一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统

本技术涉及超快光学测量，更具体地说，特别涉及一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统。

背景技术：

1、自旋波是磁性材料内部电子自旋的集体激发行为，其量子化形式为磁子，是自旋电子学的重要研究分支。磁子的传播不依赖于电荷的流动，但与电流类似的是，磁子流也可用于携带、传输和处理信息，避免了诸如欧姆损耗等基于电子流动的传统电子器件的固有缺点，并且相对电流而言，磁子流可以拥有更长的扩散距离。目前，在磁子自旋电子学中，磁子的输运信息大部分采用电学手段进行检测，通常检测原理为：首先将电荷注入器件一端的贵金属电极(如铂)，通过自旋霍尔效应产生横向自旋流，进一步通过金属/磁体界面交换相互作用，自旋流的角动量转移到磁性材料(如磁性绝缘体)中，产生磁子，随后磁子在磁性材料中输运到器件另一端，通过逆自旋霍尔效应在另一侧电极产生电压信号。电学检测手段能够检测器件中磁子的整体输运性能(如输运长度和输运速率等)，但该方法需要提前制备相应器件，制样复杂，且不具备高的时间和空间分辨能力，并且测量到的电学信号是器件的整体表现，不能直接反映磁性材料中磁子的本征输运属性。

2、超快光学测试是研究材料和器件工作原理的常用工具，具有高速、无损伤、高灵敏度、无需制样和高时空分辨等优势。近年来，以时间分辨磁光克尔技术为代表的全光磁子探测技术在二维磁性材料自旋波探测研究中得到广泛的应用。然而，目前的全光磁子探测技术只能测量磁性材料中单个点的磁子振荡，无法对磁子在时空间中的扩散输运过程进行成像，严重限制了该类技术的应用范围。

3、针对当下对磁性材料中磁子输运动力学成像研究需求巨大，传统电学和光学测试手段已经不能满足测量需求。能够根据不同磁性材料的测试要求，实现对磁子强度的高时空分辨探测成像，并能够动态捕捉磁子输运和磁子相干成像信息的超快光学检测技术有着重要的意义。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，以克服现有技术所存在的缺陷。

2、为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

3、一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，包括飞秒脉冲激光源、第一分束器、第二分束器、泵浦光路组件、探测光路组件、第三分束器、第一合束器、第二合束器、微区样品成像模块、信号探测模块和计算机；

4、所述飞秒脉冲激光源用于提供产生泵浦光和探测光的光源；

5、所述第一分束器用于将飞秒激光源分入泵浦光和探测光两条光路；

6、所述第二分束器用于将泵浦光分入第一泵浦光和第二泵浦光两条光路；

7、所述第三分束器用于透射探测光并反射从样品返回的探测光；

8、所述第一合束器用以第一泵浦光和第二泵浦光的合束；

9、所述第二合束器用于在探测光波长范围内透射、在泵浦光波长范围内反射以及探测光、第二泵浦光和第一泵浦光的合束；

10、所述泵浦光路组件设于泵浦光路上，用于输出泵浦光以及调节第一和第二泵浦光之间的脉冲延时；

11、所述探测光路组件设于探测光路上，用于输出探测光以及调节探测光与两束泵浦光之间的脉冲延时；

12、所述微区样品成像模块设于第二合束器的合束一端，用于样品成像；

13、所述信号探测模块设于斩波器一端，用于完成泵浦-探测信号的再生和放大；

14、所述计算机与飞秒脉冲激光源、泵浦光路组件、探测光路组件、微区样品成像模块、信号探测模块连接，用于光源的输出和参数控制、成像及光路调试、仪器的自动化控制与测试、信号处理功能。

15、进一步地，所述泵浦光路组件包括依次设置于泵浦光路上的泵浦光参量放大器、第一半波片、偏振器和反射镜，设于反射镜反射光路上的凸透镜对、第一衰减器，设于第一泵浦光路上的泵浦光程调节器，所述第二分束器位于凸透镜对和第一衰减器之间，所述第二衰减器位于第二泵浦光上，所述泵浦光参量放大器用于输出波长、脉宽可调谐的泵浦光，所述第一半波片和偏振器用于组合输出具有高光强和线偏振度的泵浦光，所述反射镜用于调整光路走向，调整第二泵浦光所在光路的多个反射镜可将第二泵浦光聚焦到远离第一泵浦光光斑的另一样品表面位置，所述凸透镜对用于调整激光的发散程度，所述第一衰减器和第二衰减器用于调整泵浦光的光强，所述斩波器用于泵浦光的频率调制，输出频率参考信号以实现同步测量，所述泵浦光程调节器用于调节第一和第二泵浦光之间的脉冲延时。

16、进一步地，所述探测光路组件包括依次设于探测光路上的探测光参量放大器、啁啾反射镜对、第三衰减器、第二半波片、第二偏振器、探测光程调节器和二维扫描振镜，所述探测光参量放大器用于输出波长、脉宽可调谐的探测光，所述啁啾反射镜对用于补偿系统光路和光参量放大器各元件组成对探测光带来的色散展宽，所述第三衰减器用于调整探测光的光强，所述第二半波片和第二偏振器用于组合输出具有较高光强和线偏振度的探测光，所述探测光程调节器用于调节探测光与两束泵浦光之间的脉冲延时，所述二维扫描振镜通过电学伺服控制在两个方向实现出射角的微小变化对探测光实现二维空间分辨的扫描作用。

17、进一步地，所述微区样品成像模块包括白光光源、准直透镜、第四分束器、聚焦透镜、相机、可移除合束器、显微物镜、低温磁场模块和待测样品台，所述白光光源用于提供对待测样品表面成像的照明光，所述准直透镜用于准直照明光束，所述第四分束器用于透射照明光束并反射待测样品的反射回光，所述聚焦透镜用于聚焦反射回光于相机像元进行成像，所述相机将样品表面及激光聚焦情况进行成像，所述可移除合束器用于微区样品成像模块对整个光路系统的耦入和耦出，在确认光路后，该微区样品成像模块可耦出光路，所述显微物镜用于样品的显微成像、激光的紧聚焦及待测样品反射光的收集，所述低温磁场模块用以提供维持材料磁性及电磁铁工作所需的极低温环境，所述待测样品台用于通过压电控制实现三维移动。

18、进一步地，所述信号探测模块包括依次设置的第三半波片、偏振分束器、平衡探测器和锁相放大器，所述第三半波片用于为旋转偏振角度以归零初始化时的平衡探测器，探测光在样品处的反射回光经分束器反射后先通过第三半波片，经偏振分束器分离成互为正交偏振的两束线偏振光并引导进入平衡探测器，平衡探测器根据两束光的光强差得到电压值，并通过锁相放大器配合斩波器的同步功能完成泵浦-探测信号的再生和放大。

19、与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型提供的一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，通过全光学手段对磁子输运动力学过程进行成像探测，相对于传统电学或光学测量方法，具有超高时间分辨、高空间分辨、无需制样、非接触式测量等优势，且能直接反映磁性材料本征的磁子输运性能，区分出不同时间尺度下的线性和非线性磁子输运模式；本实用新型还引入了第二泵浦光，将第一和第二泵浦光分离聚焦到样品上两个相互靠近的区域，可以产生两个磁子振荡源，利用自旋波的长相干特性，两个磁子模式在空间上相干叠加，通过本实用新型可以直接对磁子干涉的空间图样进行动力学成像。

技术特征：

1.一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，其特征在于，包括飞秒脉冲激光源、第一分束器、第二分束器、泵浦光路组件、探测光路组件、第三分束器、第一合束器、第二合束器、微区样品成像模块、信号探测模块和计算机；

2.根据权利要求1所述的高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，其特征在于，所述泵浦光路组件包括依次设置于泵浦光路上的泵浦光参量放大器、第一半波片、偏振器和反射镜，设于反射镜反射光路上的凸透镜对、第一衰减器，设于第一泵浦光路上的泵浦光程调节器，所述第二分束器位于凸透镜对和第一衰减器之间，第二衰减器位于第二泵浦光上，所述泵浦光参量放大器用于输出波长、脉宽可调谐的泵浦光，所述第一半波片和偏振器用于组合输出具有高光强和线偏振度的泵浦光，所述反射镜用于调整光路走向，调整第二泵浦光所在光路的多个反射镜可将第二泵浦光聚焦到远离第一泵浦光光斑的另一样品表面位置，所述凸透镜对用于调整激光的发散程度，所述第一衰减器和第二衰减器用于调整泵浦光的光强，所述斩波器用于泵浦光的频率调制，输出频率参考信号以实现同步测量，所述泵浦光程调节器用于调节第一和第二泵浦光之间的脉冲延时。

3.根据权利要求1所述的高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，其特征在于，所述探测光路组件包括依次设于探测光路上的探测光参量放大器、啁啾反射镜对、第三衰减器、第二半波片、第二偏振器、探测光程调节器和二维扫描振镜，所述探测光参量放大器用于输出波长、脉宽可调谐的探测光，所述啁啾反射镜对用于补偿系统光路和光参量放大器各元件组成对探测光带来的色散展宽，所述第三衰减器用于调整探测光的光强，所述第二半波片和第二偏振器用于组合输出具有较高光强和线偏振度的探测光，所述探测光程调节器用于调节探测光与两束泵浦光之间的脉冲延时，所述二维扫描振镜通过电学伺服控制在两个方向实现出射角的微小变化对探测光实现二维空间分辨的扫描作用。

4.根据权利要求1所述的高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，其特征在于，所述微区样品成像模块包括白光光源、准直透镜、第四分束器、聚焦透镜、相机、可移除合束器、显微物镜、低温磁场模块和待测样品台，所述白光光源用于提供对待测样品表面成像的照明光，所述准直透镜用于准直照明光束，所述第四分束器用于透射照明光束并反射待测样品的反射回光，所述聚焦透镜用于聚焦反射回光于相机像元进行成像，所述相机将样品表面及激光聚焦情况进行成像，所述可移除合束器用于微区样品成像模块对整个光路系统的耦入和耦出，在确认光路后，该微区样品成像模块可耦出光路，所述显微物镜用于样品的显微成像、激光的紧聚焦及待测样品反射光的收集，所述低温磁场模块用以提供维持材料磁性及电磁铁工作所需的极低温环境，所述待测样品台用于通过压电控制实现三维移动。

5.根据权利要求1所述的高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，其特征在于，所述信号探测模块包括依次设置的第三半波片、偏振分束器、平衡探测器和锁相放大器，所述第三半波片用于为旋转偏振角度以归零初始化时的平衡探测器，探测光在样品处的反射回光经分束器反射后先通过第三半波片，经偏振分束器分离成互为正交偏振的两束线偏振光并引导进入平衡探测器，平衡探测器根据两束光的光强差得到电压值，并通过锁相放大器配合斩波器的同步功能完成泵浦-探测信号的再生和放大。

技术总结
本技术公开了一种高时空分辨的磁光偏振成像测量系统，包括飞秒脉冲激光源、第一分束器、第二分束器、泵浦光路组件、探测光路组件、第三分束器、第一合束器、第二合束器、微区样品成像模块、信号探测模块和计算机；所述计算机与飞秒脉冲激光源、泵浦光路组件、探测光路组件、微区样品成像模块、信号探测模块连接，用于光源的输出和参数控制、成像及光路调试、仪器的自动化控制与测试、信号处理功能。本技术具有超高时间分辨、高空间分辨、无需制样、非接触式测量等优势。

技术研发人员：韦可,刘祺瑞,江天,郝昊,唐宇翔,李思维,程湘爱
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：20221101
技术公布日：2024/1/13