一种窄带太赫兹波发射器及制备方法

本申请涉及太赫兹光电器件和太赫兹波发射的，更具体地说，涉及一种窄带太赫兹波发射器及制备方法。

背景技术：

1、近年来，超快激光技术以及高精度电路工艺的进步，使得太赫兹技术迎来快速发展。太赫兹波一般定义为频率在0.1~10thz的电磁波。太赫兹波由于其处在特殊波段，因此具有很多优异特性，例如穿透性、安全性以及指纹性，在材料科学与物质科学等研究中有重要意义。

2、太赫兹波的产生与探测是太赫兹技术中的关键环节，太赫兹波的产生与探测一般是通过光电导天线、电光晶体、空气等离子体等来实现，这些太赫兹发射器是在飞秒激光激发下产生瞬态光电流辐射太赫兹波，所产生的太赫兹波是宽频谱信号。在需要窄带太赫兹源的应用场景（如太赫兹无线通信、高分辨率光谱检测、材料谐波非线性效应研究等）中，这些常规的宽谱太赫兹源使用会受限。

3、因此，如何实现太赫兹波发射器的窄带滤波的高效发射，是本申请亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请公开了一种窄带太赫兹波发射器及制备方法，旨在提高目标频率成分的有效输出比例，实现结构紧凑、频率选择性强、带外抑制效果好的窄带太赫兹波高效发射。

2、为了实现上述目的，其公开的技术方案如下：

3、本申请第一方面公开了一种窄带太赫兹波发射器，所述窄带太赫兹波发射器自上而下设置有自旋电子学发射层、准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面；所述准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面构成双层级联超表面结构；所述自旋电子学发射层至少由铁磁层和重金属层组成；

4、所述自旋电子学发射层用于获取泵浦激光源产生的泵浦光，并根据所述泵浦光生成初始太赫兹波；

5、所述双层级联超表面结构用于对所述初始太赫兹波进行窄带滤波，得到目标太赫兹信号。

6、可选的，所述泵浦光为飞秒激光脉冲，其中心波长800纳米，脉冲宽度小于50飞秒。

7、可选的，所述铁磁层的厚度范围为3纳米至6纳米；所述重金属层的厚度范围为3纳米至5纳米。

8、可选的，所述准连续域束缚态超表面由周期性排列的不对称金属开口环与两个对称的金属杆组成；所述准连续域束缚态超表面的第一超表面衬底的厚度范围为5微米至100微米。

9、可选的，所述耶路撒冷十字架频率选择表面由金属贴片周期性排列构成；耶路撒冷十字架频率选择表面的谐振频率与准连续域束缚态超表面的中心频率相匹配。

10、可选的，所述耶路撒冷十字架频率选择表面的第二超表面衬底的厚度范围为5微米至100微米。

11、可选的，所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面沿太赫兹波传播方向依次排列，形成双层级联超表面结构。

12、可选的，所述双层级联结构通过金属杆与非对称金属开口环在激发下分别产生亮模式与暗模式；所述亮模式与所述暗模式的相消干涉形成尖锐透射峰；所述双层级联结构的叠加频率选择表面在中心频率处的透射率范围为75%至95%；所述双层级联结构的相对带宽范围为5%至10%。

13、可选的，所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面分别设计在独立的超表面衬底上；所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面之间的层间距为90微米至120微米。

14、本申请第二方面公开了一种窄带太赫兹波发射器的制备方法，应用于上述第一方面任意一项所述的窄带太赫兹波发射器，所述方法包括：

15、在第一超表面衬底上制作所述准连续域束缚态超表面，以及在第二超表面衬底上制作所述耶路撒冷十字架频率选择表面；

16、在准连续域束缚态超表面的第一超表面衬底的背面依次沉积铁磁层和重金属层；

17、将沉积后的第一超表面衬底与制作后的第二超表面衬底进行组装，使所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面沿太赫兹波传播方向依次排列，形成双层级联超表面结构；

18、通过双层级联超表面结构对初始太赫兹波进行窄带滤波，得到目标太赫兹信号；其中，初始太赫兹波根据泵浦激光源产生的泵浦光生成。

19、经由上述技术方案可知，本申请公开了一种窄带太赫兹波发射器及制备方法，窄带太赫兹波发射器自上而下设置有自旋电子学发射层、准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面；准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面构成双层级联超表面结构；自旋电子学发射层至少由铁磁层和重金属层组成；自旋电子学发射层用于获取泵浦激光源产生的泵浦光，并根据泵浦光生成初始太赫兹波；双层级联超表面结构用于对初始太赫兹波进行窄带滤波，得到目标太赫兹信号。

20、本方案将自旋电子学宽带太赫兹发射与双层级联超表面窄带滤波集成在同一器件中，使自旋电子学发射层产生的宽带太赫兹波在器件内部直接进入级联滤波结构。由铁磁层和重金属层组成的自旋电子学发射层在飞秒激光泵浦下产生的太赫兹辐射具有较宽的频谱范围，其中包含目标工作频率附近的频谱成分，由准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面构成的双层级联超表面结构，对该宽带太赫兹辐射进行窄带滤波，使目标频率附近的太赫兹成分有效透射输出，并抑制带外频率成分，得到中心频率明确、带宽较窄的太赫兹信号，即目标太赫兹信号。并且准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面构成双层级联超表面结构，与自旋电子学发射层都是直接集成，目标太赫兹波信号产生后无需经过外置滤波器、额外自由空间传输和复杂光路对准过程，可降低传播损耗、耦合损耗和装调误差，提高目标频率成分的有效输出比例，实现结构紧凑、频率选择性强、带外抑制效果好的窄带太赫兹波高效发射。

1.一种窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述窄带太赫兹波发射器自上而下设置有自旋电子学发射层、准连续域束缚态超表面和耶路撒冷十字架频率选择表面；所述准连续域束缚态超表面和所述耶路撒冷十字架频率选择表面构成双层级联超表面结构；所述自旋电子学发射层至少由铁磁层和重金属层组成；

2.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述泵浦光为飞秒激光脉冲，其中心波长800纳米，脉冲宽度小于50飞秒。

3.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述铁磁层的厚度范围为3纳米至6纳米；所述重金属层的厚度范围为3纳米至5纳米。

4.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述准连续域束缚态超表面由周期性排列的不对称金属开口环与两个对称的金属杆组成；所述准连续域束缚态超表面的第一超表面衬底的厚度范围为5微米至100微米。

5.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述耶路撒冷十字架频率选择表面由金属贴片周期性排列构成；耶路撒冷十字架频率选择表面的谐振频率与准连续域束缚态超表面的中心频率相匹配。

6.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述耶路撒冷十字架频率选择表面的第二超表面衬底的厚度范围为5微米至100微米。

7.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面沿太赫兹波传播方向依次排列，形成双层级联超表面结构。

8.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述双层级联结构通过金属杆与非对称金属开口环在激发下分别产生亮模式与暗模式；所述亮模式与所述暗模式的相消干涉形成尖锐透射峰；所述双层级联结构的叠加频率选择表面在中心频率处的透射率范围为75%至95%；所述双层级联结构的相对带宽范围为5%至10%。

9.根据权利要求1所述的窄带太赫兹波发射器，其特征在于，所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面分别设计在独立的超表面衬底上；所述准连续域束缚态超表面与所述耶路撒冷十字架频率选择表面之间的层间距为90微米至120微米。

10.一种窄带太赫兹波发射器的制备方法，其特征在于，应用于上述权利要求1至9任意一项所述的窄带太赫兹波发射器，所述方法包括：