[发明专利]包括多个单太赫茲磁振子激光器的太赫茲磁振子产生器

说明书

本发明提供一种用于产生可调式太赫茲辐射的设备。该设备包括：多个太赫茲磁振子激光产生器，而至少一个太赫茲磁振子激光产生器包括多层柱以及将至少两个此种该太赫茲磁振子激光产生器分开的太赫茲透明介质。至少一个此种多层柱还包括：基板、与该基板耦合的底部电极、与该底部电极耦合的底层、与该底层耦合的穿隧结、与该穿隧结耦合的顶层、与自旋注入器耦合的钉扎层、以及与该钉扎层耦合的顶部电极。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年1月10日提交的题为“TERAHERTZ MAGNON GENERATORCOMPRISING PLURALITY OF SINGLE TERAERTZ MAGNON LASERS”的美国非临时申请序列号16/245,247的优先权，该申请的全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及用于产生太赫兹辐射(terahertz radiation)的磁振子激光器领域。

背景技术

太赫茲(THz)辐射为一种频率区间在0.1THz到30THz的电磁辐射，其占据微波波段与红外线波段之间的电磁频谱(electromagnetic spectrum)部分。

太赫茲光子的能量小于光学光子的能量，这就是太赫茲波(THz-wave)可以深入到光波无法穿透的物质中的原因。于太赫茲频率下，分子产生振动，这就是太赫茲波在分子研究中有其用处之故。

事实上，在太赫茲范围内，分子特有的旋转及振动响应(vibrational response)提供了通常不存在于光学、X射线和核磁共振(NMR)图像中的信息。太赫茲波可轻易地穿透并检查大多数的介电材料的内部，而这些介电材料通常对可见光而言不透明，对X射线而言其对比度低，这使得太赫茲波成为有用的互补成像源。

举例而言，太赫茲波于某些常见的材料(例如衣服、塑料、木材、沙子以及土壤)中可维持合理的穿透深度。因此，太赫茲技术具有检测包裹于或埋置于前述材料中的爆裂物的潜力，因为与周围材料相比，爆裂物具有独特的太赫兹光谱特性。爆裂物的光谱指纹(spectral fingerprint)可预期在太赫兹波段得到，太赫兹成像可用于地雷探测。然而，目前于0.1-30THz的光谱范围中，仍缺乏高效、紧凑的固态信号源(solid-state source)。

事实上，宽频脉冲太赫兹源(broadband pulsed THz source)通常基于用超短激光脉冲激发不同材料。多种不同的机制已被开发用以产生太赫茲辐射，包括光导天线中的光子载子加速、电光晶体中的二阶非线性效应等。

对于窄频太赫茲源，通常考虑使用固态激光器。窄频太赫茲源基于窄隙半导体中的带间跃迁(inter-band transitions)或子带间跃迁(inter sub band transitions)，即量子限制结构(例如纳米结构)中的在受限的导态或价态之间的跃迁。为从直接的带间跃迁获得太赫茲辐射，需要接近零间隙的半导体。对于子带间跃迁，可使用传统的宽间隙材料，但需要精确的复杂结构。目前，构建用于激光发射的多量子阱半导体结构是可行的。

量子级联(quantum cascade)由重复结构所组成，其中，每个重复单元由一个注入器和一个主动区所组成。在主动区中，存在粒子数反转及电子跃迁至较低能级，在特定波长发射光子。Kohler等人(R.Kohler et al.,Nature 417,156(2002))设计了一种操作于4.4THz的太赫茲量子级联激光器。该激光器总共由700多个量子阱所组成，且于10K的温度下展示了脉冲操作。相关内容，请参见例如B Ferguson and X.-C.Zhang,Nat.Matter,26(2002)。