CN111916976A - 一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源 - Google Patents
一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，基于自旋发射原理，将铁磁纳米薄膜和石英棱体结合，通过调节外加磁场方向，实现一种高效、紧凑、稳定、低成本的宽带偏振可调谐太赫兹辐射源。产生偏振可调谐太赫兹波的结构简单，易于低成本大批量制备，克服了现有方案对材料要求高、结构复杂、成本高等缺点；实现原理简单，圆偏振太赫兹波合成基于全反射定则，具有材料省、性能牢固稳定等优点；产生的圆太赫兹波质量高，合成圆偏振的两束子线偏振分量互成希尔伯特变换，拥有宽频带的90°相位差，可以产生宽频带圆偏振太赫兹波；产生的太赫兹辐射的偏振态可直接通过外部磁场方向来控制，实施起来简单、高效。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波产生技术领域，尤其涉及一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源。
背景技术
太赫兹波是频带在0.1THz～30THz之间的电磁波，其频率范围处在微波毫米波的上沿和远红外的下沿之间。由于传统的电子学手段和经典的光子学手段都难以很好地处理这一频段的电磁波，这也使它成为最后一段被人类了解和认识的电磁波波段。太赫兹波作为一种公认的具备优良特性的电磁波段，其具有穿透性、低能性、宽带性、唯一性等诸多优点，在无线通信、生物医疗、凝聚态材料研究等领域都有着广泛的应用前景。
近年来，基于飞秒激光技术的太赫兹辐射源取得快速发展，各种基于飞秒激光的小型化、高可靠、低成本的太赫兹辐射源陆续出现。在诸多基于飞秒激光的太赫兹辐射源中，利用相应的自旋电子学现象和原理来产生太赫兹波是具有较大潜力的一种方法，非常有希望满足日益发展的太赫兹技术对高效、高功率、低成本的太赫兹辐射源的需求，并有望推动太赫兹技术的发展。
手性可调谐太赫兹波组携带着完整的空间维度信息，在凝聚态物理、生化动力学过程探究、短距离高频通信等方面都具有潜在的广阔应用前景。然而，如何稳定、高效地制备出超宽带、高效率、高品质的圆偏振太赫兹波，仍然是一个很大的难题。并且，在得到圆偏振太赫兹波之后，如何进一步实现对圆偏振波偏振态和手性的精确任意调控，对于太赫兹技术应用于诸多领域具有更加重大的意义。目前诸多典型的方法产生的偏振可调控的太赫兹波，其性能无法达到实际应用所需要的指标，因此，我们有必要结合现有的研究成果，探究如何产生高质量的宽带圆偏振太赫兹波，并实现其偏振态和手性的任意调控。
目前产生圆偏振太赫兹波的方法主要为以下几种：(1)基于反铁磁共振的太赫兹辐射源；(2)基于非线性晶体差频效应的太赫兹辐射源；(3)基于光导天线的太赫兹辐射源；(4)基于拓扑绝缘体的太赫兹辐射源。上述四种方案都有其各自的优缺点：(1)基于反铁磁共振的太赫兹辐射源是基于自旋极化电流。当利用飞秒激光脉冲泵浦照射反铁磁材料NiO单晶样品时，可以通过调整前后两束入射光的偏振角角度和时延来实现对NiO单晶中纵磁化矢量的控制，并进一步实现偏振可调谐太赫兹辐射源。该方案出射的太赫兹波拥有很高的灵活性，可以满足凝聚态物理、生物手性分子的研究，然而受限于晶体的损伤阈值，泵浦激光很难继续加大功率，加之设备相对复杂，使得这种方案难以应用到信息与通信工程行业当中。(2)非线性晶体的差频效应是一种获得高频太赫兹辐射源极其有效的方法。目前，常见的基于非线性晶体的太赫兹辐射源可以产生中心频率覆盖15-30THz、窄带可调协的峰值电场可达到100MV/cm的极强太赫兹辐射，然而，这样的辐射源的频率普遍偏高，很难产生中心频谱在15THz以下的太赫兹辐射。15THz以下的频段被认为是凝聚态体系里面最适用的太赫兹频段，这是因为许多凝聚态体系的声子振动频率恰好落在这个频段，中心频谱过高的缺陷限制了该种太赫兹辐射源在凝聚态物理等领域的相关应用。(3)光导天线太赫兹辐射源是目前比较成熟和广泛应用的太赫兹辐射源，目前已报导的结果可以实现在聚焦后达到峰值电场接近1MV/cm，已完全具备强场太赫兹辐射源对峰值场强的要求。然而，这样的辐射源最大的缺点在于辐射源很容易饱和，难以进一步提高辐射电场，并且，单纯的光导天线只能产生线偏振的太赫兹辐射，无法实现偏振调谐的目的。(4)拓扑绝缘体应用在太赫兹源中效果显著，拓扑绝缘体是一种具有强自旋轨道耦合的新兴量子物质态，它具有带隙打开的体态和呈现能量-动量线性色散自旋劈裂的表面态。当被飞秒激光脉冲泵浦驱动时，拓扑绝缘子内部的电荷电流和自旋电流会同时贡献太赫兹辐射，通过控制入射飞秒激光的偏振态，可以实现偏振可调谐的太赫兹辐射源。然而，基于拓扑绝缘体的太赫兹源装置比较复杂，整体太赫兹辐射效率较低，在实现集成方面仍具有不小的挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，用以实现一种高效、紧凑、稳定、低成本的宽带圆偏振太赫兹辐射源。
本发明提供的一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，包括：泵浦激光光源、石英棱体和磁铁；其中，
所述石英棱体的形状为直平行六面体，所述石英棱体的一个侧面上生长有铁磁纳米薄膜，该侧面和与该侧面相邻的侧面的夹角为65°，定义生长有铁磁纳米薄膜的侧面为第一侧面，与所述第一侧面相邻且夹角为65°的侧面为第二侧面；所述石英棱体的折射率在太赫兹波段为1.958；
所述磁铁，用于产生磁场；其中，所述磁场的方向平行于所述铁磁纳米薄膜的表面，且所述磁场的磁场方位角可调，所述铁磁纳米薄膜位于所述磁场中；
所述泵浦激光光源，用于发射飞秒激光，照射在所述第一侧面上的铁磁纳米薄膜上，所述飞秒激光泵浦激发所述磁场中的铁磁纳米薄膜产生线偏振太赫兹波，所述线偏振太赫兹波从所述第一侧面进入所述石英棱体，照射在所述第二侧面上，并在所述石英棱体内发生两次全反射后产生偏振可调谐太赫兹波，最后从与所述第一侧面相对的侧面出射；其中，所述飞秒激光与所述铁磁纳米薄膜法线方向的夹角为3.518°。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，所述泵浦激光光源为飞秒脉冲激光器。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，所述铁磁纳米薄膜为厚度分别为1.8nm-2.0nm-1.8nm的W-CoFeB-Pt薄膜。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，所述铁磁纳米薄膜的长度为20mm，宽度为10mm。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，当所述磁场的方向与所述石英棱体相邻两个侧面的相交线的夹角为45°或135°时，从所述石英棱体出射圆偏振太赫兹波；出射太赫兹波的椭圆率随所述磁场的磁场方位角的变化而变化。
本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，基于自旋发射原理，将纳米厚度的铁磁纳米薄膜和菲涅尔石英棱体结合，通过调节外加磁场的方向，设计并实现了一种高效、紧凑、稳定、低成本的宽带偏振可调谐太赫兹辐射源。产生偏振可调谐太赫兹辐射的结构简单，易于低成本大批量制备，无需类似各种超材料的复杂、高成本的制造工艺，克服了现有多种方案对材料要求高、结构复杂、成本高等缺点；实现原理简单，圆偏振太赫兹波合成基于简单的全反射定则，具有材料省、成本低、性能牢固稳定等优点，可以做成便携化插件；制作成本低，只需一块特定形状和角度的石英棱体，并在石英棱体的一个侧面附有铁磁纳米薄膜，与现有的超材料方案相比，本发明在具有更为优良的性能的同时，极大地降低了偏振可调谐太赫兹辐射源的成本；辐射频带宽，出射太赫兹波频谱可以覆盖0.4THz～4THz之间宽广的频带范围；产生的圆偏振太赫兹波的质量高，合成圆偏振的两束子线偏振分量互成希尔伯特变换，拥有宽频带的90°相位差，产生的太赫兹波为宽频带圆偏振太赫兹波；产生的太赫兹辐射的偏振态可直接通过外部磁场方向来控制，实施起来简单、高效。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源的侧视图；
图2为本发明提供的一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源的正视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供的一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，如图1和图2所示，包括：泵浦激光光源1、石英棱体2和磁铁3；其中，
石英棱体2的形状为直平行六面体，石英棱体2的一个侧面上生长有铁磁纳米薄膜4，该侧面和与该侧面相邻的侧面的夹角α为65°，定义生长有铁磁纳米薄膜4的侧面为第一侧面，与第一侧面相邻且夹角为65°的侧面为第二侧面；石英棱体2的折射率在太赫兹波段为1.958；
磁铁3，用于产生磁场；其中，磁场的方向平行于铁磁纳米薄膜4的表面，且磁场的磁场方位角(即磁场的方向与石英棱体相邻两个侧面的相交线的夹角，如图2所示的ξ)可调，铁磁纳米薄膜4位于磁场中；
泵浦激光光源1，用于发射飞秒激光(如图1所示的A所示)，照射在第一侧面上的铁磁纳米薄膜4上，飞秒激光泵浦激发磁场中的铁磁纳米薄膜4产生线偏振太赫兹波(如图1所示的B所示)，线偏振太赫兹波从第一侧面进入石英棱体2，照射在第二侧面上，并在石英棱体2内发生两次全反射后产生偏振可调谐太赫兹波(如图1所示的C所示)，最后从与第一侧面相对的侧面出射；如图1所示，在第二侧面和与第二侧面相对的侧面发生全反射时，全反射角
为63.204°，飞秒激光与铁磁纳米薄膜4法线方向的夹角δ为3.518°。
本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，利用自旋发射自身特点，实现偏振调谐的目的。基于铁磁纳米薄膜所产生的太赫兹辐射是线偏振的，且其偏振方向始终与外加磁场方向垂直，因此，可以通过改变磁场的方向控制线偏振太赫兹波的偏振角度，此时产生的线偏振太赫兹波在水平和竖直方向上的等效振幅分量不再相等，籍此，继而通过精确旋转控制外加磁场方向，就可以精确控制两束子线偏振太赫兹波等效振幅的比值，从而实现了通过精确控制等效投影分量的振幅比值，即可达到控制出射圆偏振太赫兹波的椭圆率和手性的目的。
需要说明的是，本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，其中，宽带指的是合成产生圆偏振太赫兹波的两束子线偏振分量互成希尔伯特变换，两束子线偏振分量之间的相位差为一定值(90°)，相位差在频谱上呈现基本不随频率变化的特点。相位差的具体引入方式如下所述。
众所周知，飞秒激光与磁场中的铁磁薄膜相互作用产生的是线偏振太赫兹波，为了将线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波，不仅需要两束太赫兹波，而且两束太赫兹波需要满足以下条件：(1)两束线偏振太赫兹波的振幅相同；(2)两束线偏振太赫兹波的偏振态方向相互垂直；(3)两束线偏振太赫兹波拥有
(n为整数)的相位差。本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，单个激光脉冲(飞秒激光)只能泵浦产生一束线偏振太赫兹波，该线偏振太赫兹波可以视为由两个偏振垂直、振幅相等、相位差为0的线偏振组成。对比圆偏振合成条件，需要将由线偏振太赫兹波分解成的两束子线偏振太赫兹波分量间的相位差由0变为宽带
则这两束子线偏振太赫兹波即可达成圆偏振太赫兹波的合成产生条件。本发明利用坡面角(第一侧面与第二侧面的夹角)α＝65°的直平行六面体形状的石英棱体，实现对两束子线偏振太赫兹波分量全反射补偿π/2相位差。通过对入射电场进行解析，结合折射定律和菲涅尔公式可推导出，全发射所引入的相位差与入射角δ和石英棱体的折射率有关，所选用的石英棱体在太赫兹波段的折射率为1.958。由于石英的折射率不够高，单次全反射所引起的相位差无法达到π/2，因此，需要在石英棱体中对太赫兹波进行两次全反射来实现π/2相移的目的。通过计算可得，需要控制太赫兹波在石英棱体内部界面的全反射角度为
根据折射定律和实际使用石英棱体的几何尺寸，可以得到当飞秒激光与石英棱体第一侧面法线方向的夹角为δ＝3.518°时，以此角度入射的飞秒激光所泵浦产生的太赫兹波经过石英-空气界面的两次全反射后，即可得到宽带圆偏振太赫兹辐射。
在具体实施时，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，泵浦激光光源为飞秒脉冲激光器。
在具体实施时，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，利用自旋发射的机理，在磁场激发下通过铁磁纳米薄膜和飞秒激光相互作用激发逆自旋霍尔效应产生超快光电流，从而辐射出线偏振太赫兹信号。若想获得高效的太赫兹辐射，铁磁纳米薄膜中铁磁金属层和重金属层的厚度需要根据具体材料进行选择，铁磁金属层的厚度可以在1nm～3nm范围内变动，重金属层的厚度可以在1nm～10nm范围内变动。较佳地，铁磁纳米薄膜优选W-CoFeB-Pt薄膜，W、CoFeB、Pt单层的厚度分别为1.8nm、2.0nm、1.8nm，铁磁纳米薄膜的总厚度为5.6nm，在这种最优化厚度下，铁磁纳米薄膜拥有最高的太赫兹辐射效率。
当然，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，铁磁纳米薄膜并非局限于W-CoFeB-Pt薄膜，还可以为其他类型的铁磁纳米薄膜，例如，W-NiFeB-Pt薄膜、W-Fe-Bi2Te3薄膜等，在此不做限定。
较佳地，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，铁磁纳米薄膜在满足大尺寸条件，即铁磁纳米薄膜的延展尺寸覆盖石英棱体第一侧面20mm×10mm的范围时，器件使用便利性与灵活性获得极大地增加，也为器件的商用化创造了条件。
在具体实施时，在本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源中，当磁场的方向与石英棱体相邻两个侧面的相交线的夹角(即磁场方位角ξ)为45°或135°时，从石英棱体出射的太赫兹波为圆偏振太赫兹波；当磁场的磁场方位角ξ为0°或90°或180°或270°时，从石英棱体出射的太赫兹波为线偏振太赫兹波；当磁场的磁场方位角ξ为除上述角度以外的其它角度时，从石英棱体出射的太赫兹波为椭圆率大于0且小于
的椭圆偏振太赫兹波；通过调制磁场的磁场方位角ξ，可以进一步实现出射太赫兹波的椭圆率调控，而出射太赫兹波的椭圆率经计算可得，其在数值上恰好等于ξ。
本发明提供的上述基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，基于自旋发射原理，将纳米厚度的铁磁纳米薄膜和菲涅尔石英棱体结合，通过调节外加磁场的方向，设计并实现了一种高效、紧凑、稳定、低成本的宽带偏振可调谐太赫兹辐射源。产生偏振可调谐太赫兹辐射的结构简单，易于低成本大批量制备，无需类似各种超材料的复杂、高成本的制造工艺，克服了现有多种方案对材料要求高、结构复杂、成本高等缺点；实现原理简单，圆偏振太赫兹波合成基于简单的全反射定则，具有材料省、成本低、性能牢固稳定等优点，可以做成便携化插件；制作成本低，只需一块特定形状和角度的石英棱体，并在石英棱体的一个侧面附有铁磁纳米薄膜，与现有的超材料方案相比，本发明在具有更为优良的性能的同时，极大地降低了偏振可调谐太赫兹辐射源的成本；辐射频带宽，出射太赫兹波频谱可以覆盖0.4THz～4THz之间宽广的频带范围；产生的圆偏振太赫兹波的质量高，合成圆偏振的两束子线偏振分量互成希尔伯特变换，拥有宽频带的90°相位差，产生的太赫兹波为宽频带圆偏振太赫兹波；产生的太赫兹辐射的偏振态可直接通过外部磁场方向来控制，实施起来简单、高效。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，其特征在于，包括：泵浦激光光源、石英棱体和磁铁；其中，
所述石英棱体的形状为直平行六面体，所述石英棱体的一个侧面上生长有铁磁纳米薄膜，该侧面和与该侧面相邻的侧面的夹角为65°，定义生长有铁磁纳米薄膜的侧面为第一侧面，与所述第一侧面相邻且夹角为65°的侧面为第二侧面；所述石英棱体的折射率在太赫兹波段为1.958；
所述磁铁，用于产生磁场；其中，所述磁场的方向平行于所述铁磁纳米薄膜的表面，且所述磁场的磁场方位角可调，所述铁磁纳米薄膜位于所述磁场中；
所述泵浦激光光源，用于发射飞秒激光，照射在所述第一侧面上的铁磁纳米薄膜上，所述飞秒激光泵浦激发所述磁场中的铁磁纳米薄膜产生线偏振太赫兹波，所述线偏振太赫兹波从所述第一侧面进入所述石英棱体，照射在所述第二侧面上，并在所述石英棱体内发生两次全反射后产生偏振可调谐太赫兹波，最后从与所述第一侧面相对的侧面出射；其中，所述飞秒激光与所述铁磁纳米薄膜法线方向的夹角为3.518°。
2.如权利要求1所述的基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，其特征在于，所述泵浦激光光源为飞秒脉冲激光器。
3.如权利要求1所述的基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，其特征在于，所述铁磁纳米薄膜为厚度分别为1.8nm-2.0nm-1.8nm的W-CoFeB-Pt薄膜。
4.如权利要求1所述的基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，其特征在于，所述铁磁纳米薄膜的长度为20mm，宽度为10mm。
5.如权利要求1～4任一项所述的基于自旋发射的超宽带偏振可调谐太赫兹辐射源，其特征在于，当所述磁场的方向与所述石英棱体相邻两个侧面的相交线的夹角为45°或135°时，从所述石英棱体出射圆偏振太赫兹波；出射太赫兹波的椭圆率随所述磁场的磁场方位角的变化而变化。
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