基于自旋电子学的太赫兹自聚焦发射源制造技术

本申请属于太赫兹应用技术领域，具体涉及基于自旋电子学太赫兹发射原理的太赫兹自聚焦发射源。本发明专利技术太赫兹自聚焦发射源为一半波带的环形超表面结构，包括中心的圆形部分，环饶中心圆形的若干不同半径的圆环；超表面结构的基材为在基底上生长的铁磁/重金属异质结构的纳米双层膜或者重金属1/铁磁/重金属2的纳米三层膜；对超表面结构施加磁场，使铁磁层具有一致的磁矩；利用飞秒激光脉冲作为泵浦光激励超表面结构，发射太赫兹光，并利用光的干涉作用实现对太赫兹光的聚焦；整个过程不涉及光学器件的调制，只涉及太赫兹光的发射与传播，从而实现太赫兹的自聚焦发射。聚焦强度能够达到自由传播时的80倍以上。到自由传播时的80倍以上。到自由传播时的80倍以上。

【技术实现步骤摘要】
基于自旋电子学的太赫兹自聚焦发射源


[0001]本申请属于太赫兹应用
，具体涉及基于自旋电子学太赫兹发射原理的太赫兹自聚焦发射源。

技术介绍

[0002]太赫兹波一般指频率范围在0.1～10THz之间的电磁波，其波段介于微波与可见光之间。在这一波段的电磁波具有辐射能量较低、频谱信息丰富等特点，这些特点为太赫兹应用带来广泛的前景，尤其是在太赫兹无损探测或成像等
，例如应用太赫兹波对药品片剂或金属内部结构的质量进行无损探测。除了在无损探测方面具有广泛应用之外，因为太赫兹波具有高速传输数据的特性及其对电子设备具有一定抗干扰能力，其在通讯系统中也有重要的应用前景。
[0003]在太赫兹的应用领域中，太赫兹光的聚焦能够带来更强的太赫兹强度以及更高的成像或探测分辨率，而利用光学器件如透镜或超表面设计是其中常见的实现聚焦的方式。然而，光学器件聚焦系统面临的传播衰减和系统体积较大问题会限制成像质量和系统的可靠性。此外，超表面器件只能针对入射的太赫兹光进行聚焦调控，而太赫兹光在传播过程中也会衰减，因此超表面器件也面临同样的问题。为了克服这些限制并实现一种小型的、集成的、能够自聚焦发射的强太赫兹源，我们将自旋电子学中的太赫兹发射原理与半波带超表面结合，设计了一种能够实现单频太赫兹自聚焦发射的太赫兹发射源。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提出一种制备成本较低且具有较强的太赫兹强度的基于自旋电子学太赫兹发射原理的太赫兹自聚焦发射源。
[0005]本专利技术提供的基于自旋电子学太赫兹发射原理的太赫兹自聚焦发射光源，为一半波带的环形超表面结构，如图1所示，包括中心的圆形部分，以及环饶中心圆形的若干(N个)不同半径的圆环，相邻两圆环间距离可以相等或不等，各圆环的宽度(即圆环内、外半径只差)可以相等或不等；中心的圆形部分和不同半径的圆环形成半波带结构的波带数；其中，中心圆形的半径、各圆环的半径，以及圆环的宽度，根据聚焦频率与焦距等参数确定。具体确定方式需要计算太赫兹光的相位其中r表示表面结构上一点到中心点(圆心)的距离，d表示焦距的长度，λ表示聚焦频率的太赫兹的波长。最终确定的参数应当满足中心圆形上的点所辐射的太赫兹光传播到焦点处时相位和圆心处所辐射的太赫兹光传播到焦点处时的相位之差在0到π的范围内，即以圆心所辐射的太赫兹光在焦点处的相位为相位零点，那么圆周上的点都应当满足所辐射的太赫兹光在焦点处的相位为π，而圆内的相位则在0～π的范围；而对于第一个圆环而言，内径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2π，外径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2π+π＝3π；对于第二个圆环而言，内径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2π+2π＝4π，外径上的点所辐
射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2
×
2π+π＝5π；类似地，第n个圆环的内径点的相位差应当为2nπ，外径点的相位差为(2n+1)π。
[0006]所述半波带的环形超表面结构，其基材为在基底(如MgO、Al2O3、Si、SiO2等)上生长的铁磁/重金属异质结构的纳米双层膜；或者是重金属1/铁磁/重金属2的纳米三层膜。
[0007]其中，所述基底材料可选自MgO、Al2O3、Si、SiO2等。
[0008]其中，所述铁磁层材料选自CoFeB、Fe、Co等，铁磁材料的自旋极化率越大，所能够发射的太赫兹也会更强。
[0009]其中，所述重金属层材料选自Pt、W、Ta、Pd等，重金属材料的自旋霍尔角的大小越大，所能发射的太赫兹也会更强。
[0010]其中，重金属1/铁磁/重金属2的纳米三层膜结构，可实现更强的太赫兹发射。重金属1和重金属2的自旋霍尔角的符号需相反。
[0011]上述太赫兹自聚焦发射光源可以自聚焦发射太赫兹光，参见图2所示，具体如下：
[0012]首先，对超表面结构施加磁场，使半波带的环形结构完全均匀磁化，整个铁磁层具有一致的磁矩；
[0013]然后，利用飞秒激光脉冲作为泵浦光激励超表面结构，使得铁磁层发生超快退磁，并向相邻的重金属层中注入自旋流，由于重金属层的自旋霍尔效应，这部分自旋流被转换为寿命在皮秒量级的电荷流，电荷流在衰减的过程中将辐射太赫兹光；
[0014]由于半波带超表面结构的存在，在飞秒激光的激励下所发射的、频率为设计频率的太赫兹光在设计的空间焦点处发生干涉相长而实现聚焦，其聚焦的光斑半径大约为200～300um(以1THz为例)，理论的聚焦强度能够达到自由传播时的900倍左右，但是实际效果可能因太赫兹光的衍射与传播衰减而略有降低。这一个过程利用飞秒激光激励超表面结构发射太赫兹光，并利用光的干涉作用实现对太赫兹光的聚焦。整个过程不涉及光学器件的调制，只涉及太赫兹光的发射与传播，从而实现太赫兹的自聚焦发射。
[0015]而实际应用过程中可以通过提高波带数进一步提高聚焦强度。这一个过程利用了飞秒激光激励超表面结构发射太赫兹光，并利用光的干涉作用实现对太赫兹光的聚焦。
[0016]本专利技术所提供的太赫兹自聚焦发射光源，其制备方法包括薄膜生长与超表面结构制备两个阶段。其中：
[0017]薄膜生长阶段，通过薄膜生长技术如磁控溅射、分子束外延等技术在基底上生长铁磁/重金属纳米双层膜的异质结构，如Fe(2nm)/Pt(2nm)的双层膜结构。为了实现更强的太赫兹发射，还可以生长重金属1/铁磁/重金属2的纳米三层膜结构，其中重金属1和2的自旋霍尔角的符号需相反。
[0018]超表面结构制备阶段，利用光刻、电子束曝光、氩离子刻蚀技术制备超表面结构。以光刻与氩离子刻蚀技术结合为例，在刻蚀前，按照聚焦频率、焦距来进行理论计算以制作掩膜版，比如用波带片参数进行设计掩膜版，再用此掩膜版进行光刻，通过光刻使得只有薄膜样品的圆形与圆环部分被光刻胶覆盖；再利用氩离子刻蚀技术对样品进行刻蚀，而半波带部分由于有光刻胶的覆盖而将得到保留；最后通过有机试剂如乙醇、丙酮等对样品进行清洗，从而能够获得只有半波带部分的样品。
[0019]本专利技术设计的太赫兹自聚焦发射光源可以自聚焦发射太赫兹光，具体原理如下：
[0020]对于太赫兹的聚焦频率f以及焦距D，样品平面Σ上的任一点P(x,y,0)到焦点P
focus
(0,0,D)处的相位可以表示为：
[0021][0022]其中，λ
THz
表示太赫兹波对应的波长。特别地，超表面结构的平面中心P0(0,0,0)的相位为因此平面任一点与中心发射的太赫兹相位差为：
[0023][0024]当相位差满足的干涉相长条件时，焦点处的太赫兹光得到增强；而当相位差满足的干涉相消条件时，焦点处的太赫兹强度将会相消减弱。因此在超表面结构制备阶段需通过刻蚀技术，将干涉相消区域刻蚀掉，而只保留干涉相长区域。通过这种方式所实现的聚焦效果，焦点处的太赫兹强度是自由传播时的N2倍，这里的N表示半波带的波带数，即半波带中圆形以及圆环的总数目。
[0025]此设计方式实现的单频太赫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自旋电子学太赫兹发射原理的太赫兹自聚焦发射光源，其特征在于，为一半波带的环形超表面结构，包括中心的圆形部分，以及环饶中心圆形的若干不同半径的圆环，相邻两圆环间距离相等或不等，各圆环的宽度相等或不等；中心的圆形部分和不同半径的圆环形成半波带结构的波带数；其中，中心圆形的半径、各圆环的半径，以及圆环的宽度，根据聚焦频率与焦距参数确定；所述半波带的环形超表面结构，其基材为在基底上生长的铁磁/重金属异质结构的纳米双层膜；或者是第一重金属/铁磁/第二重金属的纳米三层膜。2.根据权利要求1所述的太赫兹自聚焦发射光源，其特征在于，所述中心圆形的半径、各圆环的半径以及圆环的宽度根据聚焦频率与焦距参数确定，具体确定规则如下：先计算太赫兹光的相位其中r表示表面结构上一点到中心点的距离，d表示焦距的长度，λ表示聚焦频率的太赫兹的波长；最终确定的参数应当满足中心圆形上的点所辐射的太赫兹光传播到焦点处时相位和圆心处所辐射的太赫兹光传播到焦点处时的相位之差在0到π的范围内，即以圆心所辐射的太赫兹光在焦点处的相位为相位零点，那么圆周上的点都满足所辐射的太赫兹光在焦点处的相位为π，而圆内的相位则在0～π的范围；对于第一个圆环，内径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2π，外径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2π+π＝3π；对于第二个圆环，内径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2π+2π＝4π，外径上的点所辐射的太赫兹相位应当与圆心相位相差2
×
2π+π＝5π；类似地，第n个圆环的内径点的相位差应当为2nπ，外径点的相位差为(2n+1)π。3.根据权利要求2所述的太赫兹自聚焦发射光源，其特征在于，对于聚焦频率f＝1THz、焦距D＝3mm、波带数为9的半波带结构，中心圆形的半径r0，外圈的8个圆环的从内到外的内半径依次为r1，r2，r3，，，，r8；外半径依次为r11，r22，r33，，，，r88；r0＝0.135mm；r1＝0.137mm，r11＝0.1703mm；r2＝0.199mm，r22＝0.225mm；r3＝0.2492mm，r330.272mm；r4＝0.294mm，r44＝0.315mm；r5＝0.3355mm，r55＝0.3552mm；r6＝0.3747mm，r66＝0.3937mm；r7＝0.4125mm，r77＝0.4308mm；r8＝0.4490mm，r88＝0.4669mm。4.根据权利要求2所述的太赫兹自聚焦发射光源，其特征在于，对于聚焦频率f＝1THz、焦距D＝6mm的波带数为18的半波带结构，设中心圆形的半径r0，外圈的17个圆环的从内到外的内半径依次为r1，r2，r3，，，，r17；外半径依次为r11，r22，r33，，，，r1717；其中，r0＝1.35mm；r1＝1.921mm，r11＝2.366mm；r2＝2.750mm，r22＝3.092mm；r3＝3.408mm，r33＝3.701mm；r4＝3.980mm，r44＝4.245mm；r5＝4.50mm，r55＝4.745mm；r6＝4.984mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：覃文涛，吴义政，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：