一種用于寬帶太赫茲工作的磁非互易隔離器
法拉第隔離器是一種電磁不可逆裝置，是光子學(xué)中的關(guān)鍵元素。要求屏蔽電磁源免受背向反射光的影響，并限制背向傳播自發(fā)輻射的有害影響。通用的隔離器變體，循環(huán)器，被廣泛用于在向前傳播和向后傳播的波之間獲得完全的分離，從而僅在反射中實(shí)現所需的傳遞函數。在這里，我們演示了一種不可逆的太赫茲法拉第隔離器，其工作頻率超過(guò)了十倍頻帶寬，這是實(shí)現與寬帶源所產(chǎn)生的（幾個(gè)周期）脈沖進(jìn)行隔離的必要要求。利用的介質(zhì)允許使用SrFe12O19太赫茲透明永磁體獲得高達194 / T的寬帶旋轉。與迄今為止實(shí)現的所有光學(xué)隔離器相比，這反過(guò)來(lái)又可以設計獨立的完整太赫茲隔離器，而無(wú)需借助外部磁場(chǎng)偏置。
雖然一般的非真空材料本質(zhì)上是一種電磁反射/吸收衰減器，但其相位傳遞函數通常很難控制。然而，控制階段始終是相當重要的。相位延遲器(PRs)，即在傳輸或反射波上引起相位偏移的設備，是任何通信或電磁處理系統的基本組成部分。它們是許多復雜設備的核心。，如過(guò)濾器、延遲線(xiàn)、調制器、隔離器、開(kāi)關(guān)和循環(huán)器。
雖然透明的雙折射晶體(即折射率隨光偏振和傳播方向而變化的晶體)自然會(huì )在兩個(gè)不同的場(chǎng)分量之間引起相移，但這種線(xiàn)性場(chǎng)物質(zhì)相互作用，根據定義，是相互的。換句話(huà)說(shuō)，反射的偏振光在通過(guò)相同的雙折射介質(zhì)時(shí)恢復了它們原來(lái)的偏振狀態(tài)。磁場(chǎng)物質(zhì)與受磁場(chǎng)作用的介質(zhì)的相互作用可以表現出這種對稱(chēng)性的破壞。一個(gè)多世紀以前，瑞利勛爵描述了一種基于法拉第旋轉原理的單向傳輸系統。線(xiàn)偏振光可以分解為兩個(gè)等振幅的反向旋轉的圓形本征模。在法拉第旋轉器中，當波矢量反轉時(shí)，圓本征模之間的相移符號反轉。由于這伴隨著(zhù)傳播坐標的反轉，無(wú)論是正向傳播還是反向傳播都會(huì )產(chǎn)生相同的相位延遲(即符號相同)，導致輸出偏振態(tài)不同于反射波中的輸入偏振態(tài)。因此，如果旋轉角度被調整到45°，并且旋轉介質(zhì)被放置在兩個(gè)特別對齊的偏振器之間，光只向一個(gè)方向傳播。
這種不可逆性在許多基本系統中都有應用。在微波系統中，隔離器、回轉器和循環(huán)器是過(guò)去半個(gè)世紀以來(lái)微波系統中至關(guān)重要的不可逆元件的基本例子。從光頻上看，隔離器在激光器件和光子電路的實(shí)現中都是非常受歡迎的。
在千兆赫頻段的上端，隔離器已經(jīng)成為重要系統運行和測試的關(guān)鍵部件，比如自由電子激光器 (240 GHz)和平板伸縮器 (320 GHz)。可用的隔離頻率線(xiàn)和最高可達到的隔離頻率設置了該設備可應用于的系統范圍的限制。
太赫茲產(chǎn)生與探測的最新進(jìn)展，使我們能夠利用覆蓋整個(gè)太赫茲頻譜的波。可調諧窄帶和超寬帶源以及探測器都是可用的。這樣的來(lái)源發(fā)現了廣泛的應用范圍，從觸發(fā)非線(xiàn)性現象到線(xiàn)性應用，如成像、通信和化學(xué)和爆炸的光譜學(xué)。在所有這些情況下，實(shí)驗需要寬帶或可調源，這很容易覆蓋超過(guò)一個(gè)光譜十年。雖然源和檢測器可以處理寬帶脈沖，但支持設備(如調制器、隔離器、過(guò)濾器等)仍然是實(shí)際的帶寬瓶頸。根據這項工作，一個(gè)隔離器，或者一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)不可逆的PR是一個(gè)基本元素，例如，為太赫茲激光器和放大器奠定了基礎。
我們想強調的是，這樣的約束在太赫茲區域是非常重要的，因為相對帶寬很大，而在光學(xué)，光譜寬度通常是載波頻率的一小部分。毫不奇怪，由于這些嚴格的限制，盡管它的重要性很大，太赫茲隔離器還沒(méi)有實(shí)現到目前為止。
在這里，我們演示了氧化鍶(SrFe12O19)磁鐵，商用鐵氧體，可以作為超寬帶可調的不可逆PRs在太赫茲頻率。通過(guò)控制誘導延遲，我們演示了一個(gè)全功能的太赫茲隔離器，工作頻率超過(guò)10年。
結果
結構與磁性
法拉第旋轉太赫茲頻率已證明在室溫下的固體和液體樣品。然而，相比之下，我們的PR在實(shí)現隔離設備方面有三個(gè)主要優(yōu)勢。
1.感應法拉第旋轉對太赫茲波段的頻率敏感。這主要是由于鍶鐵氧體表現出約50-60 GHz(取決于外加磁場(chǎng))的鐵磁共振，遠低于太赫茲體制。這允許非常低的分散操作。
2.雖然鐵氧體通常表現出類(lèi)似于導電鐵磁體的磁性，但它們的導電性一般都很低。隔離器需要PRs，在傳輸時(shí)獲得明顯的極化旋轉。這直接將最大可達旋轉與固有損耗聯(lián)系起來(lái)。太赫茲低損耗介質(zhì)，因此，是基本的實(shí)際設備。
2.SrFe12O19屬于一般的永磁體(硬磁體)，即在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下仍然保持其磁態(tài)。因此，與光學(xué)相反，外部磁體不需要維持隔離器的運行。
樣品參數的示意圖如圖1a所示，以及本工作中使用的旋轉表征設置和太赫茲極化約定。我們的樣品是一個(gè)直徑25.4毫米，厚度3毫米的圓盤(pán)，可以在任何方向上磁化。利用x射線(xiàn)衍射(XRD)對SrFe12O19的相結構進(jìn)行了驗證。使用振動(dòng)樣品磁強計(VSM)發(fā)現樣品的飽和磁化強度為360 kAm-1。
介電和太赫茲特性
測量復介電函數，即在這項工作中提出的光譜測量已經(jīng)使用標準太赫茲時(shí)域光譜學(xué)(THz-TDS) setup35進(jìn)行。太赫茲脈沖是由飛秒Ti:藍寶石激光脈沖(130-fs長(cháng)，重復頻率為1 kHz)在ZnTe晶體中通過(guò)光學(xué)整流產(chǎn)生的，其波長(cháng)以800 nm為中心。該檢測是通過(guò)使用第二ZnTe晶體的光電采樣技術(shù)進(jìn)行的。注意，我們使用了一個(gè)相對厚(3毫米)的樣品，隔離特性要求磁場(chǎng)通過(guò)旋轉器兩次。這將我們的透明窗口限制在0.08-0.8 THz。但是，如下一段所示，該器件具有較高的旋轉度，可以用1 mm厚的樣品實(shí)現隔離。
如圖1a所示，假設太赫茲電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別沿y軸和x軸振蕩，而太赫茲波的波矢量位于面外(樣本法向)z方向。
為了獲取樣品的復折射率，我們確定了場(chǎng)傳遞函數T(ω)定義為:
T(ω)=Es(ω)/ Er(ω)
其中Es(ω)和Er(ω)分別是太赫茲通過(guò)樣本傳播和樣本移除時(shí)檢測到的時(shí)域函數的傅里葉變換(reference)。計算得到的非磁化樣品的折射率和吸收系數如圖1b,c所示。在這種情況下，介質(zhì)不表現出任何明顯的各向異性，剩余的介質(zhì)磁化強度不影響用于計算介電函數的太赫茲相位延遲。為了使樣品退磁，我們施加了一個(gè)反向磁場(chǎng)，以消除太赫茲場(chǎng)照亮的整個(gè)區域的凈面外磁化。然而，需要注意的是，圖1c中所示的部分吸收來(lái)自于磁疇壁損失，即在樣品磁化后，即在磁疇對準后，磁疇壁損失減小。
其中Es(ω)和Er(ω)分別是太赫茲通過(guò)樣本傳播和樣本移除時(shí)檢測到的時(shí)域函數的傅里葉變換(reference)。計算得到的非磁化樣品的折射率和吸收系數如圖1b,c所示。在這種情況下，介質(zhì)不表現出任何明顯的各向異性，剩余的介質(zhì)磁化強度不影響用于計算介電函數的太赫茲相位延遲。為了使樣品退磁，我們施加了一個(gè)反向磁場(chǎng)，以消除太赫茲場(chǎng)照亮的整個(gè)區域的凈面外磁化。然而，需要注意的是，圖1c中所示的部分吸收來(lái)自于磁疇壁損失，即在樣品磁化后，即在磁疇對準后，磁疇壁損失減小。
圖1 樣品表征:(a)測量樣品磁化狀態(tài)引起的相位延遲的三偏振器裝置示意圖。WGP1和WGP3設置為0°(即網(wǎng)格線(xiàn)正交于太赫茲電場(chǎng)極化，導致最大傳輸)。WGP2的方向分別是45°和-45°。(b)(c)SrFe12O19在0.15-1 THz頻率范圍內的折射率和吸收系數。采用標準THz-TDS光譜法獲得樣品的傳遞函數，并從中提取復介電函數。(d)不同磁化強度下相位延遲的頻譜依賴(lài)性。為了確定裝置的不可逆性，我們將磁場(chǎng)方向反轉。一致地，測量的旋轉的符號改變了(虛線(xiàn)圖)。(e)在0.35 THz測量的相位延遲的剩磁磁化相關(guān)性(線(xiàn)性檢驗)。(f)特定情況下傳輸太赫茲脈沖:非磁化樣品(藍線(xiàn))和WGP2分析儀三個(gè)方向-45°磁化樣品(紅、黑、綠線(xiàn))。
相位延遲特性
從非磁化狀態(tài)開(kāi)始，通過(guò)逐步施加和，使樣品沿太赫茲傳播軸永久磁化每次測量前的外部磁場(chǎng)。通過(guò)探測離樣品表面一定距離處的磁感應，估算出每次測量時(shí)的面外剩余磁化強度。隨后，根據飽和磁化強度對其進(jìn)行校準(詳見(jiàn)方法)。在去除外加磁場(chǎng)后，磁化狀態(tài)也被發(fā)現是穩定的。材料在給定磁化狀態(tài)下的偏振態(tài)測量是通過(guò)由三個(gè)線(xiàn)柵偏振器(WGP1;WGP2;和WGP3)，如圖1a所示。我們假設在0°時(shí)，線(xiàn)柵極化器對垂直極化的太赫茲電場(chǎng)有透射作用，即其線(xiàn)梳是水平排列的。我們注意到這個(gè)條件對應于最大傳輸信號。
將WGP1和WGP3設置為0°，以確保生成的和檢測到的信號都具有垂直線(xiàn)性極化。通過(guò)將WGP2的旋轉從最大傳輸位置分別調整到45°和45°，我們探索了直接映射到圓形輻射本征模式的兩個(gè)正交偏振態(tài)。在不同的磁化強度下，法拉第偏振旋轉(相當于相位延遲值的一半)和橢圓度都很容易被發(fā)現。當發(fā)射磁場(chǎng)呈現出可忽略的橢圓度時(shí)，在磁化感應強度為540mT的B下，測量到210°的顯著(zhù)延遲(圖1d)。
這種磁場(chǎng)相當于從VSM測量中得到的318 kAm-1的剩余磁化強度。
我們確定了磁費爾德常數,定義為法拉第旋轉歸一化磁化強度和樣品厚度d,有寬帶ν≈1.53 103 rad T-1m-1,反過(guò)來(lái)導致品質(zhì)因數(FOM)旋轉角筒子,1.376,0.620和0.096的rad計算最大旋轉角度為0.2,0.3和0.5 THz。
在非磁化樣品的情況下，測量了一個(gè)可忽略的旋轉(<6°)。該值與橢圓偏振測量的精度一致，且小的剩余磁化強度總是由樣品的邊緣引起。反轉應用場(chǎng)的方向會(huì )導致滯后符號的反轉。這證實(shí)了裝置的非互易性，并將其與常規非磁性裝置區分開(kāi)來(lái)。延遲也被發(fā)現在考慮的頻率范圍是平坦的。為了檢驗延遲對磁場(chǎng)的依賴(lài)性，我們展示了不同磁化(M)水平下在0.35 THz時(shí)的相位延遲。正如所料, 實(shí)驗精度、延遲與內磁化強度成線(xiàn)性正比。
討論
由圖d提供的數據可以看出，當傳播長(cháng)度為3 mm時(shí)，樣品可以產(chǎn)生210°的不可逆可調相位延遲。作為一個(gè)直接的應用，我們在這里演示了一個(gè)全功能的寬帶隔離器。隔離所需的相位延遲可以通過(guò)簡(jiǎn)單地磁化樣品來(lái)獲得，從而在通過(guò)它傳播時(shí)獲得45°的偏振旋轉(圖f)。由于反射波的非互反性，通過(guò)隔振器反向傳播的反射波也會(huì )發(fā)生相位差，共產(chǎn)生90°偏振旋轉，即反射波相對于原波發(fā)生交叉。
如果是0°對齊偏振鏡放置在隔離器前，這樣一個(gè)反向傳播的交叉波被消除，并且不到達源或系統中的其他前段。利用從測量中獲得的數據，我們施加了一個(gè)與135 kAm-1的剩余磁化強度相對應的磁化場(chǎng)，以誘導所需的45度旋轉。所提出的太赫茲隔離器的功能已經(jīng)使用圖2所示的后向波特性設置進(jìn)行了測試，其中一個(gè)平面鏡通常放置在樣品之后，以允許太赫茲波通過(guò)相同的樣品進(jìn)行反向傳播。在這個(gè)配置中使用了兩個(gè)極化器，它們遵循典型的法拉第隔離器設計:WGP4設置為0,WGP5設置為45°。
圖2 隔離器特性設置。采用雙偏振器(WGP4和WGP5)結構。將WGP4設置為0，以確保生成的信號和檢測到的信號都處于垂直偏振狀態(tài)
圖3 旋轉和相位延遲映射。當WGP2分別對準(a) -45°和(b) 45°時(shí)，傳輸太赫茲波。當外加磁場(chǎng)的方向相反時(shí)，旋轉就會(huì )改變符號。(c)不同磁化場(chǎng)的后向反射波。圖中標記出隔離和相位反轉點(diǎn)(在反射波中分別誘導90°和180°的轉動(dòng))。
圖3顯示了在橢圓偏振儀的設置下，通過(guò)樣品的前向傳輸引起的旋轉的映射(圖3a,b)，以及在這種隔離器配置(但現在沒(méi)有WGP5)中，波被反向反射到源時(shí)所累積的總延遲(圖3c)。隔離點(diǎn)對應于后向反射波的90°旋轉。值得注意的是，隨著(zhù)磁化強度的進(jìn)一步增加，后向反射可以完全相位反轉。
圖4
由于不可逆性，當磁場(chǎng)符號反轉時(shí)，整個(gè)延遲過(guò)程反轉。為了估計隔離深度，圖中顯示了從圖3c在0和135 kAm-1處提取的剩余磁化強度的兩條時(shí)間線(xiàn)。當樣品未磁化時(shí)，當WGP5不存在或放置在0°方向時(shí)，后向反射場(chǎng)完全透射。這表明沒(méi)有極化旋轉發(fā)生。偏振鏡引起了一個(gè)小的延遲，因為它可以很容易地通過(guò)簡(jiǎn)單地比較兩個(gè)圖推導出來(lái)。相反，當介質(zhì)被磁化，WGP5不存在或放置并定位于45度時(shí)，沒(méi)有檢測到太赫茲輻射并獲得完全的隔離(在我們檢測的靈敏度范圍內)。由于WGP5的任何其他方向都沒(méi)有實(shí)現隔離，這證實(shí)了旋轉器在實(shí)驗精度范圍內具有45°偏振旋轉。
圖5 磁介質(zhì)特性(a) SrFe12O19晶體相的XRD測量譜。(b)由VSM測量得到的滯回曲線(xiàn)。(c)在不同磁化階段測量的樣品表面特定點(diǎn)處的感應場(chǎng)。(d) WG2兩個(gè)正交方向的總發(fā)射功率與誘導旋轉。綠色的是兩種情況下的記錄功率之和。
研究方法
結構表征
利用XRD技術(shù)對樣品相進(jìn)行表征，XRD技術(shù)是一種分析技術(shù)，可以用來(lái)揭示材料的化學(xué)和物理成分。由于x射線(xiàn)的波長(cháng)與原子間的距離相當，衍射x射線(xiàn)的測量提供了有關(guān)晶體結構的信息。一個(gè)典型的衍射儀記錄了衍射波在不同角度下的強度(XRD θ-2θ譜)。角譜是特定晶體結構的特征，用于識別和確定材料相位。我們使用Rigaku (D/MAX-2200/ PC) x射線(xiàn)衍射儀和Cu K-alpha輻射線(xiàn)進(jìn)行了表征，使用的是JCPDS文件編號33-1340。圖a為XRD θ-2θ譜，證實(shí)了SrFe12O19的結晶相。
磁介質(zhì)特性
利用Lakeshore VSM(型號7400)在室溫下測量磁滯曲線(xiàn)(磁化狀態(tài)M與外加感應場(chǎng)B)，對磁性介質(zhì)進(jìn)行了表征。圖b顯示了飽和磁化強度為360 kAm-1時(shí)樣品的滯后行為。為了估算每個(gè)磁化階段后的剩磁磁化強度，我們測量了樣品特定距離(d)處的感應場(chǎng)強(B0)，并根據飽和時(shí)的剩磁(從磁滯曲線(xiàn)得到)對其進(jìn)行校準。磁感應隨距離樣品的距離衰減如圖c所示。
太赫茲光譜和介電函數的計算
THz-TDS是太赫茲體制下材料表征的標準技術(shù)。由于現有太赫茲探測技術(shù)的相干性，可以記錄太赫茲場(chǎng)振幅的時(shí)間軌跡。它的傅里葉變換揭示了太赫茲脈沖頻譜的振幅和相位。這使得對太赫茲輻射和材料誘導效應的完整描述成為可能，從而為提取太赫茲區域的材料特性提供了一個(gè)重要的光譜工具。作為一個(gè)直接的應用，我們使用THz-TDS來(lái)計算我們的樣品的復介電函數。該技術(shù)是基于測量傳輸太赫茲脈沖通過(guò)樣品和相應的參考時(shí)，樣品被刪除。利用公式1計算透射幅值，得到折射率和材料吸收系數。
損耗和頻率依賴(lài)性
在這一節中，我們想要強調一個(gè)真正的隔離器的兩個(gè)主要的非理想因素，確實(shí)影響我們在太赫茲帶的實(shí)現:固有損耗和頻率依賴(lài)的延遲。
在鐵氧體中，非磁化狀態(tài)的磁疇壁引起傳輸損耗。當樣品被磁化并且疇壁消失時(shí)，后者被減少。例如，雖然圖c顯示了未磁化樣品的特定(且相對較高)損耗，但當我們磁化樣品以獲得45°轉(隔離器所需)時(shí)，樣品的功率傳輸增加了22%，如圖d所示。最重要的是，除了SrFe12O19在太赫茲范圍內相對透明外，這種材料在沿傳播方向磁化時(shí)不表現出明顯的圓二色性。這意味著(zhù)緩速器的右圓偏振模和左圓偏振模經(jīng)歷相同的衰減。換句話(huà)說(shuō)，旋轉和隔離特性不受損耗的影響。鑒于此，我們想強調，選擇隔離器材料的關(guān)鍵標準是相位延遲與頻率的獨立性。
關(guān)于太赫茲波長(cháng)隔離裝置的可行性，參考文獻顯示，一般來(lái)說(shuō)，不依賴(lài)頻率的旋轉預期高于材料磁共振。對于許多鐵氧體來(lái)說(shuō)，后者很方便地位于次太赫茲區域。此外，鐵氧體在太赫茲域中表現出較低的群速度色散，這一特性在處理短(寬帶)脈沖傳播時(shí)一直被認為是一種優(yōu)勢。由于我們的檢測系統的信噪比有限和我們相對較大的樣本厚度，我們無(wú)法表征超過(guò)1 THz的延遲。然而，我們期望在磁化飽和(~1 mm)條件下，通過(guò)使用所需的厚度來(lái)獲得45°偏振旋轉，隔振器的透明窗口將一致放大。
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