RU2617732C1 - Твердотельный источник электромагнитного излучения - Google Patents
Твердотельный источник электромагнитного излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2617732C1 RU2617732C1 RU2015154495A RU2015154495A RU2617732C1 RU 2617732 C1 RU2617732 C1 RU 2617732C1 RU 2015154495 A RU2015154495 A RU 2015154495A RU 2015154495 A RU2015154495 A RU 2015154495A RU 2617732 C1 RU2617732 C1 RU 2617732C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working layer
- cylindrical
- rod
- solid
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Заявляемое устройство предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения. Твердотельный источник электромагнитного излучения содержит рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала. Рабочий слой твердотельного источника расположен на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн. На поверхности рабочего слоя расположена, контактируя с ним, массивная пластина из электропроводящего материала со сквозными отверстиями. В каждое из отверстий вставлен цилиндрический ферромагнитный стержень с заостренным концом так, что острый конец каждого из стержней контактирует с рабочим слоем. Расстояние между осями соседних цилиндрических стержней D должно удовлетворять условию , где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D1 - диаметр цилиндрического участка стержня. Твердотельный источник электромагнитного излучения содержит источник электропитания, один полюс которого соединен с цилиндрическими стержням, а другой с массивной пластиной с отверстиями. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности электромагнитного излучения, а также повышения долговечности и надежности работы. 2 ил.
Description
Заявляемое устройство относится к классу квантовых генераторов с токовой накачкой. Оно предназначено для генерации когерентного и некогерентного электромагнитного излучения в диапазоне терагерцовых субмиллиметровых и инфракрасных частот.
Известен источник когерентного излучения (лазер) [Osipov V.V., Brutkovski A.M. Heterolaserand light emittingsource of polarized radiation, United Stats Patent, 6993056, Januari 31, 2006], где введен ферромагнитный материал для инжекции спин-поляризованных электронов в слой полупроводника. Механизм излучения возникает за счет электрон-дырочной рекомбинации. Из-за спиновой поляризации электронов излучение поляризовано. Диапазон излучения оптический или ИК.
Известно устройство [Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М., Панас А.И., Крикунов А.И. Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент РФ №2344528, январь 20, 2009 г.] для генерации терагерцевого излучения за счет переходов носителей заряда между спиновыми энергетическими подзонами в ферромагнитных проводящих материалах. Оно выполнено в виде многослойной структуры, содержащей три слоя из одного ферромагнитного проводящего материала. Первый слой, являющийся инжектором спин-поляризованных электронов, второй слой - рабочий, где возникает излучение благодаря излучательным переходам носителей зарядов между спиновыми энергетическими подзонами, третий слой для приема отработавших электронов из второго слоя. Недостаток такого устройства заключается в том, что из-за малости размеров его рабочего слоя (десятки нанометров) через него можно пропускать малые токи (единицы микроампер) даже при достижимой рабочей плотности тока 107-109 А/см2, что ограничивает мощность генерации.
Из числа известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является твердотельный источник электромагнитного излучения [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн, С.Г Чигарев. Твердотельный источник электромагнитного излучения. Патент №2464683. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 октября 2009 г.], содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, причем контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем. Предельно допустимый ток в таком устройстве 200-300 мА ограничивает мощность излучения. Кроме того, использование одного стержня снижает надежность работы устройства и сокращает его срок службы.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении мощности электромагнитного излучения твердотельного источника и увеличении надежности его работы в рабочем диапазоне длин волн, в частности в терагерцовом диапазоне.
Указанная задача решается тем, что твердотельный источник электромагнитного излучения, содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, диаметр отверстия превышает диаметр стержня, а сам стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем, в отличие от известного дополнительно содержит несколько цилиндрических стержней, выполненных аналогично указанному выше и соединенных с тем же полюсом источника питания, а пластина дополнительно содержит несколько отверстий, аналогичных указанному выше отверстию, причем число отверстий равно числу цилиндрических стержней, каждый из которых входит в соответствующее отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем, при этом расстояние D между осями соседних стержней выбрано из условия
где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D1 - диаметр
цилиндрического участка стержня.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства (вид сбоку), на фиг. 2 изображены энергетические спиновые подзоны для электронов, имеющих спины противоположной ориентации, направление которых указано тонкими стрелками. Направление вниз - параллельно намагниченности стержня, направление вверх - антипараллельно намагниченности стержня. Такая картина наблюдается для каждого из цилиндрических стержней.
Предложенный твердотельный источник электромагнитного излучения (см. фиг. 1) содержит источник питания 1, рабочий слой 2, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке 3 из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, несколько цилиндрических стержней 4 с заостренными концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенных с одним из полюсов источника питания 1, пластину 5 из проводящего материала со сквозными отверстиями 6, число отверстий 6 равно числу цилиндрических стержней 4, каждый из которых входит в соответствующее отверстие 6 так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем 2. Расстояние D между осями соседних цилиндрических стержней 4 выбрано из условия
где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D1 - диаметр цилиндрического участка стержня. Пластина 5 соединена с другим полюсом источника питания 1.
Торец заостренного конца каждого из цилиндрических стержней 4 в плане может иметь произвольную форму (окружность, эллипс, многоугольник и тому подобное). При этом протяженность границы торца - его периметр, определяется из условия
где I - ток, протекающий через твердотельный источник электромагнитного излучения, jn - минимальное значение плотности тока, необходимого для работы твердотельного источника электромагнитного излучения, Δ - толщина рабочего слоя 2, которая выбирается соизмеряемой с толщиной скин-слоя для материала рабочего слоя 2. Цилиндрические стержни 4 служат для подвода электрического тока, формирования намагниченности М2 рабочего слоя 2 и являются радиаторами, охлаждающими рабочую область слоя 2.
Намагниченность М1 каждого из цилиндрических стержней 4 (см. фиг. 1) направлена вдоль его оси, намагниченность М рабочего слоя 2 при отсутствии цилиндрических стержней 4 направлена параллельно плоскости слоя 2, перпендикулярно оси цилиндрических стержней 4. Контакт цилиндрических стержней 4 с рабочим слоем 2 обеспечивает из-за суперпозиции полей М1 и М появление в рабочем слое 2 для каждого контакта составляющей намагниченности М2, параллельной оси цилиндрических стержней 4 и имеющей направленность, противоположную М1 [Е.А. Вилков, П.Е. Зилберман, Г.М. Михайлов, С.Г. Чигарев. Магнитостатическое поле в ТГц структуре стержень-пленка // РЭ, 2014, том 59, №10, с. 1-10]. Такое распределение намагниченности для каждого цилиндрического стержня обеспечивается разнесением соседних цилиндрических стержней на расстояние D, большее диаметра цилиндрического участка стержня 4.
Эффект сложения мощностей излучения от каждого цилиндрического стержня 4 достигается накладыванием на расстояние D дополнительного условия фазирования сигнала
где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D1 - диаметр цилиндрического участка стержня.
Эффект сложения мощности излучения от каждого цилиндрического стержня 4 может достигаться и накоплением мощности в резонансной системе, с выводом ее части из резонатора в свободное пространство. Но и в этом случае необходимо выполнение условия (1).
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2, на которой энергетические подзоны изображены по оси энергии Е). При подаче на цилиндрические стержни 4 и пластину 5 напряжения U источника питания 1 в его цепи возникает электрический ток. Проходя по цилиндрическим стержням 4, спины электронов тока в каждом из цилиндрических стержней ориентируются по или против намагниченности М1, занимая соответственно нижнюю (параллельные спины) или верхнюю (антипараллельные спины) энергетические подзоны, то есть происходит спин-поляризация электрического тока. Поляризации электронов обозначены на фиг. 2 тонкими стрелками. Поляризованный по спину электрический ток, находясь в энергетическом равновесии, удерживаемом намагниченностью М1 за счет смещения по энергии дна подзон на величину ΔЕ1, но имея для обеих энергетических подзон общий уровень Ферми εF, указанный на фиг. 2 штриховой линией, вытекает из цилиндрических стержней 4 и растекается по рабочему слою 2 с иной намагниченностью М2 от каждого стержня до границы соответствующего отверстия 6 пластины 5. Электроны тока, оказавшись в рабочем слое 2 с иной намагниченностью М2, испытывают обменное взаимодействие с намагниченностью М2, направленной против М1,. приводящей к изменению смещения дна подзон до величины ΔЕ2. В результате этого взаимодействия энергетические подзоны меняют свое положение по энергии Е. Электроны со спинами, антипараллельными М1, опускаются по энергии до уровня, показанного на фиг. 2 штрихпунктирной жирной линией, а электроны с противоположными спинами увеличивают свою энергию до уровня, показанного жирной сплошной линией. С учетом кинетической энергии инжектированных из стержней 4 электронов они заполняют все состояния между дном подзон и соответствующими квазиуровнями Ферми εF↓ и εF↑, показанными на фиг. 2 тонкими линиями. Таким образом, спин-поляризованный электрический ток оказывается в энергетически возбужденном состоянии, что наблюдается на длине спиновой релаксации l~30 нм. Проходя этот участок рабочего слоя 2 за границей торца острия каждого из цилиндрических стержней 4, энергетически возбужденные электроны релаксируют с излучением кванта энергии.
Для достижения мощности излучения, превышающей мощность потерь в рабочем слое 2, необходима большая плотность тока 106-109 А/см2. Такая плотность тока достигается в рабочем слое 2 для каждого из цилиндрических стержней 4 у торца его острия из-за малости толщины рабочего слоя (десятки нанометров) и определяется соотношением (2).
В частном случае, когда торец острия каждого из цилиндрических стержней 4 имеет круглую форму, его периметр L=2Rπ, где R - радиус торца острия цилиндрического стержня. Оценка для круглого торца острия стержней 4 показывает, что при электрическом токе 0,1 А, протекающем через каждый цилиндрический стержень 4, плотность тока 107 А/см2 в рабочем слое 2 достигается при R=10 мкм и толщине пленки Δ=10 нм. Опыт работы с заявляемым устройством показывает допустимость протекания и больших значений тока через каждый цилиндрический стержень 4, вплоть до значения в несколько сот мА.
Возможность пропускания таких токов через заявляемое устройство объясняется тем, что высокая плотность тока наблюдается только в очень малом объеме рабочей области 2, определяемом длиной спиновой релаксации (20-30 нм). При удалении от границы торца каждого из цилиндрических стержней 4 плотность тока уменьшается обратно пропорционально расстоянию от его центра. В каждом цилиндрическом стержне 4 наибольшая плотность тока в R/Δ раз меньше плотности тока, достигаемой в рабочей области слоя 2 по границе торца острия каждого из цилиндрических стержней 4.
Работоспособность устройства при таких токах обусловлена еще и тем, что каждый из металлических цилиндрических стержней 4 играет роль радиатора, отводящего тепло из рабочей области. Пластина 5 дополнительно отводит тепло от рабочего слоя 2.
Так как толщина Δ рабочего слоя 2 соизмерима с толщиной скин-слоя на рабочих частотах, то рабочая область слоя 2 представляет собой монолитный излучатель, от которого по всем направлениям в телесный угол 4π распространяется излучение. Электромагнитные волны из рабочей области, слоя 2, распространяются в открытое пространство за подложкой 3.
Claims (3)
- Твердотельный источник электромагнитного излучения, содержащий источник питания, рабочий слой, выполненный в виде пленки из проводящего ферромагнитного материала, расположенной на подложке из диэлектрика или полупроводника, прозрачного для излучения рабочего диапазона длин волн, цилиндрический стержень с заостренным концом из проводящего ферромагнитного материала, соединенный с одним из полюсов источника питания, пластину из проводящего материала со сквозным отверстием, контактирующую с рабочим слоем и соединенную с другим полюсом источника питания, при этом диаметр отверстия превышает диаметр цилиндрического участка стержня, а сам цилиндрический стержень входит в это отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем, отличающийся тем, что твердотельный источник дополнительно содержит несколько цилиндрических стержней, выполненных аналогично указанному выше и соединенных с тем же полюсом источника питания, а пластина дополнительно содержит несколько отверстий, аналогичных указанному выше отверстию, при этом число отверстий равно числу цилиндрических стержней, каждый из которых входит в соответствующее отверстие так, что его заостренный конец находится в контакте с рабочим слоем, причем расстояние D между осями соседних цилиндрических стержней выбрано из условия
- где n=1, 2, 3, 4… целое число, λ - длина волны излучения, D1 - диаметр цилиндрического участка стержня.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015154495A RU2617732C1 (ru) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015154495A RU2617732C1 (ru) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2617732C1 true RU2617732C1 (ru) | 2017-04-26 |
Family
ID=58643327
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015154495A RU2617732C1 (ru) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2617732C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2715892C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-03-04 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российская академия наук" | Твердотельный источник электромагнитного излучения и способ его изготовления |
RU2752019C1 (ru) * | 2020-12-03 | 2021-07-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ генерации непрерывного когерентного излучения с частотой 2,52 тгц |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2344528C1 (ru) * | 2007-04-16 | 2009-01-20 | Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
RU2351045C1 (ru) * | 2007-07-10 | 2009-03-27 | Институт физики металлов УрО РАН | Твердотельный мазер на электронах проводимости |
RU2464683C1 (ru) * | 2011-04-26 | 2012-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
US8638035B2 (en) * | 2010-01-11 | 2014-01-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Terahertz radiation sources and methods of manufacturing the same |
-
2015
- 2015-12-18 RU RU2015154495A patent/RU2617732C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2344528C1 (ru) * | 2007-04-16 | 2009-01-20 | Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран) | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
RU2351045C1 (ru) * | 2007-07-10 | 2009-03-27 | Институт физики металлов УрО РАН | Твердотельный мазер на электронах проводимости |
US8638035B2 (en) * | 2010-01-11 | 2014-01-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Terahertz radiation sources and methods of manufacturing the same |
RU2464683C1 (ru) * | 2011-04-26 | 2012-10-20 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Твердотельный источник электромагнитного излучения |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2715892C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-03-04 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российская академия наук" | Твердотельный источник электромагнитного излучения и способ его изготовления |
RU2752019C1 (ru) * | 2020-12-03 | 2021-07-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) | Способ генерации непрерывного когерентного излучения с частотой 2,52 тгц |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104871287B (zh) | 用于热电子能量转换的设备和方法 | |
Papaioannou et al. | Efficient terahertz generation using Fe/Pt spintronic emitters pumped at different wavelengths | |
Preu et al. | Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications | |
Hofmann et al. | Design parameters for a nano-optical Yagi–Uda antenna | |
Chang et al. | Helical quantum states in HgTe quantum dots with inverted band structures | |
US7715892B2 (en) | Tunable, superconducting, surface-emitting teraherz source | |
CN109830874B (zh) | 一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器 | |
US6960779B2 (en) | Photon source and method of operating a photon source | |
Asai et al. | Three-dimensional numerical analysis of terahertz radiation emitted from intrinsic Josephson junctions with hot spots | |
RU2617732C1 (ru) | Твердотельный источник электромагнитного излучения | |
Luo et al. | Review of low profile substrate integrated waveguide cavity backed antennas | |
Rudau et al. | Three-dimensional simulations of the electrothermal and terahertz emission properties of Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 intrinsic Josephson junction stacks | |
Li et al. | Current Modulation of Plasmonic Nanolasers by Breaking Reciprocity on Hybrid Graphene–Insulator–Metal Platforms | |
RU2464683C1 (ru) | Твердотельный источник электромагнитного излучения | |
CN101431106B (zh) | 基于负微分迁移率的平面纳米电磁辐射器结构 | |
JP5332886B2 (ja) | 光子発生装置 | |
Chen et al. | Simultaneous terahertz pulse generation and manipulation with spintronic coding surface | |
RU2344528C1 (ru) | Твердотельный источник электромагнитного излучения | |
US20120076164A1 (en) | Microwave circuit | |
RU2688096C2 (ru) | Твердотельный источник электромагнитного излучения | |
Kampfrath et al. | Ultrafast and terahertz spintronics: Guest editorial | |
Grigorev | Terahertz Electronics | |
RU2351045C1 (ru) | Твердотельный мазер на электронах проводимости | |
CN104330929A (zh) | 基于电控液晶双模微透镜的控光芯片 | |
Fortuna et al. | Electrically injected nanoLED with enhanced spontaneous emission from a cavity backed optical slot antenna |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201219 |