个输出通道分别控制自旋太赫兹发射器中自旋太赫兹芯片的磁化方向。整个过程中通过控制器模块，调控信号发生器产生脉冲电信号的频率，或者功率放大器两个输出通道的脉冲电信号的大小，或者同时调控信号发生器产生脉冲电信号的频率和功率放大器两个输出通道的脉冲电信号的大小，实现可控偏振、振幅的自旋太赫兹波输出。

总的来说，本发明的一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统整个调控过程中不同于传统的机械调控太赫兹的振幅、偏振，而是采用电控制的方式，调控效率以及速度得到提升。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为自旋太赫兹发射器结构示意图；

图3为调控自旋太赫兹芯片磁化方向示意图；

图4为产生的自旋太赫兹信号振幅同信号发生器模块脉冲电信号频率间关系；

图5为产生的自旋太赫兹振幅同流入自旋太赫兹发射器电磁线圈中的脉冲电流振幅间关系；

图6、图7、图8及图9是本发明不同调控方式的流程图；

图中：101、电压源模块；102、信号发生器模块；103、功率放大器模块；104、控制器模块；105、自旋太赫兹发射器；105-1、x方向的电磁线圈；105-2、y方向的电磁线圈；105-3、自旋太赫兹芯片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明实施例的一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，包括电压源模块101，信号发生器模块102，功率放大器模块103，控制器模块104，自旋太赫兹发射器105组成；所述的电压源模块101用于给信号发生器模块102、功率放大器模块103、控制器模块104供电，其输出电压为三者额定工作电压；信号发生器模块102可以输出频率可调的脉冲电信号，其中脉冲电信号包括方波信号、正弦波信号等；功率放大器模块103用于对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大，其中功率放大器模块103包含两个输出通道，即x通道和y通道；功率放大器模块103放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器105工作，产生偏振可控自旋太赫兹。

所述的信号发生器模块102、功率放大器模块103、自旋太赫兹发射器105之间通过同轴电缆连接，其中信号发生器模块102连接功率放大器模块103，功率放大器模块103连接自旋太赫兹发射器105；电压源模块101、信号发生器模块102、功率放大器模块103、控制器模块104之间通过导线连接，其中电压源模块101分别连接信号发生器模块102、功率放大器模块103，控制器模块104分别连接信号发生器模块102、功率放大器模块103。

所述的控制器模块104可以对信号发生器模块102产生的脉冲电信号频率进行控制；同时控制器模块102可以控制功率放大器模块103的两个输出通道脉冲电信号的大小，即x通道和y通道脉冲电流的振幅。

所述的自旋太赫兹发射器105由x方向和y方向的两对电磁线圈105-1、105-2和自旋太赫兹芯片105-3组成，其中x方向的电磁线圈105-1同功率放大器模块103的x通道相连；y方向的电磁线圈105-2同功率放大器模块103的y通道相连；x通道和y通道的同轴电缆长度近似相等；自旋太赫兹芯片105-3处于两对电磁线圈中间。当功率放大器输出的脉冲电信号通过自旋太赫兹发射器105的两对电磁线圈时，根据比奥-萨法尔定律，可在两对电磁线圈中心产生脉冲磁场，脉冲磁场对自旋太赫兹芯片进行磁化，其中脉冲磁场的大小、方向同功率放大器模块103的x通道和y通道的脉冲电流大小有关。

所述产生的自旋太赫兹借助锁相放大器采用ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，其中锁相放大器的参考信号由脉冲信号发生器模块102提供。

下面以中心波长800nm、脉宽35fs、重复频率为1000Hz的超快飞秒激光作用在上述自旋太赫兹发射器上时，产生偏振、振幅可调的太赫兹为例进行说明，其中自旋太赫兹发生器的两个电磁线圈的电阻均为10Ω。

首先说明该控制系统产生偏振可控自旋太赫兹的工作原理。当飞秒激光聚焦到自旋太赫兹芯片上时，自旋太赫兹芯片将产生超快自旋流由于自旋逆霍尔效应，该超快自旋流将转换为超快电荷流/>其满足如下关系：

其中γ为非磁层材料的自旋霍尔角,为自旋太赫兹发射器电磁线圈产生的脉冲磁场。由麦克斯韦电磁理论，该超快电荷流将产生太赫兹辐射，其辐射的太赫兹的偏振方向P垂直于脉冲磁场的方向，太赫兹的振幅同自旋太赫兹芯片的磁化大小有关，通过控制器模块调控信号发生器模块产生的脉冲电信号频率，同时通过信号发生器模块调控功率放大器模块的两个输出通道脉冲电信号的大小，实现自旋太赫兹偏振、振幅的控制。图3为调控自旋太赫兹芯片磁化方向示意图，通过调控x方向的电磁线圈105-1和y方向的电磁线圈105-2中电大小，调控其产生的磁化场，实现调控自旋太赫兹芯片105-3的磁化方向θ，进而调控产生的自旋太赫兹波的偏振方向P，其中

θ＝tan^-1(My/Mx)。

图6是通过控制器模块104，调控功率放大器模块103两个输出通道脉冲电信号的大小，调控产生自旋太赫兹偏振流程图。当电压源101供电信号发生器模块102、功率放大器模块103、控制器模块104后，信号发生器模块102首先产生一定频率的脉冲电信号，然后通过功率放大器模块103放大该电信号，该放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器105工作产生自旋太赫兹，产生的太赫兹信号通过ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，并将太赫兹信号偏振实时反馈给控制器模块104，然后控制器模块104及时调控功率放大器模块103的两个输出通道对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数，实现太赫兹信号偏振的调控。

下面说明该控制系统产生振幅可控自旋太赫兹的工作原理。图7是通过控制器模块104调控信号发生器模块102产生脉冲电信号的频率控制产生的自旋太赫兹的振幅流程图。当电压源101供电信号发生器模块102、功率放大器模块103、控制器模块104后，信号发生器模块102首先产生一定频率的脉冲电信号，然后通过功率放大器模块103放大该电信号，该放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器105工作产生自旋太赫兹，产生的太赫兹信号通过ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，并将太赫兹信号振幅实时反馈给控制器模块104，然后控制器模块104及时调控信号发生器模块102产生的脉冲电信号频率，实现太赫兹信号振幅的调控。整个调控过程中功率放大器模块103的两个输出通道对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数相等。图4为产生的自旋太赫兹振幅同信号发生器模块产生的脉冲电信号的频率间关系，其中圆圈表示实验实际测得结果，实线为拟合结果。

图8是通过控制器模块104调控功率放大器模块103对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数控制产生的自旋太赫兹的振幅流程图。当电压源101供电信号发生器模块102、功率放大器模块103、控制器模块104后，信号发生器模块102首先产生一定频率的脉冲电信号，然后通过功率放大器模块103放大该电信号，该放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器105工作产生自旋太赫兹，产生的太赫兹信号通过ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，并将太赫兹信号振幅实时反馈给控制器模块104，然后控制器模块104及时调控功率放大器模块103对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数，实现太赫兹信号振幅的调控。整个调控过程中功率放大器模块103的两个输出通道对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数相等。图5为产生的自旋太赫兹振幅同流入自旋太赫兹发射器电磁线圈中的脉冲电流振幅间关系，其中圆圈表示实验实际测得结果，实线为拟合结果。

图9是通过控制器模块104同时调控信号发生器模块102产生脉冲电信号的频率，以及功率放大器模块103对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数控制产生的自旋太赫兹的振幅流程图。当电压源101供电信号发生器模块102、功率放大器模块103、控制器模块104后，信号发生器模块102首先产生一定频率的脉冲电信号，然后通过功率放大器模块103放大该电信号，该放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器105工作产生自旋太赫兹，产生的太赫兹信号通过ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，并将太赫兹信号振幅实时反馈给控制器模块104，然后控制器模块104及时调控信号发生器模块102产生的脉冲电信号频率，以及调控功率放大器模块103对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数，实现太赫兹信号振幅的调控。整个调控过程中功率放大器模块103的两个输出通道对信号发生器模块102产生的脉冲电信号放大倍数相等。

综上所示，本发明的一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统整个调控过程中不同于传统的机械调控太赫兹的振幅、偏振，而是采用电控制的方式，调控效率以及速度得到提升。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，其特征在于，

包括电压源模块(101)、信号发生器模块(102)、功率放大器模块(103)，控制器模块(104)，自旋太赫兹发射器(105)；

所述电压源模块(101)分别与信号发生器模块（102）、功率放大器模块（103）、控制器模块（104）连接用于给信号发生器模块（102）、功率放大器模块（103）、控制器模块（104）供电，其输出电压为三者额定工作电压；

信号发生器模块（102）分别与功率放大器模块(103)、控制器模块(104)连接，信号发生器模块（102）输出频率可调的脉冲电信号；

功率放大器模块（103）用于对信号发生器模块（102）产生的脉冲电信号放大，其中功率放大器模块（103）包含两个输出通道，即x通道和y通道；经功率放大器模块（103）放大后的脉冲电信号驱动自旋太赫兹发射器（105）工作，产生偏振、振幅可控自旋太赫兹波；

控制器模块（104）对信号发生器模块（102）产生的脉冲电信号频率进行控制；同时控制器模块（102）控制功率放大器模块（103）的两个输出通道脉冲电信号的大小，即x通道和y通道脉冲电流的振幅；

自旋太赫兹发射器（105）由x方向和y方向的两对电磁线圈（105-1）、（105-2）和自旋太赫兹芯片（105-3）组成，其中x方向的电磁线圈（105-1）同功率放大器模块（103）的x通道相连；y方向的电磁线圈同功率放大器模块（103）的y通道相连；

x通道和y通道的同轴电缆长度相等；

自旋太赫兹芯片(105-3)处于两对电磁线圈(105-1)、（105-2）中间。

2.根据权利要求1所述的偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，其特征在于：

信号发生器模块（102）、功率放大器模块（103）、自旋太赫兹发射器（105）之间通过同轴电缆连接，其中信号发生器模块（102）连接功率放大器模块（103），功率放大器模块（103）连接自旋太赫兹发射器（105）；

电压源模块（101）、信号发生器模块（102）、功率放大器模块（103）、控制器模块（104）之间通过导线连接，其中电压源模块（101）分别连接信号发生器模块（102）、功率放大器模块（103），控制器模块（104）分别连接信号发生器模块（102）、功率放大器模块（103）。

3.根据权利要求1所述的偏振、振幅可控的自旋太赫兹控制系统，其特征在于：自旋太赫兹发射器(105)产生的自旋太赫兹借助锁相放大器采用ZnTe晶体电光采样方式或光电导天线进行探测，其中锁相放大器的参考信号由脉冲信号发生器模块（102）提供。