强场太赫兹自旋发射器及光谱仪的制作方法

本发明实施例涉及太赫兹脉冲产生技术领域，更具体地，涉及强场太赫兹自旋发射器及光谱仪。

背景技术

太赫兹辐射在电磁波谱上位于远红外和毫米波之间，该频段的特殊位置赋予了该频段特殊的性质，比如太赫兹频率对应生物大分子的振动能级和转动能级，对应水分子的氢键能量和范德瓦尔斯力的能量，许多生物分子在这个频段都具有指纹光谱，可应用在物质鉴别和识别；太赫兹频段意味着更大的信息容量，为通信遥感、航空航天提供更好的通信手段。太赫兹辐射在物理、化学、材料、生物、医学等各个领域均具有广泛的应用前景。

目前，各种基于光学和电子学的太赫兹辐射源应运而生，产生了各种基于电学的低频窄带太赫兹辐射源和高频宽带太赫兹辐射源。随着超快激光技术的发展，基于飞秒激光技术的太赫兹辐射源能够获得更为小型化、更可靠、更稳定以及成本更低的太赫兹辐射源，可满足实验研究和部分应用的需要，因此，基于超快激光技术的太赫兹源获得了快速的发展。

但是太赫兹技术并未取得大量的实际应用，阻碍太赫兹科学与技术发展和应用的关键依然在于高效率、低成本、高稳定性的太赫兹辐射源、高灵敏度的太赫兹探测器，以及各种太赫兹功能器件的缺乏。其中，低成本、高效率、小型化、超宽带、稳定可靠的太赫兹辐射源的缺乏，成为了最主要的挑战。太赫兹辐射源是太赫兹科学与技术发展的关键组成部分。随着超快飞秒激光技术的发展，为制备太赫兹辐射源提供了更为可靠的途径。

目前基于超快飞秒激光技术获得的太赫兹辐射源按照频率从低到高的排列，可主要分为：(1)基于铌酸锂倾斜波前技术的光学整流方法，可覆盖的频率范围为0.1-2.0thz，中心频率在0.5thz附近；(2)基于有机晶体的光学整流方法，可覆盖的频率范围为0.5-5thz，中心频率在2thz左右；(3)基于双色等离子体的方法，可覆盖的频率范围为1-10thz，中心频率在3thz附近；(4)基于强激光与物质相互作用的渡越辐射机制，可覆盖的频率范围为0.3-30thz，中心频率偏低频；(5)基于表面等离子体增强的大孔径光导天线，可覆盖的频率范围为0.3-4thz，中心频率在1thz附近；(6)基于非线性晶体的差频效应，中心频率可在15-30thz，窄带可调谐。

以上6种强场太赫兹辐射源都有各自的缺陷。(1)基于铌酸锂倾斜波前技术的光学整流方法是目前实验室获得高能强场太赫兹辐射的常用方法，这是由于该光学整流方法对泵浦激光的波长没有特定要求，且铌酸锂晶体通过掺杂可以获得极高的破坏阈值，可采用各种高能激光器以构建太赫兹辐射源。但是，倾斜波前技术不仅对相位匹配的精确度要求高，光路搭建复杂，而且由于铌酸锂晶体对太赫兹辐射有强烈的吸收，使得产生的高频太赫兹辐射被大量吸收而不能被耦合出来实现有效的利用，因此产生的太赫兹辐射普遍偏低频。当将铌酸锂倾斜波前技术应用在大于100毫焦量级的高能泵浦飞秒激光器上后，对晶体的尺寸要求更大，导致目前的晶体生长技术无法满足大尺寸晶体的要求，导致该技术应用在更高能量的激光器上遇到极大的困难和挑战。(2)基于有机晶体的光学整流方法尽管可以产生接近1焦耳的高能太赫兹辐射，且中心频率偏高频，频率的覆盖范围由泵浦激光的脉冲宽度决定。这样的有机晶体最大的挑战在于，晶体的尺寸无法生长得更大，破坏阈值非常低，价格极其昂贵，且容易潮解，非常不稳定。这样的太赫兹辐射源用在低能太赫兹设备上尚且存在困难，更无法用在泵浦激光上以获得稳定可靠的强场太赫兹输出。而且由于晶体容易受潮、受激光的破坏，需要不定期的更换晶体，不但增加了设备成本，而且给测试数据带来不确定性。(3)基于双色等离子体的太赫兹辐射源，虽然可产生频谱1-10thz的超宽带太赫兹辐射且不存在破坏阈值，但是频谱宽度由泵浦激光的脉冲宽度决定，且形成的太赫兹辐射源不稳定、效率低，由太赫兹辐射源搭建的太赫兹系统信噪比不高，很难获得稳定可靠的测试数据。而且，在高能强场的太赫兹辐射源中，其发射效率受限于电荷的屏蔽效应，使得辐射效率很难提高。而且到目前为止，本领域技术人员仍不清楚基于双色等离子体的太赫兹辐射源的发射机理。(4)基于强激光与物质相互作用的渡越辐射机制获得的高能强场太赫兹辐射源虽然可覆盖超宽带频率范围0.3-30thz，但是用于产生太赫兹辐射的泵浦激光器的重复频率非常低，导致这样的太赫兹辐射源在应用在后续应用中极其困难，比如很难开展超快时间分辨动力学的实验研究，不能很好地用于极端太赫兹科学与技术，使得这样的太赫兹辐射源目前仍处于实验室机理研发阶段。(5)基于表面等离子体增强的大孔径光导天线形成的太赫兹辐射源可以在聚焦后达到峰值电场接近1mv/cm，已完全具备强场太赫兹辐射源对峰值场强的要求。但是，这样的辐射源最大的缺点在于结构复杂，电场容易击穿而导致器件很容易遭到破坏，且这样的太赫兹辐射源很容易饱和，导致更高的泵浦能量也很难加载在发射天线上，使得进一步提高辐射电场遇到极大的阻碍。(6)基于非线性晶体的差频效应得到的高频太赫兹辐射源的中心频率覆盖范围在15-30thz附近，窄带可调协的峰值电场可达到100mv/cm的极强太赫兹辐射。然而，这样的太赫兹辐射源的频率普遍偏高，很难推广到15thz以下。但是15thz以下的频段被认为是凝聚态体系里面最适用的太赫兹频段，因为许多凝聚态体系的声子振动频率恰好落在这个频段，而通过光学差频的方式很难推广到这个最有用的频段。

技术实现要素：

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种。

一方面，本发明实施例提供了一种强场太赫兹自旋发射器，包括：预设尺寸的铁磁纳米薄膜、第一磁铁和第二磁铁；

所述第一磁铁和所述第二磁铁均固定于所述铁磁纳米薄膜所处的平面内，且所述第一磁铁和所述第二磁铁设置在一条直线上，所述第一磁铁的第一极和所述第二磁铁的第二极相对设置，所述第一极和所述第二极的极性相反，所述铁磁纳米薄膜设置在所述第一极和所述第二极之间；

预设脉冲宽度、单脉冲能量为预设能量的泵浦激光透过所述铁磁纳米薄膜，产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射。

优选地，所述预设脉冲宽度为小于100fs的脉冲宽度，所述预设能量为大于mj量级的能量；

相应地，所述预设频谱宽度为大于4thz的频谱宽度，所述预设辐射场强度为电场峰值强度大于1mv/cm、磁场峰值强度大于0.3tesla。

优选地，还包括：导电玻璃；

所述导电玻璃设置在所述泵浦激光透过所述铁磁纳米薄膜后的输出光路上，所述导电玻璃用于透射所述泵浦激光并反射所述太赫兹脉冲辐射。

优选地，还包括第一支架、第二支架和第三支架；

所述第一支架、所述第二支架和所述第三支架高度相同，所述第一磁铁通过固体热熔胶固定在所述第一支架上，所述第二磁铁通过固体热熔胶固定在所述第二支架上，所述铁磁纳米薄膜设置在所述第三支架上。

优选地，所述泵浦激光通过飞秒激光器产生。

另一方面，本发明实施例还提供了一种光谱仪，包括上述所述的强场太赫兹自旋发射器、分束镜、至少三个反射镜、至少三个抛物面镜、磷化镓晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、平衡能量探测器和示波器；

所述至少三个反射镜中包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜均设置在光学延迟线装置上；所述至少三个抛物面镜中包括预设抛物面镜，所述预设抛物面镜上设置有通光孔；所述预设抛物面镜设置在所述至少三个反射镜与所述磷化镓晶体之间的光路上；

所述分束镜设置在所述泵浦激光入射至所述铁磁纳米薄膜前的光路上，所述分束镜用于将所述泵浦激光分为第一束泵浦激光和第二束泵浦激光；所述第一束泵浦激光入射至所述强场太赫兹自旋发射器，以产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，所述太赫兹脉冲辐射经所述至少三个抛物面镜反射后入射至所述磷化镓晶体上；所述第二束泵浦激光经所述至少三个反射镜后，经所述通光孔入射至所述磷化镓晶体上；所述光学延迟线装置用于改变所述第二束泵浦激光的光程；

所述第二束泵浦激光经所述磷化镓晶体后的光路上依次设置有四分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡能量探测器，所述平衡能量探测器与所述示波器电连接。

优选地，所述平衡能量探测器具体包括：第一硅光电能量探头和第二硅光电能量探头；

所述第二束泵浦激光经所述沃拉斯顿棱镜后被分为两束振动方向互相垂直的激光，两束振动方向相互垂直的激光分别入射至所述第一硅光电能量探头和所述第二硅光电能量探头。

优选地，所述光学延迟线装置为机械扫描延迟线装置，所述机械扫描延迟线装置设置在延迟线控制器上。

优选地，所述光谱仪还包括：控制装置，所述控制装置分别与所述示波器和所述延迟线控制器通信连接。

优选地，所述分束镜具体用于将所述泵浦激光分为占比为99％的第一束泵浦激光和占比为1％的第二束泵浦激光。

本发明实施例提供的强场太赫兹自旋发射器及光谱仪，强场太赫兹自旋发射器，通过预设脉冲宽度、单脉冲能量为预设能量的泵浦激光入射至铁磁纳米薄膜上，在铁磁纳米薄膜周围加入磁铁产生磁场，使铁磁纳米薄膜磁化，泵浦激光透过铁磁纳米薄膜产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，可实现超宽带、强场太赫兹脉冲辐射的产生。该强场太赫兹自旋反射器，利用铁磁纳米薄膜实现，可以避免现有技术中采用铌酸锂晶体实现时受晶体尺寸的限制，而且可以实现超宽带的频率覆盖范围，光路结构简单，易于实现。本发明实施例中提供的光谱仪，由于采用了预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，可以实现1-15thz频率覆盖范围的超宽带探测。而且，由于光谱仪中的太赫兹脉冲辐射是基于铁磁纳米薄膜，成本相对于传统的有机晶体大大降低。由于目前超宽带光谱仪大多基于等离子体源，信噪比差；而在有机晶体的光谱仪中，有机晶体的源容易潮解，也不容易控制。本发明实施例中提供的光谱仪中完全不存在上述技术问题。最后本发明实施例中提供的光谱仪中光路简单，易于集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器的结构侧视图；

图2为本发明另一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器的结构俯视图；

图3为本发明另一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器中铁磁纳米薄膜与磁铁之间的位置关系示意图；

图4为本发明另一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的一种光谱仪的结构示意图；

图6为本发明另一实施例提供的一种光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例提供了一种强场太赫兹自旋发射器，包括：预设尺寸的铁磁纳米薄膜、第一磁铁和第二磁铁；

所述第一磁铁和所述第二磁铁均固定于所述铁磁纳米薄膜所处的平面内，且所述第一磁铁和所述第二磁铁设置在一条直线上，所述第一磁铁的第一极和所述第二磁铁的第二极相对设置，所述第一极和所述第二极的极性相反，所述铁磁纳米薄膜设置在所述第一极和所述第二极之间；

预设脉冲宽度、单脉冲能量为预设能量的泵浦激光透过所述铁磁纳米薄膜，产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射。

具体地，如图1、图2和图3所示，图1为本发明一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器的结构侧视图，图2为本发明一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器的结构俯视图，图3为本发明一实施例提供的一种强场太赫兹自旋发射器中磁铁121和磁铁122的位置关系示意图。

由于本发明实施例中采用的是铁磁纳米薄膜在磁场作用下对泵浦激光的调制，所以本发明实施例中对铁磁纳米薄膜的具体形状不作具体限定，可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形或其他不规则形状，只要能使泵浦激光的光斑可以完全照射在铁磁纳米薄膜上即可。本发明实施例中仅以圆形铁磁纳米薄膜为例进行说明。需要说明的是，铁磁纳米薄膜为平面的铁磁纳米薄膜。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种强场太赫兹自旋发射器，包括：预设尺寸的铁磁纳米薄膜11、第一磁铁121和第二磁铁122；

第一磁铁121和第二磁铁122均固定于铁磁纳米薄膜所处的平面内，且第一磁铁121和第二磁铁122设置在一条直线上，第一磁铁121的第一极1212和第二磁铁122的第二极1221相对设置，第一极1212和第二极1221的极性相反，铁磁纳米薄膜11设置在第一极1212和第二极1221之间；

预设脉冲宽度、单脉冲能量为预设能量的泵浦激光入射至铁磁纳米薄膜11的一个面上，并透过铁磁纳米薄膜11，产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，产生的太赫兹脉冲辐射从铁磁纳米薄膜11的另一个面射出。

这里需要说明的是，本发明实施例中采用的第一磁铁121和第二磁铁122为相同磁铁。第一极1212和第二极1221的极性相反，可以同为n，也可以同为s。由于第一极1212和第二极1221的极性相反，即磁铁121和磁铁122相互吸引时，可在铁磁纳米薄膜11所处的区域内产生均匀的磁场分布，铁磁纳米薄膜11在均匀的磁场作用下，改变飞秒激光器输出的泵浦激光的自旋特性，进而对泵浦激光的偏振态进行控制，从而可以使产生的太赫兹脉冲辐射的偏振态为线偏振态。产生的太赫兹脉冲辐射的偏振方向垂直于所有磁铁产生的和磁场的磁场方向。

本发明实施例中，由于需要获得超宽带、强场的太赫兹脉冲辐射，需要采用预设脉冲宽度、单脉冲能量为预设能量的泵浦激光，预设脉冲宽度为超短飞秒脉冲，预设能量通常为高能量。产生的太赫兹脉冲辐射的频谱宽度直接与泵浦激光的脉冲宽度有关，泵浦激光的脉冲宽度越窄，产生的太赫兹脉冲辐射的频谱宽度越宽。产生的太赫兹脉冲辐射的辐射场强度与泵浦激光的单脉冲能量有关，泵浦激光的单脉冲能量越高，产生的太赫兹脉冲辐射的辐射场强度越强。通过控制泵浦激光的脉冲宽度为预设脉冲宽度、泵浦激光的单脉冲能量为预设单脉冲能量，产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射。作为优选方案，本发明实施例中选取的预设脉冲宽度为小于100fs的脉冲宽度，选取的预设能量为大于mj量级的能量；相应地，产生的太赫兹脉冲辐射的预设频谱宽度为大于4thz的频谱宽度，产生的太赫兹脉冲辐射的预设辐射场强度为电场峰值强度大于1mv/cm、磁场峰值强度大于0.3tesla。

例如，采用脉冲宽度为25fs、单脉冲能量为500mj的泵浦激光透过铁磁纳米薄膜，可产生1-15thz的太赫兹频谱宽度分布，太赫兹脉冲辐射的峰值电场可达到3mv/cm，峰值磁场可达到1tesla。

本发明实施例中，由于铁磁纳米薄膜对飞秒级的泵浦激光具有极高的吸收系数，为了避免泵浦激光照射铁磁纳米薄膜时铁磁纳米薄膜被破坏，需要将铁磁纳米薄膜的尺寸做大，从而降低泵浦激光的功率密度，避免铁磁纳米薄膜被破坏。铁磁纳米薄膜的尺寸由泵浦激光的光斑大小决定，即预设尺寸的确定由泵浦激光的光斑大小决定，本发明实施例中不对预设尺寸做具体限定。而且，当预设能量很高时，也可采用扩束装置对泵浦激光进行扩束，以增大泵浦激光的光斑大小，此时需要选取更大的预设尺寸。

本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器，通过预设脉冲宽度、单脉冲能量为预设能量的泵浦激光入射至铁磁纳米薄膜上，在铁磁纳米薄膜周围加入磁铁产生磁场，使铁磁纳米薄膜磁化，泵浦激光透过铁磁纳米薄膜产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，可实现超宽带、强场太赫兹脉冲辐射的产生。该强场太赫兹自旋反射器，利用铁磁纳米薄膜实现，可以避免现有技术中采用铌酸锂晶体实现时受晶体尺寸的限制，而且可以实现超宽带的频率覆盖范围，光路结构简单，易于实现。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的磁铁能够产生的磁场为恒定弱磁场，具体产生100mtesla以下的磁场强度即可，降低了构建强场太赫兹自旋发射器的成本。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器中还包括：导电玻璃；

所述导电玻璃设置在所述泵浦激光透过所述铁磁纳米薄膜后的输出光路上，所述导电玻璃用于透射所述泵浦激光并反射所述太赫兹脉冲辐射。

具体地，由于泵浦激光透过铁磁纳米薄膜后，产生太赫兹脉冲辐射，但是泵浦激光透过铁磁纳米薄膜后的输出光路上不仅存在太赫兹脉冲辐射，还存在没有与铁磁纳米薄膜发生作用的泵浦激光，所以本发明实施例中通过导电玻璃对泵浦激光和太赫兹脉冲辐射进行分离。如图4所示，导电玻璃13与输出光路呈45°夹角设置在输出光路上，导电玻璃13透射泵浦激光并反射产生的太赫兹脉冲辐射，使太赫兹脉冲辐射的传播方向偏转90°。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器中还包括第一支架、第二支架和第三支架；

所述第一支架、所述第二支架和所述第三支架高度相同，所述第一磁铁通过固体热熔胶固定在所述第一支架上，所述第二磁铁通过固体热熔胶固定在所述第二支架上，所述铁磁纳米薄膜设置在所述第三支架上。

本发明实施例中的第一支架、第二支架和第三支架分别用于支撑第一磁铁、第二磁铁和铁磁纳米薄膜。与此方案不同的是，本发明实施例中还可将第一磁铁、第二磁铁和铁磁纳米薄膜均固定在圆环形样品台上，两个磁铁均设置于圆环形样品台的圆环形台面上的相对位置上，铁磁纳米薄膜卡设在圆环形样品台的内圆上，铁磁纳米薄膜处于两个磁铁产生的磁场内。此外本发明实施例中还可将第一磁铁、第二磁铁和铁磁纳米薄膜均采用悬挂装置悬在空中，但是需要保证第一磁铁、第二磁铁和铁磁纳米薄膜处于同一水平面上。

在上述实施例的基础上，泵浦激光可通过飞秒激光器产生。飞秒激光器具体可以为飞秒激光振荡器、飞秒激光放大器、或者光纤飞秒激光器。需要保证的是，飞秒激光器输出的泵浦激光的脉冲宽度小于100fs。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器中还包括太赫兹探测器；

所述太赫兹探测器用于对产生的太赫兹脉冲辐射进行探测。需要说明的是，太赫兹探测器探测太赫兹脉冲辐射的灵敏度要高，才能保证太赫兹脉冲辐射的光斑能够在太赫兹探测器上被探测到。同时，需要调整好用于分开泵浦激光和太赫兹脉冲辐射的导电玻璃的光路，确保分离出来的太赫兹脉冲辐射能够很好的聚焦在太赫兹探测器上。

在上述实施例的基础上，所述铁磁纳米薄膜具体包括：金属层和铁磁层；

所述金属层设置在所述铁磁层上方、所述铁磁层下方或者所述铁磁层的上方和下方。

具体地，本发明实施例中的铁磁纳米薄膜具体包括：金属层和铁磁层；金属层可以设置在铁磁层上方或铁磁层下方，或者在铁磁层的上方和下方均设置有金属层。金属层可以是铂(pt)，也可以是钨(w)。本发明实施例中，为提高太赫兹脉冲辐射的产生效率，可通过改变金属层和铁磁层的膜层厚度、层数等参数进行优化；可同时对金属层的膜层厚度、层数，以及铁磁层的膜层厚度、层数进行优化，也可分别对金属层的膜层厚度、层数，以及铁磁层的膜层厚度、层数进行优化，本发明实施例中对此不作具体限定。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器中还包括：衬底；相应地，所述铁磁纳米薄膜生长在衬底上，衬底可以卡设在圆环形样品台的内圆上，或者设置在第三支架上，或者由悬挂装置吊起，本发明实施例中对此不做具体限定。

具体地，为提高太赫兹波的产生效率，也可对衬底材料、衬底厚度进行优化，以选取合适的衬底材料以及合适的衬底厚度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的铁磁纳米薄膜通过磁控溅射装置制备。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中还采用电光取样的方式获取到产生的太赫兹脉冲辐射的频谱宽度。具体地，可以采用太赫兹频谱表征系统实现电光取样，太赫兹频谱表征系统需要精确调整，以确保精确获取到产生的太赫兹脉冲辐射的频谱宽度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的强场太赫兹自旋发射器，通过超快自旋发射的方式，基于反常自旋霍尔效应，利用外部磁化的方式，产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射。由于两个磁铁产生的和磁场为极性相吸的均匀磁场时，产生的太赫兹脉冲辐射的偏振态为线偏振态，且偏振方向垂直于和磁场的磁场方向。

需要说明的是，本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器中的两个磁铁产生的和磁场需要保证整个铁磁纳米薄膜被全部磁化，从而提高太赫兹脉冲辐射的产生效率。

本发明实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器具有如下优点：1)结构简单：利用相对成熟的磁控溅射装置即可制备铁磁纳米薄膜，要想获得强场太赫兹脉冲辐射，需要使用非常高能量的超短飞秒脉冲作为泵浦激光源，由于铁磁纳米薄膜对飞秒泵浦激光具有极高的吸收系数，为了避免铁磁纳米薄膜被破坏，需要将铁磁纳米薄膜的尺寸做大，从而降低泵浦激光的功率密度，避免铁磁纳米薄膜被泵浦激光破坏。本发明实施例中无需采用制备大孔径光电导天线的复杂的微纳加工技术，克服了传统的太赫兹脉冲辐射发射器对材料要求高，结构复杂的缺点。2)发射原理简单：本发明实施例中提供的太赫兹波发射器基于反常自旋霍尔效应，通过外加恒定弱磁场，在铁磁纳米薄膜的平面内获得超快自旋电流，从而产生太赫兹脉冲辐射。3)成本低：由于无需外加偏置电压，从而降低了成本，降低了发射器的复杂程度。而且，采用的铁磁纳米薄膜生长技术简单，可大面积制备，与传统的非线性晶体和高导天线相比，极大地降低了发射器的成本。4)脉冲宽度宽：本发明实施例中提供的太赫兹脉冲辐射发射器，由于铁磁纳米薄膜内并不存在声子，使产生的太赫兹波的频谱宽度仅仅受限于飞秒激光器产生的泵浦激光的脉冲宽度，而与材料本身的声子振动频率和吸收等因素无关，因此可实现超宽带太赫兹脉冲辐射的发射。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种光谱仪，包括上述实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器、分束镜、至少三个反射镜、至少三个抛物面镜、磷化镓晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、平衡能量探测器和示波器；

所述至少三个反射镜中包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜分别设置在光学延迟线上；所述至少三个抛物面镜中包括预设抛物面镜，所述预设抛物面镜上设置有通光孔；所述预设抛物面镜设置在所述至少三个反射镜与所述磷化镓晶体之间的光路上；

所述分束镜设置在所述泵浦激光入射至所述铁磁纳米薄膜前的光路上，所述分束镜用于将所述泵浦激光分为第一束泵浦激光和第二束泵浦激光；所述第一束泵浦激光入射至所述强场太赫兹自旋发射器，以产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，所述太赫兹脉冲辐射经所述至少三个抛物面镜反射后入射至所述磷化镓晶体上；所述第二束泵浦激光经所述至少三个反射镜后，经所述通光孔入射至所述磷化镓晶体上；

所述第二束泵浦激光经所述磷化镓晶体后的光路上依次设置有四分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡能量探测器，所述平衡能量探测器与所述示波器电连接。

具体地，如图5所示，为本发明实施例中提供的一种光谱仪的结构示意图，图5中仅示出了强场太赫兹自旋发射器中包括三个反射镜和三个抛物面镜的情况。其中，分束镜51设置在泵浦激光入射至铁磁纳米薄膜52前的光路上，分束镜51用于将泵浦激光分为第一束泵浦激光和第二束泵浦激光；第一束泵浦激光入射至强场太赫兹自旋发射器中，以产生预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，太赫兹脉冲辐射经三个抛物面镜53、55和56反射后入射至磷化镓晶体(gap)512上。三个抛物面镜53、55和56中包括预设抛物面镜56，预设抛物面镜56上设置有通光孔；预设抛物面镜56设置在三个反射镜57、58和511中第二束泵浦激光最后经过的反射镜511与磷化镓晶体512之间的光路上。经反射镜511反射后的光束经通光孔与由第一束泵浦激光产生的强场太赫兹脉冲辐射混合并入射至磷化镓晶体512上。

需要说明的是，本发明实施例中入射的泵浦激光为平行光束，产生的太赫兹脉冲辐射也为平行光束，经抛物面镜53反射后形成会聚光束，聚焦至点54，即抛物面镜53的焦点。聚焦后又成为发散光束入射至抛物面镜55，发散光束经抛物面镜55准直后变为平行光束入射至抛物面镜56上。图5中仅示出了上述实施例中提供的强场太赫兹自旋发射器中的铁磁纳米薄膜52，没有示出强场太赫兹自旋发射器中的全部结构。由于泵浦激光透过铁磁纳米薄膜52后，产生强场太赫兹脉冲辐射，但是泵浦激光透过铁磁纳米薄膜52后的输出光路上不仅存在强场太赫兹脉冲辐射，还存在没有与铁磁纳米薄膜52发生作用的泵浦激光，所以本发明实施例中通过导电玻璃53对泵浦激光和强场太赫兹脉冲辐射进行分离。导电玻璃53与强场太赫兹脉冲辐射的传输光路呈45°夹角，导电玻璃53透射泵浦激光并反射产生的强场太赫兹脉冲辐射，使强场太赫兹脉冲辐射的传播方向偏转90°，成功入射至抛物面镜53的反射面上。

另一方面，三个反射镜57、58和511中包括第一反射镜57和第二反射镜58，第一反射镜57和第二反射镜58均设置在光学延迟线装置上，即第一反射镜57与第二反射镜58设置在同一个光学延迟线装置上；光学延迟线装置用于改变第二束泵浦激光的光程。

在磷化镓晶体512上，由于强场太赫兹脉冲辐射诱导磷化镓晶体的折射率发生变化，这一变化通过第二束泵浦激光结合四分之一波片513、沃拉斯顿棱镜514和平衡能量探测器515即可知晓，通过控制光学延迟线装置中光学延迟线的移动，改变第二束泵浦激光的光程，进而改变第二束泵浦激光与太赫兹脉冲辐射的光程差，即可以记录下太赫兹脉冲辐射的时间波形，并通过示波器516进行显示。通过傅里叶变换，就可以得到产生的强场太赫兹脉冲辐射的振幅和相位信息。

需要说明的是，本发明实施例中的四分之一波片用于改变强场太赫兹脉冲辐射的偏振态，沃拉斯顿棱镜用于将入射的强场太赫兹脉冲辐射分成两束振动方向相互垂直的线偏振光，平衡能量探测器用于探测经沃拉斯顿棱镜射出的光束能量，探测的光束能量通过电压信号体现，即平衡能量探测器的输出结果为电压信号。

在应用本发明实施例中提供的光谱仪时，将待测样品放置在点54处，即可得到待测样品的太赫兹光谱。具体地，当没有待测样品时，得到的强场太赫兹脉冲辐射作为参考信号，有待测样品时，得到的太赫兹脉冲辐射作为样品信号。分别对参考信号和样品信号作傅里叶变换，即可得到样品信号与参考信号的振幅比和相位差，进而可以得到待测样品在太赫兹作用下的吸收谱和折射率谱。吸收谱和折射率谱即为待测样品的太赫兹光谱。

本发明实施例中提供的光谱仪，由于采用了预设频谱宽度、预设辐射场强度的太赫兹脉冲辐射，可以实现1-15thz频率覆盖范围的超宽带探测。而且，由于光谱仪中的太赫兹脉冲辐射是基于铁磁纳米薄膜，成本相对于传统的有机晶体大大降低。由于目前超宽带光谱仪大多基于等离子体源，信噪比差；而在有机晶体的光谱仪中，有机晶体的源容易潮解，也不容易控制。本发明实施例中提供的光谱仪中完全不存在上述技术问题。最后本发明实施例中提供的光谱仪中光路简单，易于集成。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的光谱仪上还设置有挡光板，挡光板设置于经导电玻璃53透射的泵浦激光的传输光路上，用于遮挡泵浦激光，防止泵浦激光对光谱仪中其他器件的感光产生影响，进而影响光谱仪的性能。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的光谱仪中平衡能量探测器具体包括：第一硅光电能量探头和第二硅光电能量探头；

所述第二束泵浦激光经所述沃拉斯顿棱镜后被分为两束振动方向互相垂直的激光，两束振动方向相互垂直的激光分别入射至所述第一硅光电能量探头和所述第二硅光电能量探头。

具体地，本发明实施例中，第一硅光电能量探头和第二硅光电能量探头构成一个平衡能量探测器，第一硅光电能量探头和第二硅光电能量探头均与示波器电连接。当没有太赫兹脉冲辐射时，第二束泵浦激光经过磷化镓晶体、四分之一波片和沃拉斯顿棱镜后产生的两个偏振方向的激光能量大小一致，则平衡能量探测器输出的电压信号差为零。当有太赫兹脉冲辐射作用在磷化镓晶体上时，太赫兹脉冲辐射会引起磷化镓晶体的折射率发生变化，则使第二束泵浦激光的偏振态发生变化，使得平衡能量探测器输出的电压信号差不为零，而是正比于太赫兹脉冲辐射的电场强度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中采用的光学延迟线装置为机械扫描延迟线装置，机械扫描延迟线装置设置在延迟线控制器上。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的光谱仪中还包括：控制装置，所述控制装置分别与示波器和延迟线控制器通信连接。

具体地，如图6所示，图6中采用了5个反射镜，相比于图5，在反射镜57前加入了两个反射镜，用以改变第二束泵浦激光的传播方向。图6中反射镜57和反射镜58均设置在光学延迟线装置上，光学延迟线装置设置在延迟线控制器59上(图6中光学延迟线装置未示出)。延迟线控制器59与控制装置517连接，控制装置517与示波器516连接。

控制装置517可以是计算机设备，通过控制装置517编程控制延迟线控制器59，以使延迟线控制器59控制光学延迟线装置，进而改变第二束泵浦激光与太赫兹脉冲辐射的光程差，得到太赫兹脉冲辐射的时间波形。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中的分束镜具体用于将泵浦激光分为占比为99％的第一束泵浦激光和占比为1％的第二束泵浦激光。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中采用的泵浦激光的中心波长可以为800nm、1000nm或1550nm。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。