专利名称：可调太赫辐射产生方法
技术领域：
本发明涉及太赫(terahertz)波的产生方法。
背景技术：
于2006年7月3日提交的申请编号为11/481,197,题为"GENERATION OF TERAHERTZ WAVES"的美国专利申请揭示了太赫(THz)辐射的产生方 法。美国专利申请编号11/481,197的全文在此结合并将在下文中称为专利申请 #1。不过，产生的THz波的可调性则未作论述。
发明内容
本发明提供一种可调THz光子产生方法和装置。
本发明的一个方面涉及一种可调太赫辐射产生方法。
在一实施例中，本发明的方法包括以下步骤(A)提供磁振子增益介质； 其中,磁振子增益介质支持非平衡磁振子的产生；(B)于磁振子增益介质内产生 太赫辐射；以及(C)通过使外部参数变化，来调整太赫辐射的频率。
在本发明的一实施例中，步骤(A)进一步包括(Al)将磁振子增益介质 放置于恒温器内以使磁振子增益介质的温度保持在临界温度之下。
在本发明的一实施例中，步骤(A)进一步包括(A2)从以下各项组成的组 中选择磁振子增益介质{铁磁半导体；铁磁绝缘体；以及铁磁材料}。在本发 明的一实施例中，步骤(A2)进一步包括(A2， 1)将包括被选铁磁材料的磁 振子增益介质放置于恒温器内以使该被选铁磁材料的温度保持在其居里温度 之下。
在本发明的一实施例中，步骤(B)进一步包括(Bl)将非平衡电子注入 磁振子增益介质；其中，非平衡电子在磁振子增益介质中的传播导致非平衡磁 振子的产生；以及其中，在非平衡磁振子之间的相互作用导致太赫辐射的产生。
5在本发明的一实施例中，步骤(Bl)进一步包括(Bl， 1)将非平衡电子泵入 磁振子增益介质。在本发明的另一实施例中，步骤(Bl)进一步包括(Bl， 2) 将极化非平衡电子泵入磁振子增益介质。在本发明的再一实施例中，步骤(Bl)
进一步包括(Bl, 3)将数量足够大的极化非平衡电子泵入磁振子增益介质，
其中，数量足够大的己泵入的极化非平衡电子导致在磁振子增益介质内产生了
非平衡磁振子。在本发明的又一实施例中，步骤(Bl)进一步包括(Bl， 4)将
阈值数量的极化非平衡电子泵入磁振子增益介质，其中，阈值数量的极化非平 衡电子足以在磁振子增益介质内产生磁振子雪崩效应。
在本发明的一实施例中，通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的步
骤(C)进一步包括(CI)施加外部磁场；以及(C2)使外部磁场的值改变。在 本发明的该实施例中，产生的太赫辐射的频率因非平衡磁振子的能量与外部磁 场的值的相关性而改变。
在本发明的另一实施例中，通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的 步骤(C)进一步包括(C3)施加外部流体静压力；以及(C4)使外部流体静 压力的值改变。在本发明的该实施例中，产生的太赫辐射的频率因非平衡磁振 子的劲度(stiffness)与外部流体静压力的值的相关性而改变。
在本发明的再一实施例中，通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的 步骤(C)进一步包括(C5)施加外部电场；以及(C6)使外部电场的值改变。 在本发明的该实施例中，产生的太赫辐射的频率因非平衡磁振子的劲度与外部 电场的值的相关性而改变。
本发明的另一个方面涉及一种可调的太赫辐射的产生装置。
在一实施例中，本发明的装置包括(A)磁振子增益介质；其中，磁振子 增益介质支持非平衡磁振子的产生；(B)于磁振子增益介质内产生太赫辐射的 设备；以及(C)调整所产生的太赫辐射的频率的设备。
在一实施例中，本发明的装置进一步包括(D)恒温器。在本发明的该实 施例中，磁振子增益介质放置于恒温器内，以及其中，将恒温器配置成使磁振 子增益介质的温度保持在临界温度之下。
在本发明的一实施例中，设备(B)进一步包括(Bl)将非平衡电子注入 磁振子增益介质的设备；其中非平衡电子在磁振子增益介质中的传播导致非平衡磁振子的产生；以及其中在非平衡磁振子之间的相互作用导致太赫辐射的产 生。
在本发明的一实施例中，设备(Bl)进一步包括(Bl， 1)将非平衡电子泵 入磁振子增益介质的设备。在本发明的另一实施例中，设备(Bl)进一步包括-
(Bl， 2)将极化非平衡电子泵入磁振子增益介质的设备。
在本发明的一实施例中，调整太赫辐射的频率的设备(c)进一步包括(a)
施加外部磁场的设备；以及(C2)使外部磁场的值改变的设备。
在本发明的另一实施例中，调整太赫辐射的频率的设备(C)进一步包括 (C3)施加外部流体静压力的设备；以及(C4)使外部流体静压力的值改变的设 备。
在本发明的再一实施例中，调整太赫辐射的频率的设备(C)进一步包括 (C5)施加外部电场的设备；以及(C6)使外部电场的值改变的设备。
在此结合并构成说明书的一部份的附图示出本发明的实施例，并与说明书 一道用于解释本发明的原理。
图1所示为用于本发明的强电子-磁振子相互作用过程(与电子-电子或电 子-声子相互作用相比较)，其中，被激发到自旋向下的上子带中的非平衡电子 快速地发射具有大波矢的磁振子。
图2所示为用于本发明在正可调性的情况下所发射的光子的能量和磁场的 关系曲线。
图3所示为用于本发明在负可调性的情况下所发射的光子的能量和流体静 压力的关系曲线。
图4所示为用于本发明在正可调性的情况下所发射的光子的能量和载流子 浓度的关系曲线。
具体实施例方式
下面将详细提及本发明的较佳实施例，附图所示为其范例。虽然下文将结 合较佳实施例叙述本发明，但应该明白并不是打算将本发明限于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可包含在如所附权利要求限定的精神和保护范围之内的 备选方案、变型及等同物。此外，在以下的本发明的详细叙述中提出了很多特 定细节，是为了使人可彻底地理解本发明。但是很明显，对于本领域的技术人 员而言，无需这些特定细节都可实施本发明。在其它的情况下，对众所周知的 方法、过程、部件和电路未作详细叙述，以免不必要地模糊本发明的特征。
以下详述的若干部份是根据粒子和准粒子相互作用、程序、方程式、分程 序、图表及其它的物理过程的符号表示法来表示。这些叙述和表示法是由凝聚 态物质这一物理学领域的技术人员采用的手段，以便将其工作的要义最有效地 传达给该领域的其他技术人员。
正如专利申请#1所揭示，电子20与自旋波(磁振子)18如图l所示般相互
作用。在外部磁场H中的磁振子的能量如下
h q = (ha)Q+Dq2)1/2 (tl(Oo+hcoMsin2e+ Dq2)1/2 (方程式1)
此处的q为磁振子波矢，D为磁振子劲度，而e为^和磁矩^之间的角度， hco0=g^H， (方程式2) hcoM = 47ig|LiBM, (方程式3)
其中g是g因子(g-2)，而w为玻尔磁子。
被激发到自旋向下的上子带(图1中的14)中的非平衡电子迅速地发射磁振 子，移到自旋向上的子带(图1中的12)，然后再移到该子带的底部从而发射光 子。
正如专利申请#1所揭示，磁振子的发射过程类似于四级激光系统的运作。 更具体地说，如果将足够数量的非平衡电子泵入(注入)自旋向下的上子带(图1 中的14)，则在窄波矢范围内的磁振子数量开始随泵浦而快速地增加。因此， 该系统如"磁振子激光"般工作。
按照能量守恒定律和动量守恒定律，如果从自旋向下的子带14的底部测量 的非平衡电子能量Sp比交换带隙A16小得多，则所发射的磁振子18的波矢q 处于区间qt^q^q2中，其中q1>2 = h"(p^p)， p0 = (2mA)1/2， p = (2msp)1/2 p0， m是电子有效质量。
在q,，2的表达式中，忽略了h(D()/A和hcoM/A的量级(order)的小修正值。间 隙A是几百个meV的量级。因此，q^h"po足够大，以致在(方程式1)中的Dq^页比h(Oo大得多，并且比hQ)M大得多。这就是为什么我们可以忽略h①q与
e的弱相关性所带来的影响。在该情况下，(方程式l)可重写为如下
h①q = (hco0 + Dq )
(方程式4)
正如专利申请W所揭示，两个具有波矢q和q'的磁振子的合并产生了光 子，其具有以下波矢
以及其频率Vk相等于
CO q +0) q. = Vk = Ck
其中c为光速。
按照这些定律，k比q小得多，也就是说
5 = _f; =
(方程式5) (方程式6)
(方程式7) (方程式8) (方程式9) (方程式10)
因此，所产生的辐射的频率如下 fr = vk / 2兀=(oo0 + tf'Dq2) /兀
可引入新的参数，即磁场引起的可调性 tH=
按照(方程式8和9)， tH为
tH = g|iB /兀h = 0.056THz/T.
因此，磁场H = 1T调节约6%的lTHz辐射频率。图2所示为产生的辐射 的频率fr和磁场H的关系曲线30。
作为例子，可考虑居里温度为T^^70K的铁磁半导体EuO的THz辐射。 对于EuO， m = 0.35mo，其中mo为自由电子质量，(J. Shoenes和P. Wachter, 尸— Wev. 5 9, 3097 (1974))， 间隙△ = 0.6 eV (J. Lascaray， J. P. Desfours,和M. Averous, So/. Com. 19， 677 (1976))，激励磁振子的波矢q'q。 = h"po =2.6 107 cm-1。自旋波劲度D= 10.8 l(T16 mevcm2 (L. Passel, O. W. Dietrich禾口 J. Als-Nielsen， P/y^. T ev. 5 14,4897, 1976)。这给出了激励磁振子在零磁场处的能 量hco|H=0 = Dq2=0.73 meV，和频率fm = o / 2兀- 0.176 THz。因此，在上述例 子中，所产生的辐射的频率为fr|H=o=2fm = 0.352 THz。
在磁场H = 1T(泰斯拉)时，按照(方程式8)，产生的辐射的频率相等于 &|H=1T= 0.408 THz。所以产生的辐射的频率的相对变化为[&(H=1T) - & (H=0)] /
9fr(H=0) = 16%。
还可引入另外三个参数。流体静压力引起的可调性:
tP=3fr/5P
(方程式11)
载流子浓度引起的可调性:
(方程式12)
以及电场引起的可调性:
(方程式13)
流体静压力引起的可调性tP由劲度D与流体静压力P的相关性确定。例如， 在Te:130K的铁磁半导体CdCr2Se4中，Te随压力而减小3Te / = (-) 0.82 K/kbar。请参见R. P. Van Stapele的"Ferromagnetic Materials" (vol. 3，由E.P. Wolfarth编辑，North-Holland Publishing Company, 1982)。 Tc的变化涉及交换积
分与晶格常数的相关性。可以预期，D与P的相关性类似于Te与P的相关性。
所以，辐射频率f;取决于P(图3中的50)。
在铁磁半导体中，劲度D也可取决于载流子浓度ne—如果RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)间接交换对D有着极为关键的贡献的话。如 果是该种情况，载流子浓度引起的可调性Te(方程式12)由D与ne的相关性确 定。图4所示为产生的辐射的频率f;与载流子浓度ne的关系曲线60。
还有些情况，载流子浓度ne以及劲度D取决于外部电场E。在这些情况 下，可利用符合方程式13的电场来调整产生的频率。
在一实施例中，本发明的可调的太赫辐射产生方法包括(图中未示)(A)提 供磁振子增益介质；其中磁振子增益介质支持非平衡磁振子的产生；(B)于磁 振子增益介质内产生太赫辐射；以及(C)通过使外部参数变化来调整太赫辐射 的频率。
专利申请#1完整地揭示了头两个步骤(A)和(B)。所以本文将注意力集中 于步骤(C):通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率。
在本发明的一实施例中，产生的太赫辐射的频率因非平衡磁振子的能量与
外部磁场值的相关性而改变。请参见(方程式9)和(方程式10)。在本发明的该实 施例中，通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的步骤(C)包括(未示 出)(CI)对本发明的装置施加外部磁场(如专利申请#1所揭示)；以及(C2)使外部磁场的值改变。本发明的装置的基本结构(如专利申请#1所揭示)包 括(A)磁振子增益介质(例如铁磁半导体)；(B)非平衡电子源；以及(C)配 置成将磁振子增益介质的温度保持在临界温度之下的恒温器。对于本领域的技 术人员而言，怎样施加外部磁场和如何使所施加的外部磁场的值改变是众所周 知的。
在本发明的另一实施例中，产生的太赫辐射的频率因非平衡磁振子的劲度 与外部流体静压力的值的相关性而改变。请参见(方程式ll)。在本发明的该实 施例中，通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的步骤(C)进一步包括 (C3)对本发明的装置施加外部流体静压力(如专利申请#1所揭示)；以及(C4) 使外部流体静压力的值改变。对于本领域的技术人员而言，如何施加外部流体 静压力和怎样使所施加的外部流体静压力的值改变是众所周知的。
在本发明的再一实施例中，产生的太赫辐射的频率因非平衡磁振子的劲度 与外部电场的值的相关性而改变。请参见(方程式13)。在本发明的该实施例中， 通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的步骤(C)进一步包括(C5)对 本发明的装置施加外部电场(如专利申请#1所揭示)；以及(C6)使外部电场 的值改变。对于本领域的技术人员而言，怎样施加外部电场和怎样使所施加的 外部电场的值改变是众所周知的。
为了说明和叙述的目的，上文已示出本发明的特定实施例。它们并不打算 用作为穷举或将本发明限于所示的确定形式，很明显，按照上述的启示，可以
作出很多改型和变型。选择和叙述实施例是为了可最佳地说明本发明的原理及 其实际的应用，从而使本领域的其他技术人员可通过各种各样的适于预期的特 定用途的改进来最佳地利用本发明和不同的实施例。本发明的保护范围应该由 所附的权利要求以及它们的等同物来限定。
权利要求
1. 一种可调太赫辐射产生方法，所述方法包括以下的步骤(A)提供磁振子增益介质；其中所述磁振子增益介质支持非平衡磁振子的产生；(B)于所述磁振子增益介质内产生太赫辐射；以及(C)通过使外部参数变化来调整所述太赫辐射的频率。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(A)进一步包括以下的 步骤(Al)将磁振子增益介质放置于恒温器内以使磁振子增益介质的温度保持在 临界温度之下。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(A)进一步包括以下的步骤(A2)从以下各项组成的组中选择所述磁振子增益介质{铁磁半导体；铁磁 绝缘体；以及铁磁材料}。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤(A2)进一步包括以下的 步骤(A2, 1)将包括被选铁磁材料的所述磁振子增益介质放置于所述恒温器内以 使被选铁磁材料的温度保持在其居里温度之下。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述磁振子增益介质内产生太赫 辐射的所述步骤(B)进一步包括以下的步骤(Bl)将非平衡电子注入所述磁振子增益介质;其中，所述非平衡电子在所述磁 振子增益介质中的传播导致所述非平衡磁振子的产生；以及其中，在所述非平衡磁 振子之间的相互作用导致所述太赫辐射的产生。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(Bl)进一步包括以下的 步骤(Bl， 1)将非平衡电子泵入所述磁振子增益介质。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(Bl)进一步包括以下的 步骤(Bl， 2)将极化非平衡电子泵入所述磁振子增益介质。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(Bl)进一步包括以下的 步骤(Bl， 3)将足够数量的极化非平衡电子泵入所述磁振子增益介质，其中，泵入的 足够数量的极化非平衡电子导致在所述磁振子增益介质内产生非平衡磁振子。
9. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(Bl)进一步包括以下的 步骤(Bl， 4)将阈值数量的极化非平衡电子泵入所述磁振子增益介质，其中，泵入 的阈值数量的极化非平衡电子足以在所述磁振子增益介质内产生磁振子雪崩效应。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于通过使外部参数变化来调整太 赫辐射的频率的步骤(C)进一步包括以下的步骤-(Cl)施加外部磁场；以及(C2)使所述外部磁场的值改变；其中所产生的太赫辐射的频率因所述非平衡磁振子的能量与外部磁场的值的相关性而改变。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率的步骤(C)进一步包括以下的步骤 (C3)施加外部流体静压力；以及(C4)使所述外部流体静压力的值改变；其中所产生的太赫辐射的频率因所述 非平衡磁振子的劲度与外部流体静压力的值的相关性而改变。
12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于通过使外部参数变化来调整太 赫辐射的频率的步骤(C)进一步包括以下的步骤(C5)施加外部电场；以及(C6)使所述外部电场的值改变；其中所产生的太赫辐射的频率因所述非平衡 磁振子的劲度与外部电场的值的相关性而改变。
13. —种可调太赫辐射产生装置，其包括(A) 磁振子增益介质；其中所述磁振子增益介质支持非平衡磁振子的产生；(B) 用于在所述磁振子增益介质内产生太赫辐射的设备；以及(C) 用于调整所产生的太赫辐射的频率的设备。
14. 如权利要求13所述的装置，其特征在于所述装置进一步包括(D)恒温器，其中，所述磁振子增益介质被放置于所述恒温器内，以及其中, 所述恒温器被配置成使所述磁振子增益介质的温度保持在临界温度之下。
15. 如权利要求13所述的装置，其特征在于所述设备(B)进一步包括 (Bl)用于将非平衡电子注入所述磁振子增益介质的设备;其中，所述非平衡电子在所述磁振子增益介质中的传播导致所述非平衡磁振子的产生；以及其中，所述 非平衡磁振子之间的相互作用导致所述太赫辐射的产生。
16. 如权利要求15所述的装置，其特征在于所述设备(Bl)进一步包括-(Bl， 1)用于将非平衡电子泵入所述磁振子增益介质的设备。
17. 如权利要求15所述的装置，其特征在于所述设备(Bl)进一步包括 (Bl， 2)用于将极化非平衡电子泵入所述磁振子增益介质的设备。
18. 如权利要求13所述的装置，其特征在于用于调整太赫辐射的频率的设 备(C)进一步包括(Cl)用于施加外部磁场的设备；以及 (C2)用于使所述外部磁场的值改变的设备。
19. 如权利要求13所述的装置，其特征在于用于调整太赫辐射的频率的设 备(C)进一步包括(C3)用于施加外部流体静压力的设备；以及 (C4)用于使所述外部流体静压力的值改变的设备。
20. 如权利要求13所述的装置，其特征在于用于调整太赫辐射的频率的设备(C)进一步包括(C5)用于施加外部电场的设备；以及 (C6)用于使所述外部电场的值改变的设备。
全文摘要
一种可调太赫辐射产生方法，其包括(A)提供磁振子增益介质；其中磁振子增益介质支持非平衡磁振子的产生；(B)在磁振子增益介质内产生太赫辐射；以及(C)通过使外部参数变化来调整太赫辐射的频率。可通过施加外部磁场以及使外部磁场的值改变来达到对所产生的太赫辐射的频率进行实质调整。
文档编号H01S4/00GK101512854SQ200780032592
公开日2009年8月19日 申请日期2007年4月24日 优先权日2006年7月31日
发明者B·G·坦齐莱维奇, Y·科瑞布力特 申请人:太赫技术有限公司