一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器及应用

本发明涉及自旋太赫兹发射设备，具体是一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器及应用。

背景技术：

1、太赫兹频段位于红外和微波之间(频率0.1-10thz)，兼具宽带性、低能性、高透性、唯一性等诸多优势特性，其在无损检测、卫星通信、医疗诊断、卫星通信等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。自旋太赫兹源因其独特的太赫兹产生机理，具有低成本、高效率等优势，是未来太赫兹技术的重要发展方向。

2、由于涡旋太赫兹波携带轨道角动量，其在太赫兹通信、太赫兹波与物质相互作用等领域具有重要的应用前景。然而，现有的涡旋太赫兹波的产生大都采用太赫兹波透过特殊结构的元件来或被特殊结构的元器件反射来产生，因此首先需要太赫兹源产生太赫兹波，其次将产生的太赫兹波转换为涡旋太赫兹波，需要两个过程，涡旋太赫兹波的产生效率低。

3、此外，由于现有太赫兹设备包括太赫兹源、太赫兹准直透镜等一系列元器件，用于产生、准直、聚焦太赫兹波，其系统集成度低、体积较大。菲涅尔波带片可对光波进行准直或聚焦，具有尺寸小、厚度薄、制作工艺简单等特性。然而现有的太赫兹菲涅波带片不能产生聚焦的涡旋太赫兹波，为此我们提出一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器及应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器及应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器，包括玻璃衬底、自旋太赫兹薄膜、磁铁对，所述自旋太赫兹薄膜是由铁磁材料层和重金属非磁材料层a以及重金属非磁材料层b组成，其中铁磁材料层设置在玻璃衬底的上表面，重金属非磁材料层a、重金属非磁材料层b呈螺旋状交替排列分布在铁磁材料层的外表面。

3、作为本发明进一步的方案：所述重金属非磁材料层a、重金属非磁材料层b中材料的自旋霍尔角大小相等且方向相反。

4、作为本发明进一步的方案：所述重金属非磁材料层a或重金属非磁材料层b在点(x,y)处分布满足如下公式其中n为正整数，n为当奇数或偶数时分别对应重金属非磁材料层a或重金属非磁材料层b；l为产生涡旋太赫兹波的拓扑何数；f是该自旋太赫兹发射器的焦距；λ是聚焦自旋太赫兹的中心波长，其满足λ＝c/f0,其中c为光速，f0为对应太赫兹波的频率。

5、作为本发明进一步的方案：所述磁铁对固定于玻璃衬底的两面，且其相对两面的磁极相反。

6、本发明的另一个发明目的是提供上述一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器的应用，其用于涡旋自旋太赫兹波产生及聚焦准直。

7、作为本发明进一步的方案：涡旋自旋太赫兹波产生及聚焦准直的步骤如下：

8、s1利用磁铁对对自旋太赫兹薄膜的铁磁材料层进行磁化，

9、s2将飞秒激光沿+z方向照射到自旋太赫兹薄膜上，基于磁性层同非磁性层间的逆霍尔效应，在铁磁材料层和重金属非磁材料层a，或铁磁材料层和重金属非磁材料层b的界面处均产生超快电荷流，且两者的超快电荷流方向相反，进而产生相位相差180°、偏振方向垂直于磁场方向的太赫兹波辐射；

10、s3控制各个环状重金属非磁材料层a或重金属非磁材料层b的螺旋形状，实现特定波段太赫兹波的干涉相长，实现自聚焦涡旋太赫兹波的产生。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、1、通过在铁磁材料上制备特殊排布的两种自旋霍尔角大小相等、方向相反的重金属非磁材料层，构建螺旋自旋太赫兹菲涅尔波带片，使得产生的涡旋自旋太赫兹波具有汇聚功能，提升涡旋自旋太赫兹发射器的集成度。

13、2、通过改变两种重金属材料的螺旋形式，可产生任意高阶的自聚焦涡旋太赫兹波。

技术特征：

1.一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器，包括玻璃衬底(101)、自旋太赫兹薄膜、磁铁对(105)，所述自旋太赫兹薄膜是由铁磁材料层(102)和重金属非磁材料层a(103)以及重金属非磁材料层b(104)组成，其中铁磁材料层(102)设置在玻璃衬底(101)的上表面，其特征在于，重金属非磁材料层a(103)、重金属非磁材料层b(104)呈螺旋状交替排列分布在铁磁材料层(102)的外表面。

2.根据权利要求1所述的自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器，其特征在于：所述重金属非磁材料层a(103)、重金属非磁材料层b(104)中材料的自旋霍尔角大小相等且方向相反。

3.根据权利要求1所述的自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器，其特征在于：所述重金属非磁材料层a(103)或重金属非磁材料层b(104)在点(x,y)处分布满足如下公式其中n为正整数，n为当奇数或偶数时分别对应重金属非磁材料层a(103)或重金属非磁材料层b(104)；l为产生涡旋太赫兹波的拓扑何数；f是该自旋太赫兹发射器的焦距；λ是聚焦自旋太赫兹的中心波长，其满足λ＝c/f0,其中c为光速，f0为对应太赫兹波的频率。

4.根据权利要求1所述的一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器，其特征在于：所述磁铁对(105)固定于玻璃衬底(101)的两面，且其相对两面的磁极相反。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器的应用，其特征在于：其用于涡旋自旋太赫兹波产生及聚焦准直。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述涡旋自旋太赫兹波产生及聚焦准直的步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种自聚焦涡旋自旋太赫兹发射器及应用，包括玻璃衬底、自旋太赫兹薄膜、磁铁对，自旋太赫兹薄膜是由铁磁材料层和重金属非磁材料层A以及重金属非磁材料层B组成，其中铁磁材料层设置在玻璃衬底的上表面，重金属非磁材料层A、重金属非磁材料层B呈螺旋状交替排列分布在铁磁材料层的外表面。本发明结构简单，通过在铁磁材料上制备特殊排布的两种自旋霍尔角大小相等、方向相反的重金属非磁材料层，构建螺旋自旋太赫兹菲涅尔波带片，使得产生的涡旋自旋太赫兹波具有汇聚功能，提升涡旋自旋太赫兹发射器的集成度。

技术研发人员：张晓强,许涌,张帆,张悦,赵巍胜
受保护的技术使用者：北京航空航天大学合肥创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15