基于固定波長與可調(diào)諧激光源對鐵磁薄膜磁激發(fā)的光譜表征
布里淵光散射光譜學（BLS）是研究材料彈性與磁學性質(zhì)的重要工具。相較于揭示材料結(jié)構(gòu)與化學成分的拉曼光譜，布里淵信號位于相對入射激光頻率的GHz頻段，比拉曼信號（THz頻段）更為微弱，因此對激光源的光譜純度和線寬提出了更高要求。
技術(shù)背景
非線性光學效應(yīng)在多種技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，其中拉曼散射與布里淵散射是兩種常見的非線性非彈性散射方法。拉曼光譜反映材料的結(jié)構(gòu)與化學組成，而布里淵光譜提供更大尺度上的信息，如彈性或磁學性質(zhì)。兩者的物理過程在某種程度上可比，但關(guān)鍵差異在于布里淵信號位于GHz頻段，拉曼信號位于THz頻段。這使得布里淵光譜對入射激光的光譜純度與線寬要求更為嚴苛，方能從強激發(fā)線中分辨出微弱的布里淵信號。
本文所述技術(shù)可用于表征鐵磁薄膜的磁學性質(zhì)。此類薄膜應(yīng)用于自旋電子學與磁子學領(lǐng)域，是利用磁效應(yīng)實現(xiàn)新型計算、突破現(xiàn)有CMOS架構(gòu)局限的探索方向，有望在未來計算器件中發(fā)揮重要作用。
激光源表征要求
布里淵散射通過非線性光學過程產(chǎn)生聲學聲子或磁子，光子與聲子/磁子相互作用產(chǎn)生的布里淵信號通常位于相對入射激光的低頻GHz區(qū)域，強度極弱。為分辨此類信號，激光器的邊模抑制比通常需優(yōu)于70 dB，部分場景下需達到100 dB；激光線寬須小于1 MHz，以免布里淵信號被入射激光線淹沒。
本應(yīng)用筆記的測量采用了固定波長、單頻（線寬小于1 MHz）、光譜純度高于70 dB、輸出功率200 mW的二極管泵浦激光器（Cobolt Calypso 491 nm），其波長與功率適用于坡莫合金等金屬鐵磁體中磁子的光譜研究。實驗中同時使用了一臺基于光參量振蕩器（OPO）技術(shù)的可調(diào)諧連續(xù)波激光源（C-WAVE），輸出波長可在450 nm至750 nm范圍內(nèi)調(diào)諧，功率可達瓦級，單頻運轉(zhuǎn)且光譜純度超過100 dB。
由于布里淵信號極為微弱且位于低頻區(qū)域，測量通常依賴高靈敏度、高分辨率的串聯(lián)法布里-珀羅干涉儀。通過在樣品位置放置反射鏡并采用合適的中性密度濾光片抑制激光線，該干涉儀可用于分析激光發(fā)射光譜。測量顯示，C-WAVE在中心波長457 nm處的主模比6.25 GHz處的最強邊模強98 dB以上，超出圖幅范圍達10個數(shù)量級；固定波長的Cobolt Calypso 491 nm邊模抑制比約為70 dB，兩種激光源均適用于BLS光譜測量。
坡莫合金薄膜的BLS測量
坡莫合金是自旋電子學與磁子學器件的代表性候選材料。實驗樣品為濺射于Si/SiOx襯底上的5 nm厚坡莫合金薄膜，表面覆以薄鋁層防止氧化。C-WAVE可調(diào)諧OPO輸出波長分別設(shè)置為450 nm、480 nm和570 nm，樣品置于磁場強度最高100 mT的可變磁場中，用于測量磁場依賴的BLS光譜。需要指出，串聯(lián)干涉儀裝置針對491 nm工作波長優(yōu)化，激發(fā)波長偏離該值時，信號會因波長濾光片與介質(zhì)反射鏡的作用產(chǎn)生額外衰減。
測量結(jié)果以彩色圖形式呈現(xiàn)BLS信號功率隨外加磁場強度（橫軸）及相對激發(fā)頻率的頻移（縱軸，即所激發(fā)BLS磁子的頻率）的分布。在所有圖中，清晰的BLS信號均呈綠色翼狀形態(tài)，盡管其頻移小于10 GHz，低磁場下甚至接近1 GHz。觀測到的模式與鐵磁共振測量中常見的基特爾模行為密切相關(guān)。偏離光譜儀設(shè)計波長（490 nm）的測量會引入額外噪聲。
結(jié)論
固定波長的Cobolt Calypso 491 nm二極管泵浦激光器與單頻可調(diào)諧連續(xù)波光源C-WAVE均滿足布里淵光譜測量對激光源的嚴苛要求。經(jīng)串聯(lián)法布里-珀羅干涉儀表征，兩種激光器的邊模抑制比分別超過70 dB與98 dB，配合窄線寬與高輸出功率，低頻布里淵信號可被清晰分辨。C-WAVE在光譜純度方面表現(xiàn)更優(yōu)，但兩種激光器均展現(xiàn)出良好性能，適用于BLS光譜測量及其他要求高邊模抑制的應(yīng)用場景。
參考文獻
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