[发明专利]可调式多层太赫兹磁振子发生器

说明书

提供一种用于调谐太赫兹辐射的频率的方法。该方法利用一设备，该设备包括自旋注入器、耦合至该自旋注入器的穿隧结、以及耦合至该穿隧结的铁磁材料。该铁磁材料包括磁振子增益介质(MGM)。该方法包括施加偏置电压以将该自旋注入器的费米能级相对于该铁磁材料的费米能级移位，以通过将少数电子注入磁振子增益介质来开始非平衡磁振子的产生的步骤。该方法还包括通过改变该偏置电压的值来调谐所产生的太赫兹辐射的频率。

相关申请的引用

本申请要求于2019年1月10日提交的题为“TUNABLE MULTILAYER TERAHERTZMAGNON GENERATOR”的美国非临时申请序列号16/245,224的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

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

太赫兹(THz)辐射是一种频率区间为0.1THz到30THz的电磁辐射，其占据了微波波段和红外波段之间的电磁频谱(electromagnetic spectrum)部分。

太赫兹光子的能量小于光学光子的能量。这就是太赫兹波(THz-wave)可以深入到光波无法穿透的物质中的原因。在太赫兹频率下，分子会振动。这就是太赫兹波在分子研究中有用的原因。

事实上，在太赫兹范围内，分子独特的旋转及振动响应(vibrational response)提供了通常不存在于光学、X射线及核磁共振(NMR)图像中的信息。太赫兹波可以很容易地穿透并检查大多数介电材料的内部，这些材料对可见光不透明，对X射线的对比度低，这使得太赫兹波成为有用的互补成像源。

例如，太赫兹波在某些常见材料如衣服、塑料、木材、沙子和土壤中保持合理的穿透深度。因此，太赫兹技术具有检测包裹或埋在这些材料中的爆炸物的潜力，因为与周围材料相比，爆炸物具有独特的太赫兹光谱特性。爆炸物的光谱指纹(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，目前仍然缺乏光谱范围为0.1-30THz的高效、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)通常基于激发具有超短激光脉冲的不同材料。已经开发了几种不同的机制来产生太赫兹辐射，包含光导天线中的光载子加速、电光晶体中的二阶非线性效应等。

对于窄带太赫兹源，通常考虑使用固态激光器。它们基于窄隙半导体中的带间跃迁(inter-band transition)或子带间跃迁，即量子限制结构(例如纳米结构)中的在受限的导电或价态之间的跃迁。为了从直接的带间跃迁获得太赫兹辐射，需要接近零间隙的半导体。对于子带间跃迁，可以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。

量子串联(quantum cascade)由重复结构组成，其中每个重复单元由一个注入器及一个主动区组成。在主动区中，存在粒子数反转(population inversion)及电子跃迁到较低能级，在特定波长发射光子。Kohler等人(R.Kohler et al.,Nature 417,156(2002))设计了一种操作在频率4.4THz的THz量子串联激光器。激光器由总共700多个量子阱组成，并在10K的温度下展示了脉冲操作。相关内容，请参见例如B Ferguson及X.-C.Zhang,Nat.Matter,26(2002)。