一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，利用交换偏置多层膜中铁磁/非磁薄膜和/或铁磁/反铁磁薄膜的超快自旋流注入与逆自旋霍尔效应产生太赫兹波。同时利用铁磁/反铁磁薄膜的交换偏置效应产生的交换偏置磁场，固定钉扎铁磁薄膜的磁化强度；并通过旋转样品架旋转交换偏置多层膜，使铁磁薄膜的磁化强度的取向随之旋转，从而改变产生的太赫兹波的偏振方向。该太赫兹波发生器能够产生和非线性晶体相比拟的太赫兹波，且产生的频谱更宽、结构简单而成本更为低廉。同时，本发明专利技术利用铁磁/反铁磁薄膜的交换偏置效应固定了磁化强度的取向，避免了外加磁场发生装置的问题，使得太赫兹波发生器更加简洁方便，且更为实用。

A THz Wave Generator Based on Exchange Bias Magnetic Field

The invention discloses a terahertz wave generator based on exchange bias magnetic field, which generates terahertz wave by using ultrafast spin current injection and reverse spin Hall effect of ferromagnetic/non-magnetic film and/or ferromagnetic/anti-ferromagnetic film in exchange bias multilayer film. At the same time, the exchange bias magnetic field produced by the exchange bias effect of ferromagnetic/antiferromagnetic thin films is used to fix the magnetization of pinned ferromagnetic thin films, and the orientation of magnetization of ferromagnetic thin films is rotated by rotating the sample holder to change the polarization direction of terahertz wave. The terahertz wave generator can generate terahertz waves similar to those of non-linear crystals, and the frequency spectrum is wider, the structure is simple and the cost is lower. At the same time, the exchange bias effect of the ferromagnetic/antiferromagnetic film is used to fix the orientation of the magnetization intensity, avoid the problem of the external magnetic field generator, and make the terahertz wave generator more concise and convenient, and more practical.

【技术实现步骤摘要】
一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器
本专利技术涉及太赫兹光电器件
，更为具体的说，涉及一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器。
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。太赫兹波发生器是太赫兹系统的重要组成部分。传统的基于飞秒激光泵浦的太赫兹发生器，主要有电光晶体、光电导天线、空气等离子体等，但它们在频谱、成本、简便性等方面存在一定瓶颈。因此，发展宽频谱、高效率、简洁、低成本的太赫兹波发生器，具有重大的意义。最近几年出现了基于铁磁/非磁异质结薄膜的太赫兹波发生器这种技术，利用异质结的超快自旋流注入和逆自旋霍尔效应，获得了与非线性晶体相比拟的产生效率，而频谱更宽、成本更为低廉。但这种发生器使用时，需要外加磁场使铁磁层的磁化强度饱和，才能产生太赫兹波。而使用外加磁场发生装置，不够简洁方便，系统较为复杂。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，该发生器能够产生和非线性晶体相比拟的太赫兹波，且产生的频谱更宽、成本更为低廉。同时，本专利技术解决了现有发生器需要外加磁场发生装置的问题，使得太赫兹波发生器更加简洁方便，且更为实用。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，包括：飞秒激光脉冲光源、交换偏置多层膜及可旋转样品架；所述飞秒激光脉冲光源设置于所述交换偏置多层膜的入光面一侧；所述交换偏置多层膜包括沿第一方向依次叠加设置的绝缘衬底、反铁磁薄膜、铁磁薄膜、非铁磁薄膜和绝缘层，其中，所述绝缘衬底和所述绝缘层中任意一侧为所述入光面；以及，所述交换偏置多层膜固定于所述可旋转样品架上，所述可旋转样品架用于带动所述交换偏置多层膜以所述第一方向为轴向旋转。可选的，所述铁磁薄膜为纳米薄膜，所述铁磁薄膜的厚度范围为0.1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述铁磁薄膜的材质包括Fe、Co、Ni、FeNi、CoFe、CoFeB、Co2FeAl、CoMnSi、Fe3Si、YIG、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19中的一种或多种；可选的，所述非磁性薄膜为纳米薄膜，所述非磁性薄膜的厚度范围为0.1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述非磁性薄膜为非磁性金属薄膜、拓扑绝缘体薄膜、外尔半金属薄膜或二维材料；所述非磁性金属薄膜为以下材料之一：Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、CuBi、CuIr、CuPb；所述拓扑绝缘体薄膜为以下材料之一：Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te(BST)、Bi2Te2Se、Sn-dopedBi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3、α-Sn；所述外尔半金属薄膜为以下材料之一：TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2、ZrSiS；以及，所述二维材料为以下材料之一：graphene、MoS2。可选的，所述反铁磁薄膜为反铁磁绝缘薄膜或反铁磁金属薄膜，所述反铁磁绝缘薄膜的厚度范围为1纳米-500纳米，包括端点值；所述反铁磁金属薄膜的厚度范围为1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述反铁磁绝缘薄膜为以下材料之一：NiO、CoO、NixCo1-xO、FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、FeF2、MnF2、CrN、BiFeO3；以及，所述反铁磁金属薄膜为以下材料之一：FeMn、NiMn、IrMn、PtMn、PtPdMn、CrMn、CrAl。可选的，所述绝缘衬底的厚度范围为0.01毫米-5毫米，包括端点值；所述绝缘层的厚度范围为1纳米-100纳米，包括端点值；其中，所述绝缘衬底在所述第一方向上两表面均为抛光面，所述绝缘衬底为以下材料之一：Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2、Y2O3；以及，所述绝缘层为以下材料之一：Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2、Y2O3。以及，本专利技术还提供了一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，包括：飞秒激光脉冲光源、交换偏置多层膜及可旋转样品架；所述飞秒激光脉冲光源设置于所述交换偏置多层膜的入光面一侧；所述交换偏置多层膜包括沿第一方向依次叠加设置的绝缘衬底、非铁磁薄膜、铁磁薄膜、反铁磁薄膜和绝缘层，其中，所述绝缘衬底和所述绝缘层中任意一侧为所述入光面；以及，所述交换偏置多层膜固定于所述可旋转样品架上，所述可旋转样品架用于带动所述交换偏置多层膜以所述第一方向为轴向旋转。可选的，所述铁磁薄膜为纳米薄膜，所述铁磁薄膜的厚度范围为0.1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述铁磁薄膜的材质包括Fe、Co、Ni、FeNi、CoFe、CoFeB、Co2FeAl、CoMnSi、Fe3Si、YIG、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19中的一种或多种。可选的，所述非磁性薄膜为纳米薄膜，所述非磁性薄膜的厚度范围为0.1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述非磁性薄膜为非磁性金属薄膜、拓扑绝缘体薄膜、外尔半金属薄膜或二维材料；所述非磁性金属薄膜为以下材料之一：Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、CuBi、CuIr、CuPb；所述拓扑绝缘体薄膜为以下材料之一：Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te(BST)、Bi2Te2Se、Sn-dopedBi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3、α-Sn；所述外尔半金属薄膜为以下材料之一：TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2、ZrSiS；以及，所述二维材料为以下材料之一：graphene、MoS2。可选的，所述反铁磁薄膜为反铁磁绝缘薄膜或反铁磁金属薄膜，所述反铁磁绝缘薄膜的厚度范围为1纳米-500纳米，包括端点值；所述反铁磁金属薄膜的厚度范围为1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述反铁磁绝缘薄膜为以下材料之一：NiO、CoO、NixCo1-xO、FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、FeF2、MnF2、CrN、BiFeO3；以及，所述反铁磁金属薄膜为以下材料之一：FeMn、NiMn、IrMn、PtMn、PtPdMn、CrMn、CrAl。可选的，所述绝缘衬底的厚度范围为0.01毫米-5毫米，包括端点值；所述绝缘层的厚度范围为1纳米-100纳米，包括端点值；其中，所述绝缘衬底在所述第一方向上两表面均为抛光面，所述绝缘衬底为以下材料之一：Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2、Y2O3；以及，所述绝缘层为以下材料之一：Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，其特征在于，包括：飞秒激光脉冲光源、交换偏置多层膜及可旋转样品架；所述飞秒激光脉冲光源设置于所述交换偏置多层膜的入光面一侧；所述交换偏置多层膜包括沿第一方向依次叠加设置的绝缘衬底、反铁磁薄膜、铁磁薄膜、非铁磁薄膜和绝缘层，其中，所述绝缘衬底和所述绝缘层中任意一侧为所述入光面；以及，所述交换偏置多层膜固定于所述可旋转样品架上，所述可旋转样品架用于带动所述交换偏置多层膜以所述第一方向为轴向旋转。

【技术特征摘要】
1.一种基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，其特征在于，包括：飞秒激光脉冲光源、交换偏置多层膜及可旋转样品架；所述飞秒激光脉冲光源设置于所述交换偏置多层膜的入光面一侧；所述交换偏置多层膜包括沿第一方向依次叠加设置的绝缘衬底、反铁磁薄膜、铁磁薄膜、非铁磁薄膜和绝缘层，其中，所述绝缘衬底和所述绝缘层中任意一侧为所述入光面；以及，所述交换偏置多层膜固定于所述可旋转样品架上，所述可旋转样品架用于带动所述交换偏置多层膜以所述第一方向为轴向旋转。2.根据权利要求1所述的基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，其特征在于，所述铁磁薄膜为纳米薄膜，所述铁磁薄膜的厚度范围为0.1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述铁磁薄膜的材质包括Fe、Co、Ni、FeNi、CoFe、CoFeB、Co2FeAl、CoMnSi、Fe3Si、YIG、GdFeCo、GdCo5、DyCo5、TbFe2和BaFe12O19中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，其特征在于，所述非磁性薄膜为纳米薄膜，所述非磁性薄膜的厚度范围为0.1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述非磁性薄膜为非磁性金属薄膜、拓扑绝缘体薄膜、外尔半金属薄膜或二维材料；所述非磁性金属薄膜为以下材料之一：Pt、W、Pd、Ta、Bi、Cr、Ir、IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、AuPt、AuW、CuBi、CuIr、CuPb；所述拓扑绝缘体薄膜为以下材料之一：Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2Se2Te(BST)、Bi2Te2Se、Sn-dopedBi2Te2Se、BiSbTeSe、(BixSb1-x)2Te3、α-Sn；所述外尔半金属薄膜为以下材料之一：TaAs、TaP、NbAs、NbP、WTe2、MoTe2、ZrSiS；以及，所述二维材料为以下材料之一：graphene、MoS2。4.根据权利要求1所述的基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，其特征在于，所述反铁磁薄膜为反铁磁绝缘薄膜或反铁磁金属薄膜，所述反铁磁绝缘薄膜的厚度范围为1纳米-500纳米，包括端点值；所述反铁磁金属薄膜的厚度范围为1纳米-10纳米，包括端点值；其中，所述反铁磁绝缘薄膜为以下材料之一：NiO、CoO、NixCo1-xO、FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、FeF2、MnF2、CrN、BiFeO3；以及，所述反铁磁金属薄膜为以下材料之一：FeMn、NiMn、IrMn、PtMn、PtPdMn、CrMn、CrAl。5.根据权利要求1所述的基于交换偏置磁场的太赫兹波发生器，其特征在于，所述绝缘衬底的厚度范围为0.01毫米-5毫米，包括端点值；所述绝缘层的厚度范围为1纳米-100纳米，包括端点值；其中，所述绝缘衬底在所述第一方向上两表面均为抛光面，所述绝缘衬底为以下材料之一：Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2、Y2O3；以及，所述绝缘层为以下材料之一：Al2O3、MgO、SiO2、PET、PEN、LaAlO3、SrTiO3、TiO2、ZrO2、ZnO、La2O3、GeO2、VO2、Y2O3。...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯正，谭为，王大承，
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