用于空间和时间分辨研究的克尔-法拉第显微镜的系统

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用于空间和时间分辨研究的克尔-法拉第显微镜的系统

双色泵浦探针装置的光源是一个Ti:蓝宝石振荡器，重复频率为80 MHz，脉冲持续时间约为100 fs。中心波长为840nm(红外线)的激光束在BBO晶体中频率翻倍至420nm(蓝光)。基波光束在样品位置的功率高达350mw，作为泵浦光束激发样品。功率约为1mw的倍频波束作为探测波束。

图1

图1显示了在极性/法拉第(图1a)和纵向(图1b)几何结构中使用的光束路径。在静态测量的情况下，只使用蓝色(探针)光束。对于时间分辨的测量，延迟级用来在泵浦脉冲和探测脉冲之间引入时间延迟。光路50 mm的变化允许泵浦和探针光束之间的总时间延迟超过300 ps。在通过物镜聚焦到样品上之前，两束光束是平行偏振的，并由二向色镜共线叠加。半波片和格兰-泰勒偏振器的组合用于调节两束光束的功率。为了获得更好的信噪比(SNR)，我们使用频率为600至800 Hz的斩波轮(见图1 (a))进行信号调制。这个频率也被用作锁相放大器的参考。对于静态测量，斩波轮位于位置(A)。对于时间分辨测量，存在两种信号调制的可能性:在第一种情况下，斩波轮位于位置(A)，两个波束都被斩波。其次，为了进一步提高信号质量，还可以只截断泵浦波束(见图1中的(B))。在这种情况下，锁相放大器仅检测泵浦引起的克尔信号变化，从而丢失绝对值。

样品安装在一个无磁扫描压电工作台，扫描范围160 μm × 160 μm。光线通过具有50倍放大倍率和0.55数值孔径(NA)的保偏尼康LU-Plan EL WD物镜聚焦。这允许一个≈10毫米的高工作距离，这是必要的，由于空间限制，第二个相等的物镜使光再次平行。在法拉第几何中，第二个物镜被放置在样品的后面。反射光的偏振变化通常低于0.1◦，因此需要高灵敏度的检测机制。这是通过平衡光桥检测，其中包括一个沃拉斯顿棱镜和两个光电二极管。这两个信号进一步数字化，并与锁相放大器相减。在极面和法拉第几何中，磁场是由一个围绕物镜的线圈提供的。每个极面鞋上都有一个小孔，可以透射聚焦的光。它们对样品上激光光斑周围200 μm范围内的面外场强的影响约为1%，因此对于我们的目的可以忽略不计。由于在目标位置的磁场是可以忽略的，它不能导致一个可测量的法拉第旋转。如果使用纵向几何形状(见图1b)，完整的样品支架旋转45°，线圈平行于样品表面对齐。样品表面的磁场在极性上达到300 mT，在纵向上达到100 mT。测量是在过渡金属合金样品上进行的，即Fe52Pt48:Cu样品用于极性MOKE, Tb26Co74样品用于法拉第观测。铁磁性Fe52Pt48:Cu样品厚度为5 nm，沉积在Si衬底上，衬底为100 nm SiO2。它具有9%的铜含量和L10结构，具有面外磁化。铁磁性Tb26Co74样品具有20nm的厚度和面外磁化。将其沉积在透明玻璃衬底上，衬底上有5nm的Ta缓冲层。为避免氧化，采用了由2nm Cu和4nm Pt组成的盖层。在硅衬底上测量了15 nm厚的Ni样品，并对其进行了纵向几何测量。

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