CN115295718B - 一种电流驱动光场调控装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流驱动光场调控装置，包括磁绝缘体异质结薄膜以及与磁绝缘体异质结薄膜的电极区域接触的重金属电极，重金属电极与电流注入模块的输出端电性连接，电流注入模块的输入端与用于输出正负脉冲的脉冲电源电性连接。本发明采用上述结构的电流驱动光场调控装置，无需外部强磁场的供给，因此可以大大减小体积，利于模块化的集成；并且调控驱动能量来自于外加的弱脉冲电流，主要磁调控反应是发生在样品内部，因此不存在磁场外泄造成干扰的问题；最后由于自旋轨道转矩的响应速度非常快(小于20ms)，且由于脉冲电流方向的高可控性，因此光场调控速度与施加电流脉冲的速度几乎一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种光场调控技术，尤其涉及一种电流驱动光场调控装置及其使用方法。
背景技术
光子自旋霍尔效应，根本的物理机制是光子的自旋-轨道相互作用(与电子的自旋霍尔效应类似，两束圆偏振光对应于自旋电子，而折射率(相位)梯度对应于外场)，是指当一束线偏振光在非均匀介质中传输时，自旋相反的分量沿垂直于折射率梯度的方向朝相反方向漂移，从而使得此光束分裂成两束圆偏振光并分居在传输光束截面的两侧。光子自旋霍尔效应已经被广泛应用于判定金属厚度、石墨烯层数、铁的磁光系数、材料的手征性、晶体导电性，同时还可应用于生化传感和光学边缘检测等领域。
随着研究的深入，我们发现利用光子自旋霍尔效应这一物理机制进行动态、实时地调控自旋分裂和光场分布具有极大的基础研究意义及工业应用潜力。截至目前，光子自旋霍尔效应的物理特性及影响因素虽然已被研究，多种调控光子自旋霍尔效应的手段也已经被提出，但还未实现对自旋相关分裂的灵活调控。
近年来，磁光材料(传输媒质的介电常数张量不对称)在光子自旋霍尔效应的调制中展示出了巨大的潜力。当一束线偏振光入射到磁性介质表面并发生反射时，会产生磁光克尔效应(磁光光自旋霍尔效应)。磁光光自旋霍尔效应通过改变磁场大小和方向能够实现对光场较为灵活的调控。然而磁光光自旋霍尔效应的调制对外加磁场的要求较高，由于其通常情况下以永磁铁或电磁铁作为施加磁场的来源，故存在以下几个问题：
1、由于采用的是电磁铁作为外部磁场源，而电磁铁的结构(多匝线圈组合的大型软磁柱)就决定了该光场调控技术组件难以集成；2、为了保证光场调控的效果，因此需要引入较大的外磁场才能推动光场调控的有序实施，这就无法避免存在较大电流的输入(大于3A)，导致存在较多的无用磁场，对周围模块造成磁干扰；3、当光场需要调控到相反方向时，需要电磁铁磁性翻转，工作过程是先将原方向的磁场慢慢下降为零，再反方向提高输出磁场，因此调控速度较慢(大于10s)，响应时间较长。
综上可知，现有调控装置存在磁场大小控制难、磁力线分布复杂、笨重和成本高、稳定性差等问题。因此，能否通过磁场之外的方法实现磁光光自旋霍尔效应的调制，保证磁光光自旋霍尔效应优点的同时解决其应用存在的问题目前仍然是一个具有挑战的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流驱动光场调控装置，无需外部强磁场的供给，因此可以大大减小体积，利于模块化的集成；并且调控驱动能量来自于外加的弱脉冲电流，主要磁调控反应是发生在样品内部，因此不存在磁场外泄造成干扰的问题；最后由于自旋轨道转矩的响应速度非常快(小于20ms)，且由于脉冲电流方向的高可控性，因此光场调控速度与施加电流脉冲的速度几乎一致。
为实现上述目的，本发明提供了一种电流驱动光场调控装置，包括磁绝缘体异质结薄膜以及与所述磁绝缘体异质结薄膜的电极区域接触的重金属电极，所述重金属电极与电流注入模块的输出端电性连接，所述电流注入模块的输入端与用于输出正负脉冲的脉冲电源电性连接；
实现了通过向磁绝缘体异质结薄膜注入平行于样品表面的电流，引起磁绝缘体异质结薄膜内部的自旋轨道转矩发生可控性翻转，从而调控由磁绝缘体异质结薄膜非电极区域入射的水平偏振的高斯光束，以实现通过电流快速调控光场的目的。
优选的，本发明还包括用于给所述磁绝缘体异质结薄膜提供大小为10毫特斯拉的弱磁场，以打破所述磁绝缘体异质结薄膜中类阻尼场的旋转对称性，减小推动磁绝缘体异质结薄膜自旋轨道转矩所需的能量的辅助弱磁场模块，所述辅助弱磁场模块的主要成分为钕磁铁。
优选的，所述磁绝缘体异质结薄膜、所述辅助弱磁场模块、所述重金属电极以及所述电流注入模块集成布置，所述电流注入模块经引出导线与所述脉冲电源电性连接。
优选的，所述电流注入模块上固定有所述磁绝缘体异质结薄膜的背面，所述磁绝缘体异质结薄膜正面两侧的电极区域与所述重金属电极接触，所述重金属电极的两端均经金属导线与所述电流注入模块电性连接，所述电流注入模块的侧部固定有所述辅助弱磁场模块。
优选的，所述电流注入模块包括焊接于载体电路板上的导电焊盘，所述导电焊盘一端经金属导线与所述重金属电极电性连接，另一端经所述引出导线与所述脉冲电源电性连接。
优选的，所述磁绝缘体异质结薄膜为由铁磁性材料制成的厚度不超过100纳米的薄膜。
优选的，所述铁磁性材料为铈、镝和铝中的一种及其任意组合。
优选的，所述重金属电极的主要成分为铂，厚度不超过50纳米。
优选的，所述脉冲电源模块为输出脉宽为2ms～1000ms、电流幅值为5mA～100A的脉冲电流源。
基于一种电流驱动光场调控装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、采用水平偏振的高斯光束入射到所述磁绝缘体异质结薄膜中间的非电极区域，并调整倾斜角，使其在样品表面发生全反射，得到反射光束；
S2、打开脉冲电源，脉冲电源经电流注入模块给重金属电极施加正负脉冲电流，电流注入到重金属电极中，由于重金属中存在自旋耦合效应，因此将注入的电流转化为自旋流再次注入到磁绝缘体异质结薄膜中，从而产生的力矩，推动磁绝缘体异质结薄膜内自旋轨道转矩发生翻转，引起磁绝缘体异质结薄膜的外磁性发生改变；此时当水平偏振的高斯光束入射到磁绝缘体异质结薄膜会发生磁光光自旋霍尔效应，光自旋霍尔效应质心发生位移，而自旋轨道转矩发生翻转后，磁绝缘体异质结薄膜外磁性改变导致磁光效应发生相反作用，从而引起光自旋霍尔效应质心位移发生相反位移，实现光场调控的功能。
因此，本发明的有益效果如下：
1、由于不需要强外磁场，且主要磁调控反应是发生在样品内部，因此不存在磁场外泄造成干扰的问题，克服了传统利用外加强磁场所导致的干扰性强、精度难以保证的问题，同时还大大减小了设备体积，利于模块化的集成。
2、大大提高了光场调控的速度，由于外加脉冲电流实现对光场的调控，因此响应速度非常快，响应时间最短可以低至20ms，远远低于传统通过改变电磁场极性(大于10s)调控光场所需的时间，有效提高光场调控的效率。
3、有效节约能源，相较于利用电磁铁提供的外部强磁场所需的高电流(大于3A)，本模块所使用的脉冲电流幅值不超过60mA，远远小于电磁铁的供电功率，从而可大幅度地降低器件功耗，提高能源的利用率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电流注入模块的接线图；
图3为本发明的光子自旋霍尔效应质心位移与电流方向的关系图；
图4为本发明的光子自旋霍尔效应质心位移与电流大小的关系图。
其中：1、磁绝缘体异质结薄膜；2、重金属电极；3、电流注入模块；4、辅助弱磁场模块；5、脉冲电源。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的电流注入模块的接线图，如图1和图2所示，本发明的结构包括磁绝缘体异质结薄膜1以及与所述磁绝缘体异质结薄膜1的电极区域接触的重金属电极2，所述重金属电极2与电流注入模块3的输出端电性连接，所述电流注入模块3的输入端与用于输出正负脉冲的脉冲电源5电性连接；实现了通过向磁绝缘体异质结薄膜1注入平行于样品表面的电流，引起磁绝缘体异质结薄膜1内部的自旋轨道转矩发生可控性翻转，从而调控由磁绝缘体异质结薄膜1非电极区域入射的水平偏振的高斯光束，以实现通过电流快速调控光场的目的。
优选的，本发明还包括用于给所述磁绝缘体异质结薄膜1提供大小为10毫特斯拉的弱磁场，以打破所述磁绝缘体异质结薄膜1中类阻尼场的旋转对称性，减小推动磁绝缘体异质结薄膜1自旋轨道转矩所需的能量的辅助弱磁场模块4，所述辅助弱磁场模块4的主要成分为钕磁铁。其中，所述磁绝缘体异质结薄膜1为由铁磁性材料制成的厚度不超过100纳米的薄膜。所述铁磁性材料为铈(Ce)、镝(Dy)和铝(Al)中的一种及其任意组合。所述重金属电极2的主要成分为铂(Pt)，厚度不超过50纳米。所述脉冲电源5模块为输出脉宽为2ms～1000ms、电流幅值为5mA～100A的脉冲电流源。
优选的，所述磁绝缘体异质结薄膜1、所述辅助弱磁场模块4、所述重金属电极2以及所述电流注入模块3集成布置，所述电流注入模块3经引出导线与所述脉冲电源5电性连接。具体的，所述电流注入模块3上固定有所述磁绝缘体异质结薄膜1的背面，所述磁绝缘体异质结薄膜1正面两侧的电极区域与所述重金属电极2接触，所述重金属电极2的两端均经金属导线与所述电流注入模块3电性连接，所述电流注入模块3的侧部固定有所述辅助弱磁场模块4，集成化设置，体型更小。
优选的，所述电流注入模块3包括焊接于载体电路板上的导电焊盘，其为尺寸为1平方厘米(cm2)的电路板，其侧部设置有四根金属导线，对应的四角上均设置有导电焊盘，相邻两个导电焊盘的间距为5mm，导电焊盘的焊点直径为1.5mm，接口直径为0.5mm，所述导电焊盘一端经金属导线与所述重金属电极2电性连接，另一端经所述引出导线与所述脉冲电源5电性连接。本实施例中，所述导电焊盘、金属导线以及引出导线的材质均为铜。
基于一种电流驱动光场调控装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、采用水平偏振的高斯光束入射到所述磁绝缘体异质结薄膜1中间的非电极区域，并调整倾斜角，使其在样品表面发生全反射，得到反射光束；
S2、打开脉冲电源5，脉冲电源5经电流注入模块3给重金属电极2施加正负脉冲电流，电流注入到重金属电极2中，由于重金属中存在自旋耦合效应，因此将注入的电流转化为自旋流再次注入到磁绝缘体异质结薄膜1中，从而产生的力矩，推动磁绝缘体异质结薄膜1内自旋轨道转矩发生翻转，引起磁绝缘体异质结薄膜1的外磁性发生改变；此时当水平偏振的高斯光束入射到磁绝缘体异质结薄膜1会发生磁光光自旋霍尔效应，光自旋霍尔效应质心发生位移，而自旋轨道转矩发生翻转后，磁绝缘体异质结薄膜1外磁性改变导致磁光效应发生相反作用，从而引起光自旋霍尔效应质心位移发生相反位移，实现光场调控的功能。
图3为本发明的光子自旋霍尔效应质心位移与电流方向的关系图；如图3所示，入射的高斯光束波长为633nm，入射角为70°，辅助弱磁场模块4提供了+910Oe(奥斯特)即正方向9.1毫特斯拉的磁场；脉冲电源5模块输出脉宽为20ms、幅值±60mA(即电流密度为±8×108Am-2(安/平方米))的正负向脉冲电流，可以观察到，光自旋霍尔效应的光束质心收到脉冲电流后马上发生跳变，且位移达到60μm，达到了入射波长的100倍，且位移的方向与注入脉冲电流的方向高度一致，反应了电流方向与光自旋霍尔效应质心横移的关系，实现了利用调控注入脉冲电流方向从而调控光场质心位移方向的效果。
图4为本发明的光子自旋霍尔效应质心位移与电流大小的关系图，如图4所示，入射的高斯光束波长为633nm，入射角为70°，辅助弱磁场模块4提供了+910Oe(奥斯特)即正方向9.1毫特斯拉的磁场；脉冲电源5模块输出脉宽为20ms、幅值-60mA～60mA(即电流密度为-8×108Am-2～8×108Am-2(安/平方米))的脉冲电流，可以观察到，光自旋霍尔效应的光束质心位移大小与注入脉冲电流的幅值基本呈现正比例关系，表明了可以通过调整注入脉冲电流的幅值大小调控光自旋霍尔效应的质心横移大小，实现了利用调控注入脉冲电流幅值大小从而调控光场质心位移大小的效果。
因此，本发明采用上述结构的电流驱动光场调控装置，无需外部强磁场的供给，因此可以大大减小体积，利于模块化的集成；并且调控驱动能量来自于外加的弱脉冲电流，主要磁调控反应是发生在样品内部，因此不存在磁场外泄造成干扰的问题；最后由于自旋轨道转矩的响应速度非常快(小于20ms)，且由于脉冲电流方向的高可控性，因此光场调控速度与施加电流脉冲的速度几乎一致。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种电流驱动光场调控装置，其特征在于：包括磁绝缘体异质结薄膜以及与所述磁绝缘体异质结薄膜的电极区域接触的重金属电极，所述重金属电极与电流注入模块的输出端电性连接，所述电流注入模块的输入端与用于输出正负脉冲的脉冲电源电性连接；
实现了通过向磁绝缘体异质结薄膜注入平行于样品表面的电流，引起磁绝缘体异质结薄膜内部的自旋轨道转矩发生可控性翻转，从而调控由磁绝缘体异质结薄膜非电极区域入射的水平偏振的高斯光束，以实现通过电流快速调控光场的目的；
还包括用于给所述磁绝缘体异质结薄膜提供大小为10毫特斯拉的弱磁场，以打破所述磁绝缘体异质结薄膜中类阻尼场的旋转对称性，减小推动磁绝缘体异质结薄膜自旋轨道转矩所需的能量的辅助弱磁场模块，所述辅助弱磁场模块的主要成分为钕磁铁；
所述磁绝缘体异质结薄膜、所述辅助弱磁场模块、所述重金属电极以及所述电流注入模块集成布置，所述电流注入模块经引出导线与所述脉冲电源电性连接；
所述电流注入模块上固定有所述磁绝缘体异质结薄膜的背面，所述磁绝缘体异质结薄膜正面两侧的电极区域与所述重金属电极接触，所述重金属电极的两端均经金属导线与所述电流注入模块电性连接，所述电流注入模块的侧部固定有所述辅助弱磁场模块。
2.根据权利要求1所述的一种电流驱动光场调控装置，其特征在于：所述电流注入模块包括焊接于载体电路板上的导电焊盘，所述导电焊盘一端经金属导线与所述重金属电极电性连接，另一端经所述引出导线与所述脉冲电源电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种电流驱动光场调控装置，其特征在于：所述磁绝缘体异质结薄膜为由铁磁性材料制成的厚度不超过100纳米的薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种电流驱动光场调控装置，其特征在于：所述铁磁性材料为铈、镝和铝中的一种及其任意组合。
5.根据权利要求1所述的一种电流驱动光场调控装置，其特征在于：所述重金属电极的主要成分为铂，厚度不超过50纳米。
6.根据权利要求1所述的一种电流驱动光场调控装置，其特征在于：所述脉冲电源模块为输出脉宽为2ms～1000ms、电流幅值为5mA～100A的脉冲电流源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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