一种基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法技术

本发明专利技术公开了一种基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，由于偏振奇点和相位奇点在聚焦空间中的相互作用，拓扑荷为+1和‑1的一阶旋向偏振涡旋光在聚焦空间中将分别产生左旋圆偏振场和右旋圆偏振场，在高数值孔径条件下，一阶旋向偏振涡旋光产生横向尺寸小于传统圆偏振光聚焦光斑横向尺寸的圆偏振聚焦场。利用本发明专利技术方法所实现的旋向依赖全光磁反转区域面积将比传统圆偏振光所产生的反转区域面积小30％，为超高密度、超快磁存储提供有效的解决方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法
本专利技术属于光磁存储
，具体涉及一种基于一阶旋向偏振涡旋光束的旋向依赖全光磁反转方法技术。
技术介绍
磁存储在数据存储领域中扮演着十分重要的角色。例如，当今被广泛使用的硬盘(HardDiskDrive,HDD)便利用磁存储技术对庞大的信息数据进行海量存储和快速处理。随着科学的进步，人们不断地发展和革新磁存储技术。在过去的二十年里，以逻辑比特“0”和“1”作为存储单元的垂直记录数字存储技术被广泛地应用于高密度磁存储中。在此技术中，人们利用外加垂直磁场(即磁场方向垂直于磁材料表面)来实现对磁材料磁化单元的垂直反转控制。为了能够更长时间稳定地保存记录信息，大矫顽力的磁材料常被用作为存储媒介。为此，外加强磁场便成为实现高密度垂直磁记录的必要条件。然而，目前商业产品化的磁头只能产生小于2.4T的有限磁场，给高密度垂直磁记录带来了巨大的困难。为解决这一问题，人们提出了结合激光脉冲辐射的热辅助磁记录方法(Heatassistedmagneticrecording,HAMR)。激光脉冲可快速提升磁材料的温度，迅速减小磁材料的矫顽力，进而减小所需的外加磁场。尽管如此，在外界磁场的作用下，磁材料的电子自旋是以进动的形式来完成反转过程，其特征时间为几个纳秒，这便大大限制了磁反转的速率。可见，如何实现超快的磁反转成为了磁学领域的重要议题。2007年，全光磁反转(All-opticalmagneticswitching,AOS)被人们首次提出(C.D.Stanciu,etal.,Phys.Rev.Lett.99,047601(2007))。研究表明，在无任何外加磁场的条件下，仅利用脉宽为40fs的圆偏振激光脉冲作为激发源，亚铁磁材料GdFeCo便可实现旋向依赖的全光磁反转(All-opticalhelicity-dependentswitching,AO-HDS)。由于这一磁反转过程是通过Gd和Fe亚晶格间强烈的交换耦合作用来实现(I.Radu,etal.,Nature472,205(2011))，其反转时间可缩短至100ps之内(K.Vahaplar,etal.,Phys.Rev.Lett.103,117201(2009))。这为超快磁记录提供了有效途径。然而，目前人们仅在低数值孔径条件下利用圆偏振入射光在亚铁磁材料(GdFeCo、TbCo、TbFe等)或铁磁材料(Co/Pt多层材料、FePtAgC颗粒膜等)上进行全光磁记录，其空间横向反转尺寸停留在微米尺度，不利于高密度数据存储。因此，如何获得具有圆偏振态的小空间尺度聚焦光斑对超高密度、超快磁存储至关重要。一阶旋向偏振涡旋光的偏振态为旋向偏振态(Azimuthalpolarization)，其相位具有拓扑荷为±1，即0～2π，的螺旋分布。在高数值孔径聚焦条件下，此种光束聚焦光斑横向尺寸远小于传统圆偏振光聚焦光斑，且具有纯横向圆偏振态。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用一阶旋向偏振涡旋光来实现旋向依赖全光磁反转的全新的技术方案。为实现本专利技术的目的，所采用的方案为：一种基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，包括偏振态为旋向偏振态的入射光，且该入射光具有拓扑荷为±1的螺旋相位分布；将拓扑荷为+1或-1的入射光照射在磁存储媒介上，使磁存储媒介发生旋向依赖全光磁反转；所述磁存储媒介为能够实现旋向依赖全光磁反转的亚铁磁材料或铁磁材料。优选的，所述入射光通过以下方法生成，利用脉冲激光通过旋向偏振转换元件与拓扑荷为±1的螺旋相位调制器对入射光进行偏振、相位调制所产生。更优的，旋向偏振转换元件是利用双折射或二向色性对入射线偏振或圆偏振光进行偏振态调制而产生旋向偏振光。常用的旋向偏振转换元件包括液晶偏振转换器、半波片组合、亚波长光栅等。此外，还可通过激光腔外干涉或激光腔内模式选择来产生旋向偏振光。常用的螺旋相位调制器包括螺旋相位板、空间光调制器等。优选的，亚铁磁材料为GdFeCo、TbFeCo、TbFe、TbCo、DyCo或HoFeCo，或，铁磁材料为Co/Pt多层材料或FePtAgC颗粒膜。优选的，利用聚焦透镜将所述入射光聚焦于所述磁存储媒介上，聚焦光斑具有纯横向圆偏振态。优选的，当所述磁存储媒介为GdFeCo时，所述入射光的平均能量密度不小于4.83mJ/cm2。优选的，将入射光以单激光脉冲激发的方式照射在磁存储媒介上，或，将入射光以多激光脉冲扫描激发的方式照射在磁存储媒介上。优选的，所述磁存储媒介还可以是稀土-过渡金属多层膜结构或异质结结构。优选的，所述磁存储媒介通过磁控溅射生长方式获得。优选的，利用聚焦透镜将所述入射光聚焦于所述磁存储媒介上，且，聚焦透镜的数值孔径为NA＝0.95，入射光的环形因子β＝0.95。优选的，聚焦光斑没有环形纵向偏振场分量，而始终保持实心纯横向偏振场，即可在保持横向圆偏振态的前提下缩小聚焦光斑的横向尺寸，进而能够获得具有更小横向尺寸的全光磁反转区域。本专利技术利用一阶旋向偏振涡旋光束实现小空间尺度旋向依赖全光磁反转的原理如下：一阶旋向偏振涡旋光束的中心具有偏振奇点与相位奇点，在聚焦过程中，由于偏振奇点与相位奇点的相互作用，会在聚焦空间中产生实心聚焦光斑，且焦斑的偏振态为纯横向圆偏振或椭圆偏振态。当聚焦透镜的数值孔径较大时，传统圆偏振光聚焦光斑会产生极强的环形纵向偏振场，而一阶旋向偏振涡旋光束聚焦光斑却始终保持纯横向偏振场，进而在保持圆偏振态的前提下缩小了聚焦光斑的横向尺寸。圆偏振聚焦光斑照射至全光磁反转材料后(以亚铁磁材料GdFeCo为例)，材料迅速升温至居里温度以上，Gd亚晶格与Fe亚晶格会产生极强的自旋交换耦合作用，引起亚晶格的迅速反转。整个自旋反转过程(包括反转弛豫过程)发生在100ps之内。由于所述的全光磁反转材料具有明显的磁圆二向色性，对不同旋向圆偏振光吸收效率不同，进而产生了旋向依赖全光磁反转的能量窗口。即最终实现超快、小空间尺度旋向依赖全光磁反转。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)当聚焦透镜的数值孔径较大时，传统圆偏振光聚焦光斑会产生极强的环形纵向偏振场，而一阶旋向偏振涡旋光聚焦光斑却始终保持实心纯横向偏振场，即可在保持横向圆偏振态的前提下缩小聚焦光斑的横向尺寸。实验表明，利用此方法所实现的旋向依赖全光磁反转区域面积将比传统圆偏振光所产生的反转区域面积小30％。(2)在高数值孔径条件下，传统圆偏振光聚焦光斑所产生纵向偏振场降低了焦斑横向圆偏振场的偏振纯度，极大地影响了旋向依赖全光磁反转的能量窗口。而一阶旋向偏振涡旋光的纯横向圆偏振聚焦光斑可获得最优的能量窗口。附图说明图1为拓扑荷为±1的一阶旋向偏振涡旋光束的偏振态和相位分布及其相应聚焦场的归一化场强和偏振态分布的示意图；图2为传统圆偏振光(CPbeam)聚焦光斑与一阶旋向偏振涡旋光(FAPVbeam)聚焦光斑横向半高全宽(FWHM)随NA和入射环形光的环形因子(β)变化的曲面图；图3为图2中随着NA和β的变化，与传统圆偏振光相比，一阶旋向偏振涡旋光聚焦光斑横向尺寸的缩小百分比示意图；图4为利用一阶旋向偏振涡旋光在亚铁磁材料GdFeCo上实现旋向依赖全光磁反转的示意图；图5为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，其特征在于：包括偏振态为旋向偏振态的入射光，且该入射光具有拓扑荷为±1的螺旋相位分布；将拓扑荷为+1或‑1的入射光照射在磁存储媒介上，使磁存储媒介发生旋向依赖全光磁反转；所述磁存储媒介为能够实现旋向依赖全光磁反转的亚铁磁材料或铁磁材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，其特征在于：包括偏振态为旋向偏振态的入射光，且该入射光具有拓扑荷为±1的螺旋相位分布；将拓扑荷为+1或-1的入射光照射在磁存储媒介上，使磁存储媒介发生旋向依赖全光磁反转；所述磁存储媒介为能够实现旋向依赖全光磁反转的亚铁磁材料或铁磁材料。2.根据权利要求1所述的基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，其特征在于：所述入射光通过以下方法生成，利用脉冲激光通过旋向偏振转换元件与拓扑荷为±1的螺旋相位调制器对入射光进行偏振、相位调制所产生。3.根据权利要求1所述的基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，其特征在于：亚铁磁材料为GdFeCo、TbFeCo、TbFe、TbCo、DyCo或HoFeCo，或，铁磁材料为Co/Pt多层材料或FePtAgC颗粒膜。4.根据权利要求1所述的基于一阶旋向偏振涡旋光的旋向依赖全光磁反转方法，其特征在于：利用聚焦透镜将所述入射光聚焦于所述磁存储媒介上，聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王思聪，魏琛，李向平，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44