[發明專利]一種太赫茲自旋發射器及制備方法

在審

• 申請號: 202110312727.3
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113093318A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 吳曉君;劉少杰;郭豐瑋;李培炎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00;G02B1/00;H01S1/02
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明屬于太赫茲發射領域，特別涉及一種太赫茲自旋發射器及制備方法。所述發射器包括激光發射器和太赫茲自旋發射件，所述太赫茲自旋發射件包括襯底、制備在所述襯底上的納米異質結以及覆蓋在所述納米異質結表面的金納米材料；所述激光發射器發射的激光的波長與所述金納米材料的共振峰相等。所述制備方法包括使用移液槍吸取水溶性金納米材料溶液，滴加在所述納米異質結表面上；等待水溶液自然蒸發后，制備得到所述太赫茲自旋發射件。本發明在不改變太赫茲時域光譜測量系統任何參數的情況下，進一步提升了自旋發射材料輻射太赫茲波的效率，提升效率可以達到5％～140％。

技術領域

本發明屬于太赫茲發射領域，特別涉及一種增強的太赫茲自旋發射器及制備方法。

背景技術

太赫茲波通常是指0.1THz—10THz之間的電磁輻射，介于電子學與光學的過渡階段。由于其位置的特殊性，使得太赫茲具備很多性質，比如低能性、穿透性、帶寬性、相干性等。這些獨特的性質使得太赫茲在國防安全、生物檢測、帶寬通信、無損檢測、太赫茲時域光譜儀等領域具有重要的應用價值。因此研制一種廉價的、易集成的、高效的太赫茲輻射源和探測器成為近幾十年的一個重要研究方向。傳統的產生太赫茲輻射的方法，比如光整流、光電導天線、空氣等離子體等都無法同時滿足廉價、易集成、高效三個要求。太赫茲自旋發射器件以其制作價格低廉，厚度低(僅為納米量級)，效率高(超越了傳統的電光晶體(例如1mm的ZnTe(110)))的特點，成為了理想的太赫茲輻射源。

目前常用來產生太赫茲輻射的方法有光整流、光電導天線、空氣等離子體，具體如下：

1)光整流是利用飛秒激光脈沖和非線性介質相互作用產生低頻電極化場，然后利用低頻電極化場輻射太赫茲電磁波。利用光整流產生太赫茲輻射的常用晶體包含有機晶體(ZnTe、LiNbO3等)和無機晶體(DAST、DSTMS等)，它們是桌面式太赫茲時域光譜儀(THz-TDS)常用的晶體。其中，基于LiNbO3的傾斜波前技術產生的太赫茲波能量高達1.4mJ，峰值場強達6.3MVcm-1。

2)光電導天線通常是由兩端鍍了金屬電極的半導體材料構成，常用的半導體材料為低溫生長的GaAs或InGaAs，飛秒激光輻照半導體材料產生的光生載流子在電極的作用下作加速運動，形成瞬態電流，輻射太赫茲波。光電導天線結構較為簡單，易于得到較高功率和寬頻帶的太赫茲電磁波，使其成為商用最廣泛的太赫茲輻射器件。目前利用光電導天線產生太赫茲波能量達到11uJ，峰值電場強度達到115kVcm-1。

3)空氣等離子體是利用高能飛秒激光經過倍頻晶體產生倍頻光，將時間同步偏振一致的基頻光和倍頻光聚焦在空氣中產生空氣等離子體，然后由空氣等離子體輻射出高效寬帶的太赫茲電磁波。通過調控雙色場的相對相位、脈沖寬度和等離子體的長度可實現對太赫茲波方位角、帶寬和橢偏度的控制。目前使用雙色的中紅外激光產生空氣等離子體可實現2.36％的太赫茲轉化效率，峰值場強大于100MVcm-1。

以上三種都可以產生高效的太赫茲，但是它們都是桌面式的輻射器件，價格昂貴且難以集成，距離實現大范圍商業化仍有遙遠的距離。

早在2004年人們就發現利用磁性材料的超快退磁效應可以實現太赫茲的輻射，但是直接利用磁性材料的超快退磁產生太赫茲輻射效率低，無法直接應用為太赫茲輻射源。直到2013年，人們發現將鐵磁(Fe)和非鐵磁(Au/Ru)性金屬制作成異質結，利用逆自旋霍爾效應(inverse spin Hall effect,ISHE)可以有效地把熱電子層間擴散引起超快自旋流轉化為面內的電荷流，大幅提高太赫茲的發射效率。由此，太赫茲自旋發射器件開始有望成為一種新的發射源。之后，人們進一步改良雙層異質結材料，并在其基礎上優化升級為三層異質結(W/CoFeB/Pt)。最終成功設計實現了基于自旋發射的太赫茲輻射源。在10fs激光泵浦下，不僅實現1-30THz的超寬帶太赫茲波輻射，而且其發射效率可以輕松超越傳統的光電導天線和非線性晶體。這使得太赫茲自旋發射器件成為目前一種高效的太赫茲輻射源。