一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器的制作方法

本发明涉及太赫兹光电器件技术领域，更具体地说，涉及一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器。

背景技术：

太赫兹波是指介于微波和远红外之间的一段电磁辐射波，通常定义其频率范围为0.1thz-10thz。

由于其独特的穿透性、低光子能量特性、指纹谱特性和高带宽等特性，太赫兹波在无损检测、安全检测、成分检测和通讯等领域有着巨大的应用潜力和市场。

另外，在宇宙中也充满了太赫兹电磁辐射波，这些太赫兹辐射包含了宇宙星系形成时的重要信息，以及行星、卫星和彗星等的大气组成信息，了解这些太赫兹辐射所携带的信息也成为太赫兹波在天文学上的一大应用。

但是，这些应用都离不开对太赫兹波的探测，因此，研究和开发太赫兹波探测器是太赫兹技术走向广泛应用的关键之一。

探测太赫兹波根据电磁波的类型主要分为脉冲太赫兹信号探测器和连续波太赫兹信号探测器两类。对于脉冲太赫兹波，主要有电光采样、光电导采样和空气探测等方法；对于连续波太赫兹，主要有辐射量热计、高莱(golaycell)、热释放、肖特基和场效应晶体管等方法。

然而，对于检测灵敏度高的应用来说，上述探测技术由于自身的实现方法原因，目前还没有非常有效的室温探测器可以胜任。而达到量子测量极限的太赫兹波探测器，都需要液氮制冷的超导混频器，给应用带来极大的挑战，且辐射量热等方法也不能实现频率分辨。

因此，发展高频率分辨能力、超高灵敏度的太赫兹波探测器，将为材料科学、生物医学、天文学、安全检查、军事通讯和量子信息等领域带来重大的科学和应用价值。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器，技术方案如下：

一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器，所述太赫兹波外差法探测器包括：

相对设置的拍频激光吸收层和反铁磁层；

设置在所述拍频激光吸收层上的至少一对重金属电极对，至少一对所述重金属电极对位于所述拍频激光吸收层和所述反铁磁层之间；

与所述重金属电极对连接的频谱分析仪；

其中，被探测太赫兹波从所述拍频激光吸收层背离所述反铁磁层的一侧入射，双束拍频激光从所述反铁磁层背离所述拍频激光吸收层的一侧入射；

所述被探测太赫兹波和所述双束拍频激光在所述拍频激光吸收层、所述重金属电极对和所述反铁磁层中实现混频，并由所述频谱分析仪检出频率下转换后的外差射频信号，实现超高灵敏度的探测。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述太赫兹波外差法探测器还包括：

至少一个前置放大器，所述前置放大器的数量与所述重金属电极对的数量相同；

每一对所述重金属电极对与所述频谱分析仪的连接通路上分别配置一个所述前置放大器。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述太赫兹波外差法探测器还包括：

第一激光器，用于出射第一束拍频激光；

第二激光器，用于出射第二束拍频激光。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述第一激光器和所述第二激光器中，至少一个激光器为波长可调的激光器。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述太赫兹波外差法探测器还包括：

磁体，用于产生外部磁场。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述重金属电极对为pt或ta或w材料的重金属电极对。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述反铁磁层为nio或cr2o3或bifeo3材料的反铁磁层。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述反铁磁层的反铁磁共振频率落在太赫兹波段，且可以受外部磁场调控。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，所述反铁磁层的反铁磁转变温度在室温以上，且禁带宽度比拍频激光对应的光子能量大。

可选的，在上述太赫兹波外差法探测器中，每一对所述重金属电极对包括：第一电极单元和第二电极单元；

所述第一电极单元和所述第二电极单元的形状相同，且为t形电极结构；

两个所述t形电极结构中横部分相对设置，其间距为0.05μm-50μm；

所述t形电极结构中竖部分的宽度为0.1μm-100μm，长度为50μm-2000μm；

所述t形电极结构中横部分的长度为1μm-500μm；

所述t型电极结构中横部分的宽度与两个t型电极结构中横部分之间的间距之和为0.1μm-100μm。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器，利用生长在拍频激光吸收层上的重金属电极对间隙吸收拍频激光能量，同时反铁磁层吸收共振太赫兹波，并由自旋-轨道耦合作用实现在重金属电极对里自旋流向电荷流的转换，从而在重金属电极对里产生混频，并实现太赫兹波频率向易于测量的常规电子学射频波段的频率的下转换，最终通过频谱分析仪等设备分析得到外差信号。

该超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器利用了反铁磁振子频率在太赫兹波段的属性，结合外差方法，具有频率选择性好和灵敏度高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施提供的一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种重金属电极对的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施提供的一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器的结构示意图。

所述太赫兹波外差法探测器包括：

相对设置的拍频激光吸收层1和反铁磁层3；

设置在所述拍频激光吸收层1上的至少一对重金属电极对2，至少一对所述重金属电极对2位于所述拍频激光吸收层1和所述反铁磁层3之间；

与所述重金属电极对2连接的频谱分析仪；

其中，被探测太赫兹波从所述拍频激光吸收层1背离所述反铁磁层3的一侧入射，双束拍频激光从所述反铁磁层3背离所述拍频激光吸收层1的一侧入射；

所述被探测太赫兹波和所述双束拍频激光在所述拍频激光吸收层1、所述重金属电极对2和所述反铁磁层3中实现混频，并由所述频谱分析仪检出频率下转换后的外差射频信号，实现超高灵敏度的探测。

在该实施例中，反铁磁层3因其本征反铁磁自旋共振频率落在太赫兹和亚太赫兹波段，共振响应超快，成为了太赫兹波段响应器件的重要组成部分。

本申请利用拍频激光吸收层1、重金属电极对2和反铁磁层3构成的“三明治”结构，实现混频外差，得到太赫兹波段的频率下转换信号。

具体的，反铁磁层3的磁振子自旋共振特性吸收特定波长的太赫兹(ωthz)，通过自旋-轨道耦合作用，在重金属电极对2中实现自旋流向电荷流的转化；同时，用拍频激光吸收层1吸收双束拍频激光(ωlaser)，并在重金属电极对2间隙间实现太赫兹波频率与激光拍频频率的混频(ωthz、ωlaser、ωlaser+ωthz和ωlaser-ωthz)，用射频频谱分析仪提取出频率下转换后的外差信号(ωlaser-ωthz)。

在射频波段，通过电子学方法可以非常精确地放大和测量，因此，本发明提供的太赫兹波外差法探测器具有极高的灵敏度。

也就是说，被探测太赫兹波从所述拍频激光吸收层1背离所述反铁磁层3的一侧入射，与反铁磁层3作用，形成净自旋流，并在重金属电极对2中通过自旋-轨道耦合转化为电荷流。

双束拍频激光从所述反铁磁层3背离所述拍频激光吸收层1的一侧入射，进入重金属电极对2之间的间隙位置，由于拍频激光吸收层1对双束拍频激光能量的吸收，在重金属电极对2之间形成包含拍频成分的等离子体高频电场。

最终，由太赫兹波产生的高频电荷流和拍频激光产生的高频电场，在重金属电极对2里实现混频，通过后续的射频频谱分析，即可获得外差信号。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述拍频激光吸收层1为太赫兹波高透层，可选不同激光相对应的吸收材料。

例如，800nm左右的激光，所述拍频激光吸收层1可选为低温生长的gaas层，其厚度可以为0.3mm。

例如，1560nm左右的激光，可选ingaas/inalas的多层结构。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述重金属电极对2为pt或ta或w材料的重金属电极对。

在该实施例中，所述重金属电极对2可选用原子序数较大的非磁金属，包括但不限定于pt或ta或w等。

当所述重金属电极2为pt材料时，其厚度可选为3nm。

通过采用不同材料的重金属电极对2，可以实现自旋流到电荷流的自旋-轨道耦合信号电压的反向控制。

例如，将pt材料换为ta材料，则可以实现感生电荷流方向的反转。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述反铁磁层3为nio或cr2o3或bifeo3材料的反铁磁层。

在该实施例中，所述反铁磁层3为反铁磁振子共振频率在太赫兹波段的材料层，包括但不限定于nio或cr2o3或bifeo3材料层。

当所述反铁磁层3为nio材料时，其厚度可选为20nm。

通过采用不同材料的反铁磁层，可以实现不同频率下的覆盖测量。

例如，将nio材料换为cr2o3材料，可以由原来nio在1thz附件的共振吸收测量，转变到0.2thz的亚太赫兹波段共振吸收测量。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述反铁磁层3的反铁磁转变温度(奈尔温度)在室温以上，且禁带宽度比拍频激光对应的光子能量大。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述反铁磁层3的反铁磁共振频率落在太赫兹波段，且可以受外部磁场调控。

在该实施例中，通过更换反铁磁层3的材料，配合外磁场调节，可以获得频率可调、频率分辨率高的太赫兹波探测。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述太赫兹波外差法探测器还包括：

至少一个前置放大器，所述前置放大器的数量与所述重金属电极对2的数量相同；

每一对所述重金属电极对2与所述频谱分析仪的连接通路上分别配置一个所述前置放大器。

需要说明的是，也可以将所有的重金属电极对2并联起来，然后共用一个前置放大器。

这样所有的重金属电极对2相当于一个大的总电极对结构，每个电极对不可区分，但是信号和接收面积会相应增加。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述太赫兹波外差法探测器还包括：

第一激光器，用于出射第一束拍频激光；

第二激光器，用于出射第二束拍频激光。

在该实施例中，所述第一激光器和所述第二激光器中，至少一个激光器为波长可调的激光器。

所述第一束拍频激光和所述第二束拍频激光为频率接近的不同光波段激光，其拍频频率在太赫兹波段。

例如，所述第一束拍频激光的波长为780nm，所述第二束拍频激光的波长为785nm。

进一步的，基于本发明上述实施例，如图1所示，所述太赫兹波外差法探测器他还包括：

磁体，用于产生外部磁场。

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种重金属电极对的结构示意图。

每一对所述重金属电极对2包括：第一电极单元和第二电极单元；

所述第一电极单元和所述第二电极单元的形状相同，且为t形电极结构；

两个所述t形电极结构中横部分相对设置，其间距g为0.05μm-50μm；

所述t形电极结构中竖部分的宽度t为0.1μm-100μm，长度l为50μm-2000μm；

所述t形电极结构中横部分的长度w为1μm-500μm；

所述t型电极结构中横部分的宽度与两个t型电极结构中横部分之间的间距之和p为0.1μm-100μm。

在该实施例中，不同的重金属电极对其上述参数的选取也可以不同。

可选的，g＝5μm，t＝10μm，l＝200μm，w＝50μm，p＝10μm。

在本发明中，所述重金属电极对2的数量至少为一对，通过增加入射太赫兹聚焦透镜或阵列设置多对重金属电极对2，可实现二维面探测，提高了探测能力。

以上对本发明所提供的一种超高灵敏度的太赫兹波外差法探测器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。