在過去的幾十年裏，人們(men) 做出了巨大的努力，將磁疇成像的實驗能力擴展到納米空間和飛秒時間範圍。所使用的磁成像方法從(cong) 掃描到全場實驗技術，而顯微鏡中的飛秒時間分辨率需要將這些成像技術與(yu) 泵浦探針配置中的超短光脈衝(chong) 相結合。飛秒磁掃描顯微鏡的設置，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麵內(nei) 或麵外方向的磁結構。
用於(yu) 空間和時間分辨研究的克爾-法拉第顯微鏡的係統
雙色泵浦探針裝置的光源是一個(ge) Ti:藍寶石振蕩器，重複頻率為(wei) 80 MHz，脈衝(chong) 持續時間約為(wei) 100 fs。中心波長為(wei) 840nm(紅外線)的激光束在BBO晶體(ti) 中頻率翻倍至420nm(藍光)。基波光束在樣品位置的功率高達350mw，作為(wei) 泵浦光束激發樣品。功率約為(wei) 1mw的倍頻波束作為(wei) 探測波束。
圖1
圖1顯示了在極性/法拉第(圖1a)和縱向(圖1b)幾何結構中使用的光束路徑。在靜態測量的情況下，隻使用藍色(探針)光束。對於(yu) 時間分辨的測量，延遲級用來在泵浦脈衝(chong) 和探測脈衝(chong) 之間引入時間延遲。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。在通過物鏡聚焦到樣品上之前，兩(liang) 束光束是平行偏振的，並由二向色鏡共線疊加。半波片和格蘭(lan) -泰勒偏振器的組合用於(yu) 調節兩(liang) 束光束的功率。為(wei) 了獲得更好的信噪比(SNR)，我們(men) 使用頻率為(wei) 600至800 Hz的斬波輪(見圖1 (a))進行信號調製。這個(ge) 頻率也被用作鎖相放大器的參考。對於(yu) 靜態測量，斬波輪位於(yu) 位置(A)。對於(yu) 時間分辨測量，存在兩(liang) 種信號調製的可能性:在第一種情況下，斬波輪位於(yu) 位置(A)，兩(liang) 個(ge) 波束都被斬波。其次，為(wei) 了進一步提高信號質量，還可以隻截斷泵浦波束(見圖1中的(B))。在這種情況下，鎖相放大器僅(jin) 檢測泵浦引起的克爾信號變化，從(cong) 而丟(diu) 失絕對值。
樣品安裝在一個(ge) 無磁掃描壓電工作台，掃描範圍160 μm × 160 μm。光線通過具有50倍放大倍率和0.55數值孔徑(NA)的保偏尼康LU-Plan EL WD物鏡聚焦。這允許一個(ge) ≈10毫米的高工作距離，這是必要的，由於(yu) 空間限製，第二個(ge) 相等的物鏡使光再次平行。在法拉第幾何中，第二個(ge) 物鏡被放置在樣品的後麵。反射光的偏振變化通常低於(yu) 0.1◦，因此需要高靈敏度的檢測機製。這是通過平衡光橋檢測，其中包括一個(ge) 沃拉斯頓棱鏡和兩(liang) 個(ge) 光電二極管。這兩(liang) 個(ge) 信號進一步數字化，並與(yu) 鎖相放大器相減。在極麵和法拉第幾何中，磁場是由一個(ge) 圍繞物鏡的線圈提供的。每個(ge) 極麵鞋上都有一個(ge) 小孔，可以透射聚焦的光。它們(men) 對樣品上激光光斑周圍200 μm範圍內(nei) 的麵外場強的影響約為(wei) 1%，因此對於(yu) 我們(men) 的目的可以忽略不計。由於(yu) 在目標位置的磁場是可以忽略的，它不能導致一個(ge) 可測量的法拉第旋轉。如果使用縱向幾何形狀(見圖1b)，完整的樣品支架旋轉45°，線圈平行於(yu) 樣品表麵對齊。樣品表麵的磁場在極性上達到300 mT，在縱向上達到100 mT。測量是在過渡金屬合金樣品上進行的，即Fe52Pt48:Cu樣品用於(yu) 極性MOKE, Tb26Co74樣品用於(yu) 法拉第觀測。鐵磁性Fe52Pt48:Cu樣品厚度為(wei) 5 nm，沉積在Si襯底上，襯底為(wei) 100 nm SiO2。它具有9%的銅含量和L10結構，具有麵外磁化。鐵磁性Tb26Co74樣品具有20nm的厚度和麵外磁化。將其沉積在透明玻璃襯底上，襯底上有5nm的Ta緩衝(chong) 層。為(wei) 避免氧化，采用了由2nm Cu和4nm Pt組成的蓋層。在矽襯底上測量了15 nm厚的Ni樣品，並對其進行了縱向幾何測量。
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