[發(fā)明專利]一種基于線柵結(jié)構(gòu)自旋電子器件的圓偏振太赫茲輻射裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110312269.3
• 申請(qǐng)日: 2021-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN115133378A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶鎮(zhèn)生;劉昌勤;吳義政;田傳山;張盛;王順甲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S1/02
• 分類號(hào): H01S1/02
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

本發(fā)明涉及一種基于線柵結(jié)構(gòu)自旋電子器件的圓偏振太赫茲輻射裝置，可對(duì)太赫茲波的橢偏度及手性進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，裝置包括由多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)組成的自旋電子太赫茲發(fā)射器件，多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)包括相互堆疊的磁性金屬材料層和非磁金屬材料層，磁性層包括鐵磁、亞鐵磁金屬材料；非磁層采用具有高自旋?電荷轉(zhuǎn)化效率的金屬材料。多層異質(zhì)結(jié)在平面內(nèi)為線柵結(jié)構(gòu)。通過飛秒激光脈沖激發(fā)磁化后的磁性層中的自旋極化電子，然后經(jīng)過非磁層轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)的瞬態(tài)電流，從而產(chǎn)生太赫茲輻射；利用外加可調(diào)控磁場(chǎng)改變自旋極化電子在非磁層中的偏轉(zhuǎn)方向，從而改變瞬態(tài)電流在線柵結(jié)構(gòu)中的分布，實(shí)現(xiàn)寬頻強(qiáng)場(chǎng)太赫茲?rùn)E偏度及手性的調(diào)控。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有寬太赫茲光譜范圍、高橢偏率、偏振狀態(tài)和手性連續(xù)可調(diào)以及高產(chǎn)生效率等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快非線性光學(xué)技術(shù)和自旋電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基 于線柵結(jié)構(gòu)自旋電子器件的圓偏振太赫茲輻射裝置。

背景技術(shù)

高能量寬譜偏振可調(diào)太赫茲光源在光學(xué)研究中具有非常重要的應(yīng)用。太赫茲輻射光譜上處于紅外光譜和微波譜范圍之間，覆蓋0.1至10太赫茲頻率。太赫茲光 譜學(xué)應(yīng)用寬譜太赫茲光源探測(cè)材料性質(zhì)。太赫茲光源在材料探測(cè)上具有許多獨(dú)特的 優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：第一，許多大分子的結(jié)合能處于0.1到15THz波段。太赫茲光譜學(xué) 可以對(duì)生物、化學(xué)和醫(yī)藥領(lǐng)域的材料組成進(jìn)行分析；第二，太赫茲光譜學(xué)可以測(cè)量 電子在凝聚態(tài)材料中的高頻電導(dǎo)率；第三，太赫茲光在材料中的傳播對(duì)于材料的電 導(dǎo)率非常敏感，衣物、紙張、塑料、陶瓷和半導(dǎo)體硅片等材料對(duì)于太赫茲光是透明 的，這也使太赫茲光是非破壞式成像的有用光源；第四，太赫茲光也是高速無線通 訊技術(shù)潛在的載體光源。除了上述太赫茲光的特點(diǎn)之外，圓偏振太赫茲光由于攜帶 有光子角動(dòng)量，在對(duì)磁性材料和手性大分子的探測(cè)中可以發(fā)揮巨大的作用。例如， 太赫茲波段的磁圓二色性測(cè)量可以直接探測(cè)磁性樣品的磁化率在不同頻率下的響 應(yīng)。由于上述應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展一種可靠的寬譜強(qiáng)場(chǎng)圓偏振或偏振可調(diào)的太赫茲 光源受到了廣泛的關(guān)注。但是，高效的寬譜圓偏振太赫茲的產(chǎn)生在技術(shù)上一直是十分困難的。

目前，市場(chǎng)上并沒有產(chǎn)生寬譜圓偏振或偏振可調(diào)太赫茲輻射的產(chǎn)品。現(xiàn)有寬譜 太赫茲光的主要可以通過在電光晶體(electro-optical crystals)中的光學(xué)整流過程(optical rectification)、在半導(dǎo)體天線結(jié)構(gòu)(semiconductor antennas)中的瞬時(shí)電流以及強(qiáng)激光聚焦空氣\氣體等離子體等產(chǎn)生方式。但是上述方法都無法在產(chǎn)生圓偏 振太赫茲光。一些方法可以通過量子級(jí)聯(lián)激光(quantum cascade laser)或者超導(dǎo)約 瑟夫森結(jié)(superconducting Josephson junction)的方法產(chǎn)生太赫茲輻射，但是這兩 種方法僅能夠產(chǎn)生窄光譜的太赫茲輻射。最后，圓偏振太赫茲輻射也可以通過反射 型超結(jié)構(gòu)表面或Fresnel rhomb陣列組成的四分之一波片在線偏振光源后產(chǎn)生，但 是目前這些方法效率較低、無法調(diào)節(jié)寬譜的太赫茲輻射的偏振狀態(tài)，同時(shí)也無法連 續(xù)調(diào)節(jié)太赫茲光的偏振狀態(tài)和手性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了填補(bǔ)偏振可調(diào)的寬譜太赫茲輻射源的技術(shù)空白而提供 的一種基于線柵結(jié)構(gòu)自旋電子器件的圓偏振太赫茲輻射裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于線柵結(jié)構(gòu)自旋電子器件的圓偏振太赫茲輻射裝置，包括由多層磁性/ 非磁異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)組成的自旋電子器件，該多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)包括相互堆疊的磁性層和 非磁層，所述磁性層包括鐵磁、亞鐵磁金屬材料；所述非磁層采用具有高自旋-電 荷轉(zhuǎn)化效率的金屬材料。所述多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為線柵結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，通過對(duì)所述多層異質(zhì)結(jié)線柵結(jié)構(gòu)施加磁場(chǎng)，磁化磁性金屬層，產(chǎn)生 自旋極化電子。

進(jìn)一步地，通過飛秒激光脈沖激發(fā)上述自旋極化電子，產(chǎn)生自旋電流，然后經(jīng) 過非磁層轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)的瞬態(tài)電流，從而產(chǎn)生太赫茲輻射。