一种用于宽带太赫兹工作的磁非互易隔离器

更新时间：2023-12-14 点击次数：489

法拉第隔离器是一种电磁不可逆装置，是光子学中的关键元素。要求屏蔽电磁源免受背向反射光的影响，并限制背向传播自发辐射的有害影响。通用的隔离器变体，循环器，被广泛用于在向前传播和向后传播的波之间获得完quan的分离，从而仅在反射中实现所需的传递函数。在这里，我们演示了一种不可逆的太赫兹法拉第隔离器，其工作频率超过了十倍频带宽，这是实现与宽带源所产生的（几个周期）脉冲进行隔离的必要要求。利用的介质允许使用SrFe12O19太赫兹透明永磁体获得高达194 / T的宽带旋转。与迄今为止实现的所有光学隔离器相比，这反过来又可以设计独立的完整太赫兹隔离器，而无需借助外部磁场偏置。

虽然一般的非真空材料本质上是一种电磁反射/吸收衰减器，但其相位传递函数通常很难控制。然而，控制阶段始终是相当重要的。相位延迟器(PRs)，即在传输或反射波上引起相位偏移的设备，是任何通信或电磁处理系统的基本组成部分。它们是许多复杂设备的核心。，如过滤器、延迟线、调制器、隔离器、开关和循环器。

虽然透明的双折射晶体(即折射率随光偏振和传播方向而变化的晶体)自然会在两个不同的场分量之间引起相移，但这种线性场物质相互作用，根据定义，是相互的。换句话说，反射的偏振光在通过相同的双折射介质时恢复了它们原来的偏振状态。磁场物质与受磁场作用的介质的相互作用可以表现出这种对称性的破坏。一个多世纪以前，瑞利勋爵描述了一种基于法拉第旋转原理的单向传输系统。线偏振光可以分解为两个等振幅的反向旋转的圆形本征模。在法拉第旋转器中，当波矢量反转时，圆本征模之间的相移符号反转。由于这伴随着传播坐标的反转，无论是正向传播还是反向传播都会产生相同的相位延迟(即符号相同)，导致输出偏振态不同于反射波中的输入偏振态。因此，如果旋转角度被调整到45°，并且旋转介质被放置在两个特别对齐的偏振器之间，光只向一个方向传播。

这种不可逆性在许多基本系统中都有应用。在微波系统中，隔离器、回转器和循环器是过去半个世纪以来微波系统中至关重要的不可逆元件的基本例子。从光频上看，隔离器在激光器件和光子电路的实现中都是非常受欢迎的。

在千兆赫频段的上端，隔离器已经成为重要系统运行和测试的关键部件，比如自由电子激光器 (240 GHz)和平板伸缩器 (320 GHz)。可用的隔离频率线和最高可达到的隔离频率设置了该设备可应用于的系统范围的限制。

太赫兹产生与探测的最新进展，使我们能够利用覆盖整个太赫兹频谱的波。可调谐窄带和超宽带源以及探测器都是可用的。这样的来源发现了广泛的应用范围，从触发非线性现象到线性应用，如成像、通信和化学和爆炸的光谱学。在所有这些情况下，实验需要宽带或可调源，这很容易覆盖超过一个光谱十年。虽然源和检测器可以处理宽带脉冲，但支持设备(如调制器、隔离器、过滤器等)仍然是实际的带宽瓶颈。根据这项工作，一个隔离器，或者一般来说，一个不可逆的PR是一个基本元素，例如，为太赫兹激光器和放大器奠定了基础。

我们想强调的是，这样的约束在太赫兹区域是非常重要的，因为相对带宽很大，而在光学，光谱宽度通常是载波频率的一小部分。毫不奇怪，由于这些严格的限制，尽管它的重要性很大，太赫兹隔离器还没有实现到目前为止。

在这里，我们演示了氧化锶(SrFe₁₂O₁₉)磁铁，商用铁氧体，可以作为超宽带可调的不可逆PRs在太赫兹频率。通过控制诱导延迟，我们演示了一个全功能的太赫兹隔离器，工作频率超过10年。

结果

结构与磁性

法拉第旋转太赫兹频率已证明在室温下的固体和液体样品。然而，相比之下，我们的PR在实现隔离设备方面有三个主要优势。

1.感应法拉第旋转对太赫兹波段的频率敏感。这主要是由于锶铁氧体表现出约50-60 GHz(取决于外加磁场)的铁磁共振，远低于太赫兹体制。这允许非常低的分散操作。

2.虽然铁氧体通常表现出类似于导电铁磁体的磁性，但它们的导电性一般都很低。隔离器需要PRs，在传输时获得明显的极化旋转。这直接将最大可达旋转与固有损耗联系起来。太赫兹低损耗介质，因此，是基本的实际设备。

2.SrFe₁₂O₁₉属于一般的永磁体(硬磁体)，即在没有外加磁场的情况下仍然保持其磁态。因此，与光学相反，外部磁体不需要维持隔离器的运行。

样品参数的示意图如图1a所示，以及本工作中使用的旋转表征设置和太赫兹极化约定。我们的样品是一个直径25.4毫米，厚度3毫米的圆盘，可以在任何方向上磁化。利用x射线衍射(XRD)对SrFe₁₂O₁₉的相结构进行了验证。使用振动样品磁强计(VSM)发现样品的饱和磁化强度为360 kAm^-1。

介电和太赫兹特性

测量复介电函数，即在这项工作中提出的光谱测量已经使用标准太赫兹时域光谱学(THz-TDS) setup35进行。太赫兹脉冲是由飞秒Ti:蓝宝石激光脉冲(130-fs长，重复频率为1 kHz)在ZnTe晶体中通过光学整流产生的，其波长以800 nm为中心。该检测是通过使用第二ZnTe晶体的光电采样技术进行的。注意，我们使用了一个相对厚(3毫米)的样品，隔离特性要求磁场通过旋转器两次。这将我们的透明窗口限制在0.08-0.8 THz。但是，如下一段所示，该器件具有较高的旋转度，可以用1 mm厚的样品实现隔离。

如图1a所示，假设太赫兹电场和磁场分别沿y轴和x轴振荡，而太赫兹波的波矢量位于面外(样本法向)z方向。

为了获取样品的复折射率，我们确定了场传递函数T(ω)定义为:

T(ω)=E_s(ω)/ E_r(ω)

其中E_s(ω)和E_r(ω)分别是太赫兹通过样本传播和样本移除时检测到的时域函数的傅里叶变换(reference)。计算得到的非磁化样品的折射率和吸收系数如图1b,c所示。在这种情况下，介质不表现出任何明显的各向异性，剩余的介质磁化强度不影响用于计算介电函数的太赫兹相位延迟。为了使样品退磁，我们施加了一个反向磁场，以消除太赫兹场照亮的整个区域的净面外磁化。然而，需要注意的是，图1c中所示的部分吸收来自于磁畴壁损失，即在样品磁化后，即在磁畴对准后，磁畴壁损失减小。

图1 样品表征:(a)测量样品磁化状态引起的相位延迟的三偏振器装置示意图。WGP1和WGP3设置为0°(即网格线正交于太赫兹电场极化，导致最大传输)。WGP2的方向分别是45°和-45°。(b)(c)SrFe₁₂O₁₉在0.15-1 THz频率范围内的折射率和吸收系数。采用标准THz-TDS光谱法获得样品的传递函数，并从中提取复介电函数。(d)不同磁化强度下相位延迟的频谱依赖性。为了确定装置的不可逆性，我们将磁场方向反转。一致地，测量的旋转的符号改变了(虚线图)。(e)在0.35 THz测量的相位延迟的剩磁磁化相关性(线性检验)。(f)特定情况下传输太赫兹脉冲:非磁化样品(蓝线)和WGP2分析仪三个方向-45°磁化样品(红、黑、绿线)。

相位延迟特性

从非磁化状态开始，通过逐步施加和，使样品沿太赫兹传播轴永jiu磁化每次测量前的外部磁场。通过探测离样品表面一定距离处的磁感应，估算出每次测量时的面外剩余磁化强度。随后，根据饱和磁化强度对其进行校准(详见方法)。在去除外加磁场后，磁化状态也被发现是稳定的。材料在给定磁化状态下的偏振态测量是通过由三个线栅偏振器(WGP1;WGP2;和WGP3)，如图1a所示。我们假设在0°时，线栅极化器对垂直极化的太赫兹电场有透射作用，即其线梳是水平排列的。我们注意到这个条件对应于最大传输信号。

将WGP1和WGP3设置为0°，以确保生成的和检测到的信号都具有垂直线性极化。通过将WGP2的旋转从最大传输位置分别调整到45°和45°，我们探索了直接映射到圆形辐射本征模式的两个正交偏振态。在不同的磁化强度下，法拉第偏振旋转(相当于相位延迟值的一半)和椭圆度都很容易被发现。当发射磁场呈现出可忽略的椭圆度时，在磁化感应强度为540mT的B下，测量到210°的显著延迟(图1d)。

这种磁场相当于从VSM测量中得到的318 kAm^-1的剩余磁化强度。

我们确定了磁费尔德常数,定义为法拉第旋转归一化磁化强度和样品厚度d,有宽带ν≈1.53 10³ rad T^-1m^-1,反过来导致品质因数(FOM)旋转角筒子,1.376,0.620和0.096的rad计算最大旋转角度为0.2,0.3和0.5 THz。

在非磁化样品的情况下，测量了一个可忽略的旋转(<6°)。该值与椭圆偏振测量的精度一致，且小的剩余磁化强度总是由样品的边缘引起。反转应用场的方向会导致滞后符号的反转。这证实了装置的非互易性，并将其与常规非磁性装置区分开来。延迟也被发现在考虑的频率范围是平坦的。为了检验延迟对磁场的依赖性，我们展示了不同磁化(M)水平下在0.35 THz时的相位延迟。正如所料, 实验精度、延迟与内磁化强度成线性正比。

讨论

由图d提供的数据可以看出，当传播长度为3 mm时，样品可以产生210°的不可逆可调相位延迟。作为一个直接的应用，我们在这里演示了一个全功能的宽带隔离器。隔离所需的相位延迟可以通过简单地磁化样品来获得，从而在通过它传播时获得45°的偏振旋转(图f)。由于反射波的非互反性，通过隔振器反向传播的反射波也会发生相位差，共产生90°偏振旋转，即反射波相对于原波发生交叉。

如果是0°对齐偏振镜放置在隔离器前，这样一个反向传播的交叉波被消除，并且不到达源或系统中的其他前段。利用从测量中获得的数据，我们施加了一个与135 kAm^-1的剩余磁化强度相对应的磁化场，以诱导所需的45度旋转。所提出的太赫兹隔离器的功能已经使用图2所示的后向波特性设置进行了测试，其中一个平面镜通常放置在样品之后，以允许太赫兹波通过相同的样品进行反向传播。在这个配置中使用了两个极化器，它们遵循典型的法拉第隔离器设计:WGP4设置为0,WGP5设置为45°。

图2 隔离器特性设置。采用双偏振器(WGP4和WGP5)结构。将WGP4设置为0，以确保生成的信号和检测到的信号都处于垂直偏振状态

图3 旋转和相位延迟映射。当WGP2分别对准(a) -45°和(b) 45°时，传输太赫兹波。当外加磁场的方向相反时，旋转就会改变符号。(c)不同磁化场的后向反射波。图中标记出隔离和相位反转点(在反射波中分别诱导90°和180°的转动)。

图3显示了在椭圆偏振仪的设置下，通过样品的前向传输引起的旋转的映射(图3a,b)，以及在这种隔离器配置(但现在没有WGP5)中，波被反向反射到源时所累积的总延迟(图3c)。隔离点对应于后向反射波的90°旋转。值得注意的是，随着磁化强度的进一步增加，后向反射可以完quan相位反转。

图4

由于不可逆性，当磁场符号反转时，整个延迟过程反转。为了估计隔离深度，图中显示了从图3c在0和135 kAm^-1处提取的剩余磁化强度的两条时间线。当样品未磁化时，当WGP5不存在或放置在0°方向时，后向反射场完quan透射。这表明没有极化旋转发生。偏振镜引起了一个小的延迟，因为它可以很容易地通过简单地比较两个图推导出来。相反，当介质被磁化，WGP5不存在或放置并定位于45度时，没有检测到太赫兹辐射并获得完quan的隔离(在我们检测的灵敏度范围内)。由于WGP5的任何其他方向都没有实现隔离，这证实了旋转器在实验精度范围内具有45°偏振旋转。

综上所述，我们介绍了一种在太赫兹频率下可调节的不可逆PR。通过对延迟的控制，我们设计并实验了一种扩展到十倍频宽的太赫兹隔离器。本文提出的一般的不可逆相位延迟可以应用于不可逆场位移、耦合和旋转。我们相信，我们的研究结果将为开发一种新的太赫兹器件铺平道路，这种太赫兹器件利用磁场诱导的不可逆性，既可以作为独立元件，也可以与其他交互系统集成，还可以实现太赫兹激光器和放大器。

图5 磁介质特性(a) SrFe12O19晶体相的XRD测量谱。(b)由VSM测量得到的滞回曲线。(c)在不同磁化阶段测量的样品表面特定点处的感应场。(d) WG2两个正交方向的总发射功率与诱导旋转。绿色的是两种情况下的记录功率之和。

研究方法

结构表征

利用XRD技术对样品相进行表征，XRD技术是一种分析技术，可以用来揭示材料的化学和物理成分。由于x射线的波长与原子间的距离相当，衍射x射线的测量提供了有关晶体结构的信息。一个典型的衍射仪记录了衍射波在不同角度下的强度(XRD θ-2θ谱)。角谱是特定晶体结构的特征，用于识别和确定材料相位。我们使用Rigaku (D/MAX-2200/ PC) x射线衍射仪和Cu K-alpha辐射线进行了表征，使用的是JCPDS文件编号33-1340。图a为XRD θ-2θ谱，证实了SrFe12O19的结晶相。

磁介质特性

利用Lakeshore VSM(型号7400)在室温下测量磁滞曲线(磁化状态M与外加感应场B)，对磁性介质进行了表征。图b显示了饱和磁化强度为360 kAm-1时样品的滞后行为。为了估算每个磁化阶段后的剩磁磁化强度，我们测量了样品特定距离(d)处的感应场强(B₀)，并根据饱和时的剩磁(从磁滞曲线得到)对其进行校准。磁感应随距离样品的距离衰减如图c所示。

太赫兹光谱和介电函数的计算

THz-TDS是太赫兹体制下材料表征的标准技术。由于现有太赫兹探测技术的相干性，可以记录太赫兹场振幅的时间轨迹。它的傅里叶变换揭示了太赫兹脉冲频谱的振幅和相位。这使得对太赫兹辐射和材料诱导效应的完整描述成为可能，从而为提取太赫兹区域的材料特性提供了一个重要的光谱工具。作为一个直接的应用，我们使用THz-TDS来计算我们的样品的复介电函数。该技术是基于测量传输太赫兹脉冲通过样品和相应的参考时，样品被删除。利用公式1计算透射幅值，得到折射率和材料吸收系数。

损耗和频率依赖性

在这一节中，我们想要强调一个真正的隔离器的两个主要的非理想因素，确实影响我们在太赫兹带的实现:固有损耗和频率依赖的延迟。

在铁氧体中，非磁化状态的磁畴壁引起传输损耗。当样品被磁化并且畴壁消失时，后者被减少。例如，虽然图c显示了未磁化样品的特定(且相对较高)损耗，但当我们磁化样品以获得45°转(隔离器所需)时，样品的功率传输增加了22%，如图d所示。最重要的是，除了SrFe12O19在太赫兹范围内相对透明外，这种材料在沿传播方向磁化时不表现出明显的圆二色性。这意味着缓速器的右圆偏振模和左圆偏振模经历相同的衰减。换句话说，旋转和隔离特性不受损耗的影响。鉴于此，我们想强调，选择隔离器材料的关键标准是相位延迟与频率的独立性。

关于太赫兹波长隔离装置的可行性，参考文献显示，一般来说，不依赖频率的旋转预期高于材料磁共振。对于许多铁氧体来说，后者很方便地位于次太赫兹区域。此外，铁氧体在太赫兹域中表现出较低的群速度色散，这一特性在处理短(宽带)脉冲传播时一直被认为是一种优势。由于我们的检测系统的信噪比有限和我们相对较大的样本厚度，我们无法表征超过1 THz的延迟。然而，我们期望在磁化饱和(~1 mm)条件下，通过使用所需的厚度来获得45°偏振旋转，隔振器的透明窗口将一致放大。