利用超低噪声qCMOS技术推进超高速磁光成像技术

超快泵浦探针实验能够通过磁光效应精确研究磁化动力学。这使得研究人员能够监测磁性材料在超短时间间隔内演化的行为，从而提供对基础物理学的见解并促进新技术的发展。在这里，我们重点介绍使用qCMOS相机的单次全光开关实验，该相机擅长检测来自单个50 fs脉冲的微弱信号。其低噪声和高量子效率使其成为以高空间分辨率捕获超快磁变化的理想选择。

单光子全光学开关实验

在过去的二十年里，激光脉冲激发已经成为研究磁化动力学中最具适应性的工具之一。该领域的研究揭示了用于光学控制磁化的新的且复杂的机制。由于其科学兴趣和有前途的商业应用，如磁阻随机存取存储器(MRAM)、自旋逻辑设备和轨道存储器，它引起了人们的广泛关注。在全光学泵-探针实验中，通过磁光效应测量磁化的变化，特别是光偏振角旋转，该角与磁化成正比。使用超短脉冲光源可以实现亚皮秒时间分辨率，从而详细研究磁化在脉冲激发后的动力学演变。然而，检测不可逆全光学开关中单个50 fs脉冲产生的微弱磁光信号仍然是一个挑战。

ORCA的好处®-对单次全光学泵浦-探针实验的追求

科学相机在磁化动力学研究中的主要功能是用(亚)微米空间分辨率检测磁光信号。这种相机的关键要求包括在目标波长下低噪声和高量子效率，因为信号由单个约50飞秒的激光脉冲提供。此外，实验中的偏振旋转可能小至几毫度。由于单个激光脉冲包含的光子数量有限，像ORCA-Quest这样的专用相机，具有低读出噪声和短曝光时间，是理想的选择。相机的其他重要特征包括与激光和其他设备的坚固同步、高动态范围、像素位深度以及与可调节软件的无缝集成。

和许多在超快磁光成像研究领域的人都一样，我们使用了CCD相机。然而，qCMOS传感器凭借其无可匹敌的低读出噪声，似乎是一个改变游戏规则者。此外，在其他关于激光诱导动力学的实验中，我们测量光学二次谐波图像，这需要很长的曝光时间，长达几分钟。再次，ORCA-Quest由于高量子效率、大量的像素和板载的binning选项，提供了高质量的图像。

光学开关磁区域示例：亮色和暗色代表磁化平面外分量的相反取向。在两个图像中，泵浦区域的中心完全去磁并形成多域图案。外边缘被切换，并且可以通过第二个激光脉冲来回切换。这在激光脉冲重叠的区域中是可见的，导致亮暗相间的区域。

扫描模式：超静音扫描模式;读出模式：区域;binning 4×4，触发：全局重置。曝光时间：(左)33.94 μs = 单个100 fs探针脉冲，(右)100 ms = 100个探针脉冲。

未来研究的前景

未来，将实现的技术扩展到净磁化率为零的反铁磁性材料。对这类材料中域的可视化具有挑战性，并需要先进的线性和非线性光学技术。

总之，ORCA-Quest相机通过可靠地检测超快激光脉冲的弱信号，提升了单次拍摄的磁光成像。其性能支持单次开关研究和长时间曝光成像。未来研究将扩展到反铁磁材料，这需要使用先进的光学技术进行域可视化。这将有助于我们进一步理解磁化控制及其在MRAM、自旋电子设备和其他领域的潜在应用。

审核编辑 黄宇