The Magneto-Optical Kerr Microscope(MOKM) was constructed to obtain informations about the ultrafast spin dynamics of magnetized thin films. The MOKM consists of two parts. One is the laser source part. This part consists of ~ 400nm laser pulse obtained by the second harmonic generation(SHG) for the mode-locked ~800nm pulse from Ti:sapphire crystal. And the other is the detection part. This part consists of a polarizer, prism and the differential amplifier to detect the signal by Kerr effect between the magnetization of sample and the laser pulse. Using this system, we measured the Kerr angle according to the magnetic field on the CoPt sample for polar direction.
In this study, we used the $Nd:YVO_4$ which is linearly polarized light as pumping laser source and obtained 780nm CW laser by passing through the Ti:sapphire crystal. Then in order to get large energy in short time scale, the CW laser beam is converted to pulse beam operating in 82MHz repetition rate and about 30fs FWHM by using the mode-locking technique. And we used the BBO crystal to make the SHG pulse(410nm) as probe beam. Through the Glan Thomson polarizer, horizontal polarization is changed to 45˚ direction. The horizontal and vertical polarization intensities of probe beam which is incident on the CoPt thin film, that is magnetized by the electromagnet, are changed by Kerr effect. Using the Wollaston prism, this changed beam is decomposed into horizontal and vertical polarization again. In this case, one intensity is different from the other by Kerr effect. These two signals are subtracted each other using the differential amplifier. Since this value is proportional to the Kerr angle, we could obtain the Kerr angle curve directly according to the magnetic polar field of the sample.
본 연구를 위해 제작된 광자기 Kerr 현미경은 크게 두 부분으로 나누어진다. 한 부분은 모드 락킹된 펄스가 나오는 레이저 소스부분이고 다른 한 부분은 광자기 Kerr 현상을 이용한 측정부분이다.
레이저 소스부분에서 얻은 CW 레이저는 Ti:sapphire 크리스탈의 광증폭 영역에서 가장 좋은 효율을 보이는 800nm부근의 파장을 갖도록 제작되었고, 크리스탈 양 옆의 오목거울과 Negative Group Velocity 를 주기위한 프리즘 쌍, 여러 거울들의 정렬(alignment)을 최적화 시키면서 CW 레이저의 불안정한 부분, 섭동(perturbation)을 줄 수 있는 부분에서 30fs정도의 선폭을 갖는 모드 락킹된 펄스를 얻었다. 레이저의 cavity 길이를 약 1.8m로 하여 82MHz의 반복율(repetition rate)을 얻었으며 probe beam 의 diffraction limit에 의해 결정되는 공간 분해능을 좋게 하기 위하여 BBO crystal을 사용하여 2차 조화파를 생성시켜 400nm부근의 펄스를 사용하였다.
이렇게 얻어진 probe beam 은 Glan Thomson 편광기를 통하여 45˚ 으로 바뀐 후 렌즈를 통해서 수직자기이방성(PMA : perpendicular magnetic anisotropy )이 좋은 $(3.5-ÅCo/11-ÅPt)_10$ 박막에 집중된다. 전자석의 극(polar)방향 자기장으로 인해 probe beam 은 시료의 자화와 극방향 광자기 Kerr 효과를 느끼며 Wollaston prism에 의해서 수직과 수평 방향의 편광으로 나누어 진 후 Differetial Amplifier로 그 신호를 측정하게 된다. 이렇게 측정된 값은 바로 Kerr angle 이며 CoPt 박막에 대한 noise level 은 약 0.004˚ 정도였다. 느린 스핀 동역학을 관찰하기에는 충분한 결과이지만 앞으로 초고속 스핀 동역학을 관찰하기 위해서는 noise level 을 $10^{-2}$ 이상 줄이는 것이 필요하다.
