在過去的幾十年里左腔,人們做出了巨大的努力耀找,將磁疇成像的實驗?zāi)芰U展到納米空間和飛秒時間范圍翔悠。所使用的磁成像方法從掃描到全場實驗技術(shù),而顯微鏡中的飛秒時間分辨率需要將這些成像技術(shù)與泵浦探針配置中的超短光脈沖相結(jié)合蓄愁。飛秒磁掃描顯微鏡的設(shè)置双炕,具有可變的克爾和法拉第幾何形狀,這使得在飛秒時間尺度上以微米空間分辨率測量面內(nèi)或面外方向的磁結(jié)構(gòu)妇斤。
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用于空間和時間分辨研究的克爾-法拉第顯微鏡的系統(tǒng)
雙色泵浦探針裝置的光源是一個Ti:藍寶石振蕩器站超,重復(fù)頻率為80 MHz,脈沖持續(xù)時間約為100 fs乖酬。中心波長為840nm(紅外線)的激光束在BBO晶體中頻率翻倍至420nm(藍光)咬像∷愦椋基波光束在樣品位置的功率高達350mw县昂,作為泵浦光束激發(fā)樣品肮柜。功率約為1mw的倍頻波束作為探測波束。
圖1
圖1顯示了在極性/法拉第(圖1a)和縱向(圖1b)幾何結(jié)構(gòu)中使用的光束路徑审洞。在靜態(tài)測量的情況下,只使用藍色(探針)光束待讳。對于時間分辨的測量,延遲級用來在泵浦脈沖和探測脈沖之間引入時間延遲创淡。光路50 mm的變化允許泵浦和探針光束之間的總時間延遲超過300 ps撰糠。在通過物鏡聚焦到樣品上之前辩昆,兩束光束是平行偏振的阅酪,并由二向色鏡共線疊加汁针。半波片和格蘭-泰勒偏振器的組合用于調(diào)節(jié)兩束光束的功率术辐。為了獲得更好的信噪比(SNR)辉词,我們使用頻率為600至800 Hz的斬波輪(見圖1 (a))進行信號調(diào)制。這個頻率也被用作鎖相放大器的參考猾骡。對于靜態(tài)測量瑞躺,斬波輪位于位置(A)。對于時間分辨測量幢哨,存在兩種信號調(diào)制的可能性:在第一種情況下,斬波輪位于位置(A)捞镰,兩個波束都被斬波闸与。其次,為了進一步提高信號質(zhì)量岸售,還可以只截斷泵浦波束(見圖1中的(B))践樱。在這種情況下凸丸,鎖相放大器僅檢測泵浦引起的克爾信號變化拷邢,從而丟失絕對值屎慢。
樣品安裝在一個無磁掃描壓電工作臺,掃描范圍160 μm × 160 μm抛人。光線通過具有50倍放大倍率和0.55數(shù)值孔徑(NA)的保偏尼康LU-Plan EL WD物鏡聚焦脐瑰。這允許一個≈10毫米的高工作距離妖枚,這是必要的苍在,由于空間限制绝页,第二個相等的物鏡使光再次平行。在法拉第幾何中寂恬,第二個物鏡被放置在樣品的后面初肉。反射光的偏振變化通常低于0.1?酷鸦,因此需要高靈敏度的檢測機制。這是通過平衡光橋檢測牙咏,其中包括一個沃拉斯頓棱鏡和兩個光電二極管。這兩個信號進一步數(shù)字化摔握,并與鎖相放大器相減。在極面和法拉第幾何中丁寄,磁場是由一個圍繞物鏡的線圈提供的氨淌。每個極面鞋上都有一個小孔泊愧,可以透射聚焦的光。它們對樣品上激光光斑周圍200 μm范圍內(nèi)的面外場強的影響約為1%删咱,因此對于我們的目的可以忽略不計。由于在目標(biāo)位置的磁場是可以忽略的腋腮,它不能導(dǎo)致一個可測量的法拉第旋轉(zhuǎn)。如果使用縱向幾何形狀(見圖1b)壤蚜,完整的樣品支架旋轉(zhuǎn)45°即寡,線圈平行于樣品表面對齊。樣品表面的磁場在極性上達到300 mT聪富,在縱向上達到100 mT。測量是在過渡金屬合金樣品上進行的著蟹,即Fe52Pt48:Cu樣品用于極性MOKE, Tb26Co74樣品用于法拉第觀測墩蔓。鐵磁性Fe52Pt48:Cu樣品厚度為5 nm萧豆,沉積在Si襯底上,襯底為100 nm SiO2涮雷。它具有9%的銅含量和L10結(jié)構(gòu)阵面,具有面外磁化洪鸭。鐵磁性Tb26Co74樣品具有20nm的厚度和面外磁化样刷。將其沉積在透明玻璃襯底上览爵,襯底上有5nm的Ta緩沖層置鼻。為避免氧化蜓竹,采用了由2nm Cu和4nm Pt組成的蓋層。在硅襯底上測量了15 nm厚的Ni樣品俱济,并對其進行了縱向幾何測量司蔬。
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