一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其具体结构包括：铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面形成有二维电子气；通过飞秒激光脉冲泵浦铁磁纳米层，激发超快自旋流从铁磁纳米层注入二维电子气中，二维电子气中的反Edelstein效应使超快自旋流转换为皮秒量级的瞬时电荷流，从而向两侧辐射出太赫兹脉冲；外加磁场施加于铁磁纳米层面内，改变外加磁场方向可调控太赫兹脉冲的偏振方向；在铁磁纳米层和底电极之间施加电压，可调控太赫兹脉冲的偏振、强度和频谱宽度；因此本发明专利技术可在单一器件上实现不同偏振、强度、频谱宽度等的太赫兹脉冲产生。

A terahertz pulse generator controlled by magnetic field and voltage

The invention discloses a terahertz pulse generator controlled by magnetic field and voltage, which consists of a ferromagnetic nano layer /LaAlO3 nano layer /SrTiO3 substrate / bottom electrode, the interface of the LaAlO3 nano layer and the SrTiO3 substrate forms two-dimensional electron gas; the ultrafast spin flow is excited from the iron by the femtosecond laser pulse pumped by the ferromagnetic nanoscale layer. The inverse Edelstein effect in the two-dimensional electron gas is injected into the magnetic nano layer. The ultrafast self swirl is converted into a picosecond instantaneous charge flow, and the terahertz pulse is radiated from the two sides. The applied magnetic field is applied to the ferromagnetic nano layer and changes the polarization direction of the tunable terahertz pulse in the direction of the external magnetic field; in the iron, the magnetic field is changed to the direction of the polarization of the terahertz pulse. The polarization, intensity and spectrum width of the terahertz pulse can be controlled by applying voltage between the magnetic nanoscale and the bottom electrode; therefore, the invention can produce terahertz pulses with different polarization, intensity, spectrum width and so on on a single device.

【技术实现步骤摘要】
一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器
本专利技术涉及太赫兹光电器件技术，具体为一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器。
技术介绍
太赫兹（THz）波是指频率从0.1THz到10THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波。太赫兹波具有许多独特性质，比如透射性、安全性、很强的光谱分辨本领等，这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景，包括太赫兹雷达和通信、光谱和成像、无损探伤、安全检测等方面。太赫兹发生器是太赫兹系统的重要组成部分。现有常规的太赫兹脉冲产生，主要基于光整流、光电导天线、空气等离子体等。但这些太赫兹脉冲发生器，不能同时对产生的太赫兹脉冲的偏振、强度、频谱宽度等同时进行调控，从而满足相关的应用需求。随着发展，出现利用新型太赫兹系列的发生器方案，比如公开号为CN105914564A，公开日2016年8月31日的中国专利技术专利申请，公开了一种高强度宽带太赫兹波发生器，基本结构包括：双面抛光基底、[铁磁薄膜/非磁性金属薄膜/能透射THz波的绝缘层]n或[非磁性金属薄膜/铁磁薄膜/能透射THz波的绝缘层]n（n≥1，n为重复核心层个数）。该种发生器在使用时，利用铁磁/非磁性金属薄膜层中的反自旋霍尔效应产生THz脉冲，通过改变磁场方向，可改变太赫兹光波的偏振方向。但是该种发生器，不能同时对太赫兹的偏振、强度、频谱宽度等进行调控，因此还不能完全达到需求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种全新机理的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，能够在单一器件上实现不同偏振、强度、频谱宽度等的太赫兹脉冲产生。为实现以上目的，本专利技术的技术方案是：一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于：包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构，该多层结构依次为铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间形成有二维电子气；所述铁磁纳米层的外侧加飞秒激光脉冲；所述多层结构的铁磁纳米层施加面内磁场，用于调控太赫兹脉冲的偏振；所述多层结构的铁磁纳米层和底电极的之间加设电压，通过外加电压调控太赫兹脉冲的偏振、强度和频谱宽度等。所述铁磁纳米层的材料可选用以下材料之一：Fe、Co、Ni单一成分或其合金，或者加入其它成分的合金，如CoFeB、Fe3Si；铁磁纳米层的厚度范围为1nm-10nm；LaAlO3纳米层的厚度范围为0.5nm-5nm。所述二维电子气形成于LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间，飞秒激光脉冲泵浦铁磁纳米层，激发超快自旋流从铁磁纳米层注入二维电子气，二维电子气的反Edelstein效应使超快自旋流转换为皮秒量级的瞬时电荷流，从而使得所述发生器向两侧辐射出太赫兹脉冲。所述外加磁场可通过磁场发生器提供，外加磁场可在铁磁纳米层面内旋转；磁场使铁磁纳米层在面内饱和磁化；产生的太赫兹脉冲的偏振方向与瞬时电荷流方向平行，而瞬时电荷流的方向与外加磁场垂直，改变外加磁场方向可调控太赫兹脉冲的偏振方向。本专利技术提供外加电压施加于铁磁纳米层和底电极间，电压可调控二维电子气，从而调控自旋流和电荷流的转换性能，最终调控产生的太赫兹脉冲的偏振、强度、频谱宽度。总体而言，本专利技术设计的发生器具有频谱宽、结构简单、易制备、成本低廉的特点，最关键的是可在单一器件上实现不同偏振、强度、频谱宽度等的太赫兹脉冲产生，为太赫兹的应用提供了更丰富的功能和选择。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。其中；1为飞秒激光脉冲，2为铁磁纳米层，3为LaAlO3纳米层，4为二维电子气，5为SrTiO3衬底，6为底电极，7为磁场，8为超快自旋流，9为瞬时电荷流，10为电压，11为背向出射的太赫兹脉冲，12为正向出射的太赫兹脉冲。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施方式做说明。如图1所示的一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构2-6，飞秒激光脉冲1，外加磁场7，外加电压8。该多层结构依次包括：铁磁纳米层2，LaAlO3纳米层3，SrTiO3衬底5，LaAlO3纳米层3和SrTiO3衬底5界面间形成的二维电子气4，底电极6。所述铁磁纳米层2可选用以下材料之一：Fe、Co、Ni单一成分或其合金，或者加入其它成分的合金，如CoFeB、Fe3Si;铁磁纳米层2的厚度在1-10nm间变动；LaAlO3纳米层3的厚度在0.5nm-5nm间变动。所述多层结构的制备方法为：在SrTiO3衬底5上利用激光脉冲沉积（PLD）生长LaAlO3纳米层3，然后选用激光脉冲沉积、磁控溅射或电子束蒸发等方法生长铁磁纳米层1和底电极6。所述铁磁纳米层2的外侧加飞秒激光脉冲1。所述铁磁纳米层2在面内施加外加磁场7，且外加磁场7可在面内旋转，用于调控太赫兹脉冲的偏振。外加磁场7的实现方式可以是：一种是利用四极电磁铁，通过调节施加在相对两极上的电流来旋转磁场；另一种是将磁铁固定在旋转支架上，旋转磁铁使磁场在面内旋转。所述多层结构的铁磁纳米层2和底电极3之间引出导线，接入电压源正负极，从而对二维电子气4施加电压10，通过外加电压调控太赫兹脉冲的偏振、强度和频谱宽度等。太赫兹脉冲产生的具体实施方法为：外加磁场7施加于铁磁纳米层2面内，飞秒激光脉冲1照射到铁磁纳米层2，激发超快自旋流8从铁磁纳米层2通过LaAlO3纳米层3注入二维电子气4；由于二维电子气4的反Edelstein效应，超快自旋流8转换为时间尺度为皮秒的瞬时电荷流9，从而产生背向出射的太赫兹脉冲11和正向出射的太赫兹脉冲12。产生的太赫兹脉冲11、12的偏振方向与瞬时电荷流9方向平行，而瞬时电荷流9的方向与外加磁场7垂直，因此改变外加磁场7的方向可调控太赫兹脉冲11、12的偏振方向。通过施加外加电压10调控二维电子气，从而调控超快自旋流8和瞬时电荷流9的转换性能，最终通过改变外加电压10的正负、大小调控太赫兹脉冲11、12的偏振、大小和频谱宽度等。以上所公开的内容，只是作为本专利技术的较佳实施例，而不能以此限制本专利技术的权利范围，因此根据本专利技术权利要求保护范围所做的各种变化、修饰、或改进，仍属于本专利技术所要求保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构，该多层结构依次为铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间形成有二维电子气；所述铁磁纳米层的外侧施加飞秒激光脉冲；所述多层结构的铁磁纳米层施加面内外加磁场；所述多层结构的铁磁纳米层和底电极之间加设电压。

【技术特征摘要】
1.一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，包括用于产生太赫兹脉冲的多层结构，该多层结构依次为铁磁纳米层/LaAlO3纳米层/SrTiO3衬底/底电极，LaAlO3纳米层和SrTiO3衬底的界面之间形成有二维电子气；所述铁磁纳米层的外侧施加飞秒激光脉冲；所述多层结构的铁磁纳米层施加面内外加磁场；所述多层结构的铁磁纳米层和底电极之间加设电压。2.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述铁磁纳米层的材料选用以下材料之一：Fe、Co、Ni单一成分或其合金，或者加入其它成分的合金。3.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述铁磁纳米层的厚度范围为1-10nm。4.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器，其特征在于，所述LaAlO3纳米层的厚度范围为0.5nm-5nm。5.根据权利要求1所述的磁场和电压调控的太...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯正，王大承，谭为，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51