基于固定波长与可调谐激光源对铁磁薄膜磁激发的光谱表征
布里渊光散射光谱学（BLS）是研究材料弹性与磁学性质的重要工具。相较于揭示材料结构与化学成分的拉曼光谱，布里渊信号位于相对入射激光频率的GHz频段，比拉曼信号（THz频段）更为微弱，因此对激光源的光谱纯度和线宽提出了更高要求。
技术背景
非线性光学效应在多种技术中得到广泛应用，其中拉曼散射与布里渊散射是两种常见的非线性非弹性散射方法。拉曼光谱反映材料的结构与化学组成，而布里渊光谱提供更大尺度上的信息，如弹性或磁学性质。两者的物理过程在某种程度上可比，但关键差异在于布里渊信号位于GHz频段，拉曼信号位于THz频段。这使得布里渊光谱对入射激光的光谱纯度与线宽要求更为严苛，方能从强激发线中分辨出微弱的布里渊信号。
本文所述技术可用于表征铁磁薄膜的磁学性质。此类薄膜应用于自旋电子学与磁子学领域，是利用磁效应实现新型计算、突破现有CMOS架构局限的探索方向，有望在未来计算器件中发挥重要作用。
激光源表征要求
布里渊散射通过非线性光学过程产生声学声子或磁子，光子与声子/磁子相互作用产生的布里渊信号通常位于相对入射激光的低频GHz区域，强度极弱。为分辨此类信号，激光器的边模抑制比通常需优于70 dB，部分场景下需达到100 dB；激光线宽须小于1 MHz，以免布里渊信号被入射激光线淹没。
本应用笔记的测量采用了固定波长、单频（线宽小于1 MHz）、光谱纯度高于70 dB、输出功率200 mW的二极管泵浦激光器（Cobolt Calypso 491 nm），其波长与功率适用于坡莫合金等金属铁磁体中磁子的光谱研究。实验中同时使用了一台基于光参量振荡器（OPO）技术的可调谐连续波激光源（C-WAVE），输出波长可在450 nm至750 nm范围内调谐，功率可达瓦级，单频运转且光谱纯度超过100 dB。
由于布里渊信号极为微弱且位于低频区域，测量通常依赖高灵敏度、高分辨率的串联法布里-珀罗干涉仪。通过在样品位置放置反射镜并采用合适的中性密度滤光片抑制激光线，该干涉仪可用于分析激光发射光谱。测量显示，C-WAVE在中心波长457 nm处的主模比6.25 GHz处的最强边模强98 dB以上，超出图幅范围达10个数量级；固定波长的Cobolt Calypso 491 nm边模抑制比约为70 dB，两种激光源均适用于BLS光谱测量。
坡莫合金薄膜的BLS测量
坡莫合金是自旋电子学与磁子学器件的代表性候选材料。实验样品为溅射于Si/SiOx衬底上的5 nm厚坡莫合金薄膜，表面覆以薄铝层防止氧化。C-WAVE可调谐OPO输出波长分别设置为450 nm、480 nm和570 nm，样品置于磁场强度最高100 mT的可变磁场中，用于测量磁场依赖的BLS光谱。需要指出，串联干涉仪装置针对491 nm工作波长优化，激发波长偏离该值时，信号会因波长滤光片与介质反射镜的作用产生额外衰减。
测量结果以彩色图形式呈现BLS信号功率随外加磁场强度（横轴）及相对激发频率的频移（纵轴，即所激发BLS磁子的频率）的分布。在所有图中，清晰的BLS信号均呈绿色翼状形态，尽管其频移小于10 GHz，低磁场下甚至接近1 GHz。观测到的模式与铁磁共振测量中常见的基特尔模行为密切相关。偏离光谱仪设计波长（490 nm）的测量会引入额外噪声。
结论
固定波长的Cobolt Calypso 491 nm二极管泵浦激光器与单频可调谐连续波光源C-WAVE均满足布里渊光谱测量对激光源的严苛要求。经串联法布里-珀罗干涉仪表征，两种激光器的边模抑制比分别超过70 dB与98 dB，配合窄线宽与高输出功率，低频布里渊信号可被清晰分辨。C-WAVE在光谱纯度方面表现更优，但两种激光器均展现出良好性能，适用于BLS光谱测量及其他要求高边模抑制的应用场景。
参考文献
Sandercock, J.R., Light scattering from thermal acoustic magnons in yttrium iron garnet, Solid State Communications 13(10), 1729-1732 (1973)
Chumak, A.V., et al., Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing, IEEE T Magn, 58, 1-72 (2022)
Wolff, C., et al., Brillouin scattering – theory and experiment: tutorial, Journal of the Optical Society of America B 38(4), 1243-1269 (2021)
Sperling, J., Hens, K., Made Easy: CW Laser Light Widely Tunable Across the Visible, Optik & Photonik, 13, 22 (2018)
Hillebrands, B., et al., Progress in multipass tandem Fabry-Perot interferometry, Rev Sci Instrum. 70, 1589 (1999)
