CN116260027A - 一种无磁自旋太赫兹发射装置、探测系统及制备方法 - Google Patents

一种无磁自旋太赫兹发射装置、探测系统及制备方法 Download PDF

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吴晓君
刘少杰
陈赛
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Abstract

本发明涉及一种无磁自旋太赫兹发射装置、探测系统及制备方法，属于电磁波电子设备技术领域，解决了现有技术中自旋太赫兹发射器尺寸小、对泵浦激光能量利用率低的问题。本发明的无磁自旋太赫兹发射装置包括激光放大器、分束镜、扩束模块和自旋太赫兹发射模块；分束镜设置于激光放大器的出射端，用于从激光放大器产生的激光中分离出泵浦光；扩束模块包括凹面镜和凸面镜，凹透镜设置于分束镜和凸透镜之间；自旋太赫兹发射模块设置于凸面镜的出光侧；自旋赫兹发射模块设置多个自旋太赫兹发射器，多个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置；泵浦光经自旋太赫兹发射模块产生太赫兹波。

Description

一种无磁自旋太赫兹发射装置、探测系统及制备方法
技术领域
本发明属于电磁波电子设备技术领域，具体涉及一种无磁自旋太赫兹发射装置、探测系统及制备方法。
背景技术
太赫兹波可应用于雷达、遥感、安全检测、高速数据通信、大气与环境检测以及医学诊断等领域。因此，发展太赫兹的研究具有重要的价值。
自旋产生太赫兹波辐射是常用的太赫兹波产生法，如：Kampfrath等人制作了纳米铁磁金属与非铁磁金属异质结，利用激光泵浦的方式激发该异质结中的自旋电子，通过外加磁场，利用逆自旋霍尔效应将自旋流转化为电荷流，产生太赫兹辐射。后来他们还研究了诸多材料，并将双层异质结升级为三层，利用W/CoFeB/Pt三层结构，进一步显著提升太赫兹辐射。但是，当前的自旋太赫兹发射器需要外加磁场，因此，难以在大尺寸下提供均匀的磁场，且磁场的强度会随着正负极之间的距离成反比例关系递减，限制了其尺寸做大。另外，对于大尺寸的自旋太赫兹发射器难以加工制造，大尺寸难以保持衬底和镀膜的平整度和精度。还有，在激光激发自旋太赫兹发射器后，仍有剩余一半的激光能量浪费掉。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种无磁自旋太赫兹发射装置、探测系统及制备方法，解决了现有技术中自旋太赫兹发射器尺寸小、对泵浦激光能量利用率低的问题。
一方面，本发明提供了一种无磁自旋太赫兹发射装置，包括激光放大器、分束镜、扩束模块和自旋太赫兹发射模块；
分束镜设置于激光放大器的出射端，用于从激光放大器产生的激光中分离出泵浦光；
扩束模块包括凹面镜和凸面镜，凹透镜设置于分束镜和凸透镜之间；
自旋太赫兹发射模块设置于凸面镜的出光侧；自旋赫兹发射模块设置多个自旋太赫兹发射器，多个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置；泵浦光经自旋太赫兹发射模块产生太赫兹波。
可选地，设置3个自旋太赫兹发射器：第一自旋太赫兹发射器、第二自旋太赫兹发射器和第三自旋太赫兹发射器；3个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置。
可选地，其中，预设距离的表达式为：
△d＝(△t*c)/△n；
△n＝n环-nTHz；
其中，△d为两个相邻自旋太赫兹发射器之间的间隔距离；△t为通过自旋太赫兹发射器产生的太赫兹与激光的时间差；△n为折射率差；c为光速；n环为激光在环境中的折射率；nTHz为太赫兹光在环境中的折射率。
另一方面，本发明还提供了一种无磁自旋太赫兹发射装置的探测系统，其特征在于，包括自旋太赫兹发射装置、延时器、ITO玻璃、抛物面镜组、探测晶体和电光取样探测器；其中，自旋太赫兹发射装置使用前述自旋太赫兹发射装置；其中，自旋太赫兹发射装置使用前述权利要求1-3任一项的自旋太赫兹发射装置。
第三方面，本发明还提供了一种无磁自旋太赫兹发射装置的无磁自旋太赫兹发射器的制备方法，具体步骤为：
对衬底进行超声清洗；
用氮气吹干衬底表面水分；
对衬底进行磁控涂层溅射获得无磁自旋太赫兹发射器：在衬底上依次溅射IrMn、CoFeB和W涂层获得无磁自旋太赫兹发射器，IrMn、CoFeB和W的厚度比例为：0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明的发射装置能够在不需要外磁场的情况下仍然可以产生太赫兹辐射，由此使得制作大尺寸的自旋太赫兹发射器成为可能，如4英寸大的自旋太赫兹发射器，从面积上相比扩大了100倍，由此产生的太赫兹辐射强度也提升了100倍，生成强场太赫兹波。将自旋太赫兹发射器产生的太赫兹辐射进入强场阶段。
(2)本发明的发射装置利用多个大尺寸无磁场的自旋太赫兹发射器实现了对泵浦飞秒激光能量的重复利用，从而提升了产生太赫兹的总能量，实现强场太赫兹输出。
(3)本发明采用级联发射的方法提高激光能量利用率，将太赫兹输出能量达到强场范围，结构简单，操作方便。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的无磁自旋太赫兹发射装置的探测系统的示意图。
图2为本发明的无磁自旋太赫兹发射装置的结构示意图；
附图标记：
1.激光放大器产生的激光；2.分束镜；3和4.第一区间反射镜；5.第一反射模块；6.第二反射模块；7.延时器；8和9.第三区间反射镜；10.第一区间反射镜；11.凹面镜；12.凸面镜；13.第一自旋太赫兹发射器；14.第二自旋太赫兹发射器；15.第三自旋太赫兹发射器；16.ITO玻璃；17.第一抛物面镜；18.第二抛物面镜；19.太赫兹波；20.第三抛物面镜；21.探测晶体；22.光取样探测器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的一个具体实施例，如图1-2，公开了一种无磁自旋太赫兹发射装置，包括激光放大器、分束镜2、扩束模块、自旋太赫兹发射模块。
可选地，分束镜2设置于激光放大器的出射端，用于将激光放大器产生的激光1分为泵浦光和探测光；优选地，泵浦光和探测光的分束比为1:9。
可选地，分束镜2与扩束模块构成泵浦光光路，分束镜2与扩束模块之间设置第一区间反射镜10，泵浦光从分束镜射出后经第一区间反射镜10射入扩束模块。优选地，扩束模块为10倍扩束模块。
可选地，扩束模块包括凹面镜11和凸面镜12，凹透镜11设置于分束镜2和凸透镜12之间，进一步地，凹透镜11设置于第一区间反射镜10和凸透镜12之间。
可选地，自旋太赫兹发射模块设置于凸面镜12的出光侧；自旋赫兹发射模块设置多个自旋太赫兹发射器，多个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置，优选地，设置3个自旋太赫兹发射器：第一自旋太赫兹发射器13、第二自旋太赫兹发射器14和第三自旋太赫兹发射器15，泵浦光经自旋太赫兹发射模块产生太赫兹波19。
进一步地，3个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置，中间间隔为空气，优选地，第一自旋太赫兹发射器13和第二自旋太赫兹发射器14之间的间隔距离为第一设定距离，第二自旋太赫兹发射器14和第三自旋太赫兹发射器15之间的间隔距离为第二设定距离，实现级联发射，产生多个太赫兹波，实现对飞秒激光的重复利用。
第一设定距离和第二设定距离的均表达式为：
△d＝(△t*c)/△n；
△n＝n环-nTHz；
其中，△d为两个相邻自旋太赫兹发射器之间的间隔距离；△t为通过自旋太赫兹发射器产生的太赫兹与激光的时间差；△n为折射率差；c为光速；n环为激光在环境中的折射率；nTHz为太赫兹光在环境中的折射率。
一个实施例为，对于第一自旋太赫兹发射器13和第二自旋太赫兹发射器14之间的间隔距离，激光放大器发射出中心频率为800nm的飞秒激光，该飞秒激光在空气中的环境折射率n环为1.00027；波长为1THz的太赫兹的THz折射率nTHz为1.00006，因此，△n＝0.00021；为保证激光器能量的充分利用，泵浦光在第一自旋太赫兹发射器13和第二自旋太赫兹发射器14之间进行4次反射，因此，每次反射产生的时间差应该小于125fs；根据上式获得△d<17.8cm。
其中，飞秒激光每次在界面上反射会损耗50％的能量，利用飞秒激光的能量与自旋太赫兹发射器产生太赫兹效率的线性关系，使泵浦光在第一自旋太赫兹发射器13和第二自旋太赫兹发射器14之间进行4次反射，既保证了入射飞秒激光能量的充分利用，又避免了反射次数过多导致带来的太赫兹增益效果不明显。
对于第二自旋太赫兹发射器14和第三自旋太赫兹发射器15之间的间隔距离，由于自旋太赫兹发射器的SiO2衬底导致折射率差变大，在SiO2衬底中的环境折射率n环为1.45；波长为1THz的太赫兹在SiO2中的折射率nTHz为2.5，因此，△n＝1.05。由于透射到第三自旋太赫兹发射器15上的光强仅为入射的25％，使得泵浦光在第二自旋太赫兹发射器14和第三自旋太赫兹发射器15之间进行2次反射，实现了激光能量的充分利用，因此，每次反射产生的时间差应该小于250fs；根据上式获得△d<0.714mm。因此，第二自旋太赫兹发射器14和第三自旋太赫兹发射器15应当满足在紧贴(无空气间隙)的基础上，第二自旋太赫兹发射器14的衬底厚度小于0.714mm。
本发明的另一方面，一种无磁自旋太赫兹发射装置的探测系统，包括自旋太赫兹发射装置、延时器7、ITO玻璃(氧化烟锡玻璃)16、抛物面镜组、探测晶体21和电光取样探测器22。其中，自旋太赫兹发射装置使用前述自旋太赫兹发射装置。
可选地，抛物面镜组中的抛物面镜、探测晶体21与延时器7构成探测光光路，分束镜2与延时器7之间设置多个第二区间反射镜，探测光从分束镜射出后经多个第一区间反射镜3、4射入延时器7，随后经多个第三区间反射镜8、9反射进入抛物面镜射向探测晶体21。
可选地，延时器7包括第一反射模块5和第二反射模块6，第二反射模块5接收从第二区间反射镜4射入的探测光，并将探测光反射向第二反射模块6，第三反射模块6接收从第一反射模块5射入的探测光，并将探测光反射入第二区间反射镜8；第一反射模块5和第二反射模块6均可移动设置，通过同时移动第一反射模块5和第二反射模块6的位置实现对于探测光的行程距离的控制。
可选地，自旋太赫兹发射模块、ITO玻璃16、抛物面镜组依次设置于凸面镜12与探测晶体21之间的泵浦光光路上；泵浦光经自旋太赫兹发射模块产生太赫兹波19；抛物面镜组设置多个抛物面镜，优选地，设置3个抛物面镜：第一抛物面镜17、第二抛物面镜18和第三抛物面镜20。
进一步地，第三抛物面镜20上设置通孔，探测光穿过通孔与从自旋赫兹发射器组射出后通过ITO玻璃16反射经抛物面镜组的太赫兹波19一起聚焦到探测晶体21上。
可选地，电光取样探测器22设置于探测晶体21的后部，用于接收从探测晶体21射出的太赫兹波19和探测光；通过调节第一反射模块5和第二反射模块6的位置使得探测光与太赫兹光时间同步，随后经电光取样探测器22探测探测光的强度变化得到太赫兹波波形。优选地，电光取样探测器22包括探测晶体ZnTe、1/4波片、握拉斯顿棱镜和光电探测器。
可选地，自旋太赫兹发射器为4英寸无磁自旋太赫兹发射器；抛物面镜组中的抛物面镜尺寸大于4英寸以覆盖太赫兹截面。
本发明的第三方面，公开了一种4英寸无磁自旋太赫兹发射器的制备方法，具体步骤为：
对衬底进行超声清洗；衬底的尺寸为3-5英寸，厚度为0.5-1.2mm，优选为，尺寸为4英寸，厚度为1mm；优选地，衬底的材料为SiO2和/或MgO。
用氮气吹干衬底表面水分；
对衬底进行磁控溅射：将加工腔室的真空度设置为高于5×10-6Pa，在衬底的两端施加180Oe的面内外磁场(即外置磁场)，在衬底上依次溅射IrMn、CoFeB和W(钨)涂层制成无磁自旋太赫兹发射器，IrMn、CoFeB和W的厚度比例为：0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5，优选地，IrMn、CoFeB和W的厚度比例为：1：1：1，本发明的比例能够提高降低太赫兹的生产效果，同时，CoFeB诱导IrMn发生交换偏置效应，使得太赫兹自旋发生器能够在无外磁场的情况下也能产生太赫兹辐射。优选地，W：CoFeB：IrMn＝2nm：2nm：2nm。
其中，当开始溅射时，往加工腔室中通入氩气作为溅射气体，并在靶材上施加预设负偏压形成阴极，衬底接地形成阳极。当偏压大于预设值时，阴极将发射电子并在加速电压的作用下往阳极衬底处移动，运动途中的电子与加工腔体内的氩气分子发生碰撞，产生氩离子和新的电子。氩离子在加速电压的作用下轰击靶材的表面，部分靶原子沉积在基片表面形成致密的薄膜。
其中，如图2，第一自旋太赫兹发射器的涂层溅射在光经过衬底后的出射面，第二自旋太赫兹发射器的涂层溅射在光入射衬底的入射面，第三自旋太赫兹发射器的涂层溅射在光入射衬底的入射面。
自旋太赫兹发射器基于溅射的IrMn、CoFeB和W涂层形成反铁磁、铁磁和非铁磁材料，在无外磁场的情况下产生太赫兹辐射。该辐射原理首先是由于反铁磁与铁磁之间发生交换耦合效应，在交换耦合作用下，反铁磁材料的自旋排布影响铁磁材料的自旋排布使其方向一致。这样使得铁磁材料中无序排列的自旋变成有序。该交换耦合作用与对铁磁材料施加一个空间上强度均匀的磁场作用相当。其次是在飞秒激光激发泵浦光进入自旋太赫兹辐射器后，铁磁层的自旋电子形成自旋流注入到反铁磁层和非铁磁层，在逆自旋霍尔效应的作用下自旋流转化为电荷流，产生太赫兹辐射。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无磁自旋太赫兹发射装置，其特征在于，包括激光放大器、分束镜、扩束模块和自旋太赫兹发射模块；
分束镜设置于激光放大器的出射端，用于从激光放大器产生的激光中分离出泵浦光；
扩束模块包括凹面镜和凸面镜，凹透镜设置于分束镜和凸透镜之间；
自旋太赫兹发射模块设置于凸面镜的出光侧；自旋赫兹发射模块设置多个自旋太赫兹发射器，多个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置；泵浦光经自旋太赫兹发射模块产生太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的无磁自旋太赫兹发射装置，其特征在于，设置3个自旋太赫兹发射器：第一自旋太赫兹发射器、第二自旋太赫兹发射器和第三自旋太赫兹发射器；3个自旋太赫兹发射器以预设距离平行设置。
3.根据权利要求2所述的无磁自旋太赫兹发射装置，其特征在于，其中，预设距离的表达式为：
△d＝(△t*c)/△n；
△n＝n环-nTHz；
其中，△d为两个相邻自旋太赫兹发射器之间的间隔距离；△t为通过自旋太赫兹发射器产生的太赫兹与激光的时间差；△n为折射率差；c为光速；n环为激光在环境中的折射率；nTHz为太赫兹光在环境中的折射率。
4.一种无磁自旋太赫兹发射装置的探测系统，其特征在于，包括自旋太赫兹发射装置、延时器、ITO玻璃、抛物面镜组、探测晶体和电光取样探测器；其中，自旋太赫兹发射装置使用前述自旋太赫兹发射装置；其中，自旋太赫兹发射装置使用前述权利要求1-3任一项的自旋太赫兹发射装置。
5.一种无磁自旋太赫兹发射装置的无磁自旋太赫兹发射器的制备方法，具体步骤为：
对衬底进行超声清洗；
用氮气吹干衬底表面水分；
对衬底进行磁控涂层溅射获得无磁自旋太赫兹发射器：在衬底上依次溅射IrMn、CoFeB和W涂层获得无磁自旋太赫兹发射器；IrMn、CoFeB和W的厚度比例为：0.5～1.5:0.5～1.5:0.5～1.5。
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