CN113567388A - 一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块及时域光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块及时域光谱系统，外部配置的光源发射的激光通过传输光纤传输激光，激光经过激光耦合透镜后聚焦到电子自旋芯片处，用于激励芯片辐射太赫兹波，激光的入射到电子自旋芯片上的激光光斑位置和尺寸影响太赫兹波的辐射方向和辐射效率，通过调节光纤固定基座以及激光耦合透镜固定基座的前后位置，用于调整激光的聚焦位置和聚焦光斑的尺寸，进而实现太赫兹辐射方向和辐射效率的优化；本发明采用光纤耦合方式传输激光，可有效降低天线性能对振动等因素的敏感程度，提高稳定性，降低成本，提高利用效率。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块及时域光谱系统。
背景技术
在太赫兹技术领域，太赫兹时域光谱仪是一种重要的光谱分析仪器，用于对材料进行太赫兹波段参数测量及特性分析，在毒品、火炸药、食品药品等物质的光谱测量与分析领域已展现出重要应用价值。在太赫兹时域光谱仪中，太赫兹光谱的发射是关键的技术问题之一。在宽波段太赫兹光谱的产生技术中，有光电导天线产生太赫兹波、光整流效应产生太赫兹波、空气等离子体产生太赫兹波以及电子自旋效应产生太赫兹波。其中光电导天线由于其易于封装、体积小等原因使其在太赫兹时域光谱仪取得了较为广泛的应用，光纤耦合式的光电导天线目前已有较为成熟的封装方案。而基于电子自旋效应产生太赫兹辐射的方案由于其成本低、易于调试等原因正越来越多的应用于太赫兹时域光谱系统中，但大多都是在实验平台采用分离的元器件实现，激光在空间中传输，系统稳定性差，还没有可以应用于仪器产品的模块化封装方案。
现有的已经应用于仪器化产品的太赫兹发射源主要是光电导天线，其封装方式是通过聚焦透镜或者光纤头直接接触的方式将激光入射到天线的电极间隙处，其电极间隙很窄，通常只有几微米到几十微米。这导致在经过一段时间的放置后或者受振动影响后激光与电极间隙的对准将产生偏差，使天线的辐射性能大大下降，同时，若天线电极位置发生击穿，则会导致天线无法继续使用。而电子自旋芯片的成本要远低于光电导芯片，激光光斑的位置微小位移不会对太赫兹辐射功率产生太大影响，在某一位置发生损坏只需要将激光聚焦到其他位置仍可以继续使用，但是目前电子自旋发射太赫兹波都是在实验台上完成的，采用的空间激光进行激励，使用不便，整体结构不够稳定，且辐射的太赫兹波发散严重，有效利用率低。
目前集成电子自旋芯片的光纤耦合式太赫兹产生模块的封装技术尚属空白。太赫兹发射源主要采用光电导天线，从实际使用效果来看，光纤耦合光电导天线存在稳定性差的问题，振动、温度等因素均会导致天线的发射功率、发射带宽等性能指标变差。另外光电导天线芯片的加工需要晶体的生长、电极的制作等工艺，成本较高。采用电子自旋的方式产生太赫兹辐射可以解决这些问题，但是目前在实现电子自旋太赫兹发射的方案采用的是空间的激光，仍存在稳定性低，太赫兹辐射利用率低、测试样品调节不便等问题。
发明内容
本发明针对现有光纤耦合光电导天线存在的成本高、易受环境影响以及电子自旋方式缺乏在仪器中进行集成应用方案的问题，提出了一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，采用光纤耦合方式传输激光，可有效降低天线性能对振动等因素的敏感程度，提高稳定性，降低成本，提高利用效率。
本发明的技术方案如下：一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，包括：光纤固定基座上的传输光纤、激光耦合透镜固定基座上的激光耦合透镜、固定基片上的固定的电子自旋芯片、第一磁铁、超半球透镜、太赫兹透镜、第二磁铁；外部配置的光源发射的激光通过传输光纤传输激光，激光经过激光耦合透镜后聚焦到电子自旋芯片处用于激励芯片辐射太赫兹波，激光的入射到电子自旋芯片上的激光光斑位置和尺寸影响太赫兹波的辐射方向和辐射效率，通过调节光纤固定基座以及激光耦合透镜固定基座的前后位置，用于调整激光的聚焦位置和聚焦光斑的尺寸，进而实现太赫兹辐射方向和辐射效率的优化；光纤尾套和后端外壳用于传输光纤、光纤固定基座、激光耦合透镜固定基座的固定安装，用于保持激光传输的稳定性；通过第一磁铁和第二磁铁对电子自旋芯片的材料磁化提供磁场，通过控制磁场强度和磁场方向可以实现太赫兹辐射强度和辐射方向的控制，磁铁固定板采用非铁磁性材料用于实现磁铁的安装固定；电子自旋芯片辐射的太赫兹波是发散的，经过超半球透镜后实现初步的会聚，再经过太赫兹透镜后实现准直输出，前端外壳用于固定基片、超半球透镜、太赫兹透镜、磁铁的固定安装，用来保持太赫兹发射信号的稳定性。
上述模块中，所述传输光纤采用单模光纤或者单模保偏光纤；所述激光耦合透镜采用对泵浦激光高透的聚焦镜，用于将泵浦激光聚焦到电子自旋芯片上；所述电子自旋芯片采用基于电子自旋效应的多层异质结构，由非铁磁层/铁磁层/非铁磁层组成；所述固定基片采用对太赫兹波高透的材料。
上述模块中，所述第一磁铁和第二磁铁采用尺寸超过电子自旋芯片截面的磁铁，并在电子自旋芯片两边对称放置，用于提供电子自旋芯片产生太赫兹波所需要的磁场；还设置有磁铁固定板，采用非铁磁性材料，用于将磁铁位置固定，同时用于将磁铁拆卸更换。
上述模块中，所述超半球透镜采用高阻硅材料，用于聚集发散的太赫兹波；所述太赫兹透镜由对太赫兹波高透的TPX材料组成，用于将太赫兹波准直输出。
上述模块中，还设置有光纤尾套由橡胶组成，用于保护光纤尾部；所述光纤固定基座由可移动的金属滑块组成，用于固定传输光纤以及调试传输光纤与激光耦合透镜之间的距离；所述激光耦合透镜固定基座由位置可调的金属滑块组成，用于夹持激光耦合透镜，并调整位置。
上述模块中，还设置有后端外壳和前端外壳，其中后端外壳用于传输光纤、光纤固定基座、激光耦合透镜固定基座的固定安装，用于保持激光传输的稳定性，前端外壳用于固定基片、超半球透镜、太赫兹透镜、磁铁的固定安装，用于保持太赫兹辐射信号的稳定性，均采用非铁磁性材料组成。
上述模块中，所述电子自旋芯片由铁磁层FM/非铁磁层NM以FM|NM|FM|NM结构组合而成，并固定在固定基片上。
本发明还提供一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块的太赫兹时域光谱系统，飞秒激光器出射的激光经1×2耦合器分为两束，其中一束经过光纤延迟器后由传输光纤将激光入射到光纤耦合电子自旋发射天线，用于实现太赫兹波的产生，另一束经传输光纤入射到光纤耦合光电导探测天线，用于实现太赫兹波的探测，光纤延迟器用于实现太赫兹脉冲的等效时间采样；在测试样品时发射天线和探测天线均为光纤耦合式的器件，所以器件的相对位置和角度可以灵活调节而不影响激光的传输，方便用户使用。
采用上述方案：1、提出一种集成电子自旋芯片的光纤耦合式太赫兹发射天线的设计及一体化封装方案，该方案可有效保证天线工作的稳定性，且便于调试和维修。2、采用电子自旋芯片作为太赫兹发射源，采用磁铁产生的磁场来实现驱动，可大大降低成本，同时采用一体化的光束变换和封装模块，可以提高太赫兹发射源的稳定性和太赫兹波的利用效率。3、采用光纤耦合方式传输激光，可有效降低天线性能对振动等因素的敏感程度，提高稳定性，降低成本，提高利用效率。
附图说明
图1为本发明的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块结构图。
图2为本发明的基于光纤耦合电子自旋发射模块的太赫兹时域光谱系统。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明的一个实施例是，提出一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，如图1所示，包括：传输光纤1、激光耦合透镜2、电子自旋芯片3、固定基片4、磁铁5、超半球透镜6、太赫兹透镜7、磁铁8、光纤尾套9，光纤固定基座10，激光耦合透镜固定基座11，磁铁固定板12，后端外壳13和前端外壳14。
其中，传输光纤1采用单模光纤或者单模保偏光纤，用于传输激光；激光耦合透镜2采用对泵浦激光高透的聚焦镜，用于将泵浦激光聚焦到电子自旋芯片上；电子自旋芯片3采用基于电子自旋效应的多层异质结构，由非铁磁层/铁磁层/非铁磁层组成；固定基片4采用对太赫兹波高透的材料，用于固定电子自旋芯片；磁铁5和磁铁8采用尺寸超过电子自旋芯片3截面的磁铁，并在电子自旋芯片3两边对称放置，用于提供电子自旋芯片3产生太赫兹波所需要的磁场；超半球透镜6采用高阻硅材料或者其他太赫兹波段高透材料组成，用于聚集发散的太赫兹波；太赫兹透镜7由对太赫兹波高透的TPX材料或者其他太赫兹波段高透材料组成，用于将太赫兹波准直输出，光纤尾套9由橡胶等软性材料组成，用于保护光纤尾部；光纤固定基座10由可移动的金属滑块组成，用于固定光纤以及调试光纤头与激光耦合透镜的距离；激光耦合透镜固定基座11由位置可调的金属滑块组成，用于夹持激光耦合透镜，并调整位置；磁铁固定板12采用非铁磁性材料，用于将磁铁位置固定，同时可以将磁铁拆卸更换；后端外壳13和前端外壳14均采用非铁磁性材料组成，用于器件的固定以及整个太赫兹产生模块的安装。
该装置工作原理是：外部配置的光源发射的激光通过传输光纤1传输到太赫兹发射模块内部，激光经过激光耦合透镜2后聚焦到电子自旋芯片3处，用于激励芯片辐射太赫兹波，激光的入射到电子自旋芯片上的激光光斑位置和尺寸影响太赫兹波的辐射方向和辐射效率，通过调节光纤固定基座10以及激光耦合透镜固定基座11的前后位置，可以调整激光的聚焦位置和聚焦光斑的尺寸；进而实现太赫兹辐射方向和辐射效率的优化；光纤尾套和后端外壳用于传输光纤、光纤固定基座、激光耦合透镜固定基座的固定安装，用于保持激光传输的稳定性；通过第一磁铁和第二磁铁对电子自旋芯片的材料磁化提供磁场，通过控制磁场强度和磁场方向可以实现太赫兹辐射强度和辐射方向的控制，磁铁固定板采用非铁磁性材料用于实现磁铁的安装固定；电子自旋芯片辐射的太赫兹波是发散的，经过超半球透镜后实现初步的会聚，再经过太赫兹透镜后实现准直输出，前端外壳用于固定基片、超半球透镜、太赫兹透镜、磁铁的固定安装，用来保持太赫兹发射信号的稳定性。
电子自旋芯片3由铁磁层(FM)/非铁磁层(NM)以FM|NM|FM|NM结构组合而成，并固定在固定基片4上，入射飞秒激光脉冲激发铁磁层的金属材料中的电子到费米上能级，从而改变它们的能带速度和散射率。因为FM和NM层具有不同的传输特性，会产生一个净电流。另外，因为FM金属(如Fe、Co和Ni)中密度、能带速度和自旋-向上电子(多数)寿命的乘积显著地高于自旋-向下电子(少数)，该电流则会实现强自旋极化。当进入NM层时，自旋轨道耦合使自旋向上和自旋向下电子在相反的方向发生偏转。这种逆自旋霍尔效应(ISHE)将纵向自旋电流密度转换为超快横向电荷电流密度，从而可以实现太赫兹辐射。
通过磁铁5和磁铁8给电子自旋芯片3的材料磁化提供磁场，通过控制磁场强度和磁场方向可以实现太赫兹辐射强度和辐射方向的控制。
电子自旋芯片3辐射的太赫兹波是发散的，经过超半球透镜6后实现初步的会聚，再经过太赫兹透镜7后实现准直输出。光纤尾套9、磁铁固定板12、后端外壳13和前端外壳14起到器件保护和固定的作用。其中后端外壳用于传输光纤、光纤固定基座、激光耦合透镜固定基座的固定安装，用于保持激光传输的稳定性，前端外壳用于固定基片、超半球透镜、太赫兹透镜、磁铁的固定安装，用于保持太赫兹辐射信号的稳定性，均采用非铁磁性材料组成。图2是集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块的太赫兹时域光谱系统，该系统工作原理是：飞秒激光器出射的激光经1×2耦合器分为两束，其中一束经过光纤延迟器后由传输光纤将激光入射到光纤耦合电子自旋发射天线，用于实现太赫兹波的产生，另一束经传输光纤入射到光纤耦合光电导探测天线，用于实现太赫兹波的探测，光纤延迟器用于实现太赫兹脉冲的等效时间采样。与现有的基于电子自旋发射的太赫兹时域光谱系统相比，发射端采用光纤耦合结构设计，在测试样品时发射天线和探测天线均为光纤耦合式的器件，所以器件的相对位置和角度可以灵活调节而不影响激光的传输，方便用户使用。与现有的基于光电导天线发射的太赫兹时域光谱系统相比，本太赫兹时域光谱系统由于采用电子自旋芯片，发射天线成本更低；发射端光纤的微小位置变化不会影响发射效率，稳定性更好；同时发射端不需要施加偏置电压，可以省掉偏置电压源，可以进一步降低成本。
相对于现有技术方案，本发明的有益效果在于：1、提出一种集成电子自旋芯片的光纤耦合式太赫兹发射天线的设计及一体化封装方案，该方案可有效保证天线工作的稳定性，且便于调试和维修。2、采用电子自旋芯片作为太赫兹发射源，采用磁铁产生的磁场来实现驱动，可大大降低成本，同时采用一体化的光束变换和封装模块，可以提高太赫兹发射源的稳定性和太赫兹波的利用效率。3、采用光纤耦合方式传输激光，可有效降低天线性能对振动等因素的敏感程度，提高稳定性，降低成本，提高利用效率。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，包括：光纤固定基座上的传输光纤、激光耦合透镜固定基座上的激光耦合透镜、固定基片上的固定的电子自旋芯片、第一磁铁、超半球透镜、太赫兹透镜、第二磁铁；外部配置的光源发射的激光通过传输光纤传输激光，激光经过激光耦合透镜后聚焦到电子自旋芯片处，用于激励芯片辐射太赫兹波，激光的入射到电子自旋芯片上的激光光斑位置和尺寸影响太赫兹波的辐射方向和辐射效率，通过调节光纤固定基座以及激光耦合透镜固定基座的前后位置，用于调整激光的聚焦位置和聚焦光斑的尺寸，进而实现太赫兹辐射方向和辐射效率的优化；光纤尾套和后端外壳用于传输光纤、光纤固定基座、激光耦合透镜固定基座的固定安装，用于保持激光传输的稳定性；通过第一磁铁和第二磁铁对电子自旋芯片的材料磁化提供磁场，通过控制磁场强度和磁场方向可以实现太赫兹辐射强度和辐射方向的控制，磁铁固定板采用非铁磁性材料用于实现磁铁的安装固定；电子自旋芯片辐射的太赫兹波是发散的，经过超半球透镜后实现初步的会聚，再经过太赫兹透镜后实现准直输出，前端外壳用于固定基片、超半球透镜、太赫兹透镜、磁铁的固定安装，用来保持太赫兹发射信号的稳定性。
2.如权利要求1所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，所述传输光纤采用单模光纤或者单模保偏光纤；所述激光耦合透镜采用对泵浦激光高透的聚焦镜，用于将泵浦激光聚焦到电子自旋芯片上；所述电子自旋芯片采用基于电子自旋效应的多层异质结构，由非铁磁层/铁磁层/非铁磁层组成；所述固定基片采用对太赫兹波高透的材料。
3.如权利要求2所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，所述第一磁铁和第二磁铁采用尺寸超过电子自旋芯片截面的磁铁，并在电子自旋芯片两边对称放置，用于提供电子自旋芯片产生太赫兹波所需要的磁场；还设置有磁铁固定板，采用非铁磁性材料，用于将磁铁位置固定，同时用于将磁铁拆卸更换。
4.如权利要求3所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，所述超半球透镜采用高阻硅材料，用于聚集发散的太赫兹波；所述太赫兹透镜由对太赫兹波高透的TPX材料组成，用于将太赫兹波准直输出。
5.如权利要求4所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，还设置有光纤尾套由橡胶组成，用于保护光纤尾部；所述光纤固定基座由可移动的金属滑块组成，用于固定传输光纤以及调试传输光纤与激光耦合透镜之间的距离；所述激光耦合透镜固定基座由位置可调的金属滑块组成，用于夹持激光耦合透镜，并调整位置。
6.如权利要求5所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，还设置有后端外壳和前端外壳，其中后端外壳用于传输光纤、光纤固定基座、激光耦合透镜固定基座的固定安装，用于保持激光传输的稳定性，前端外壳用于固定基片、超半球透镜、太赫兹透镜、磁铁的固定安装，用于保持太赫兹辐射信号的稳定性，均采用非铁磁性材料组成。
7.如权利要求5所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块，其特征在于，所述电子自旋芯片由铁磁层FM/非铁磁层NM以FM|NM|FM|NM结构组合而成，并固定在固定基片上。
8.如权利要求1所述的集成电子自旋芯片的太赫兹产生模块的太赫兹时域光谱系统，其特征在于，飞秒激光器出射的激光经1×2耦合器分为两束，其中一束经过光纤延迟器后由传输光纤将激光入射到光纤耦合电子自旋发射天线，用于实现太赫兹波的产生，另一束经传输光纤入射到光纤耦合光电导探测天线，用于实现太赫兹波的探测，光纤延迟器用于实现太赫兹脉冲的等效时间采样；在测试样品时发射天线和探测天线均为光纤耦合式的器件，所以器件的相对位置和角度可以灵活调节而不影响激光的传输，方便用户使用。
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