We report on an Er-doped fiber (EDF)-laser-based dual-comb system that allows us to perform triggerless asynchronous optical sampling pump–probe measurements of ultrafast demagnetization and spin precession in magnetic materials. Because the oscillation frequencies of the two frequency-comb light sources are highly stabilized, the pulse-to-pulse timing jitter is sufficiently suppressed, and data accumulation without any trigger signals is possible. To effectively induce spin precession in ferromagnetic thin films, the spectral bandwidth of the output of one of the EDF frequency comb sources is broadened by a highly nonlinear fiber and then amplified at a wavelength of about 1030 nm by a Yb-doped fiber amplifier. The output of the other frequency comb source is converted to about 775 nm by second harmonic generation. We used this system to observe ultrafast demagnetization and spin precession dynamics on the picosecond and nanosecond time scales in a permalloy thin film. This time-domain spectroscopy system is promising for the rapid characterization of spin-wave generation and propagation dynamics in magnetic materials.

1.
I.
Žutić
,
J.
Fabian
, and
S. D.
Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
323
(
2004
).
2.
S.
Maekawa
,
Concepts in Spin Electronics
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
2006
), Vol.
13
.
3.
A. V.
Chumak
,
V. I.
Vasyuchka
,
A. A.
Serga
, and
B.
Hillebrands
,
Nat. Phys.
11
,
453
(
2015
).
4.
W. K.
Hiebert
,
A.
Stankiewicz
, and
M. R.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
1134
(
1997
).
5.
R. L.
Stamps
and
B.
Hillebrands
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
1143
(
1999
).
6.
M.
Bauer
,
R.
Lopusnik
,
J.
Fassbender
, and
B.
Hillebrands
,
J. Magn. Magn. Mater.
218
,
165
(
2000
).
7.
Y.
Acremann
,
M.
Buess
,
C. H.
Back
,
M.
Dumm
,
G.
Bayreuther
, and
D.
Pescia
,
Nature
414
,
51
(
2001
).
8.
B. C.
Choi
,
M.
Belov
,
W. K.
Hiebert
,
G. E.
Ballentine
, and
M. R.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
728
(
2001
).
9.
T.
Gerrits
,
J.
Hohlfeld
,
O.
Gielkens
,
K. J.
Veenstra
,
K.
Bal
,
T.
Rasing
, and
H. A. M.
van den Berg
,
J. Appl. Phys.
89
,
7648
(
2001
).
10.
T.
Gerrits
,
H. A. M.
van den Berg
,
J.
Hohlfeld
,
L.
Bär
, and
T.
Rasing
,
Nature
418
,
509
(
2002
).
11.
M. P.
Kostylev
,
A. A.
Serga
,
T.
Schneider
,
B.
Leven
, and
B.
Hillebrands
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
153501
(
2005
).
12.
D. D.
Stancil
and
A.
Prabhakar
,
Spin Waves
(
Springer
,
2009
), Vol.
5
.
13.
A. V.
Chumak
,
A. A.
Serga
, and
B.
Hillebrands
,
Nat. Commun.
5
,
4700
(
2014
).
14.
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
2731
(
2010
).
15.
A.
Hirohata
,
K.
Yamada
,
Y.
Nakatani
,
I.-L.
Prejbeanu
,
B.
Diény
,
P.
Pirro
, and
B.
Hillebrands
,
J. Magn. Magn. Mater.
509
,
166711
(
2020
).
16.
E.
Beaurepaire
,
J.-C.
Merle
,
A.
Daunois
, and
J.-Y.
Bigot
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4250
(
1996
).
17.
J.
Hohlfeld
,
E.
Matthias
,
R.
Knorren
, and
K. H.
Bennemann
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
4861
(
1997
).
18.
B.
Koopmans
,
M.
van Kampen
,
J. T.
Kohlhepp
, and
W. J. M.
de Jonge
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
844
(
2000
).
19.
G.
Ju
,
A. V.
Nurmikko
,
R. F. C.
Farrow
,
R. F.
Marks
,
M. J.
Carey
, and
B. A.
Gurney
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
3705
(
1999
).
20.
M.
van Kampen
,
C.
Jozsa
,
J. T.
Kohlhepp
,
P.
LeClair
,
L.
Lagae
,
W. J. M.
de Jonge
, and
B.
Koopmans
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
227201
(
2002
).
21.
A. V.
Kimel
,
B. A.
Ivanov
,
R. V.
Pisarev
,
P. A.
Usachev
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Nat. Phys.
5
,
727
(
2009
).
22.
J.
Kisielewski
,
A.
Kirilyuk
,
A.
Stupakiewicz
,
A.
Maziewski
,
A.
Kimel
,
T.
Rasing
,
L. T.
Baczewski
, and
A.
Wawro
,
Phys. Rev. B
85
,
184429
(
2012
).
23.
F.
Hansteen
,
A.
Kimel
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. B
73
,
014421
(
2006
).
24.
T.
Satoh
,
N. P.
Duong
, and
M.
Fiebig
,
Phys. Rev. B
74
,
012404
(
2006
).
25.
A. V.
Kimel
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Laser Photonics Rev.
1
,
275
(
2007
).
26.
T.
Kampfrath
,
A.
Sell
,
G.
Klatt
,
A.
Pashkin
,
S.
Mährlein
,
T.
Dekorsy
,
M.
Wolf
,
M.
Fiebig
,
A.
Leitenstorfer
, and
R.
Huber
,
Nat. Photonics
5
,
31
(
2011
).
27.
H.
Shibata
,
M.
Okano
, and
S.
Watanabe
,
Phys. Rev. B
97
,
014438
(
2018
).
28.
M.
Okano
,
T.
Takahashi
, and
S.
Watanabe
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
082407
(
2020
).
29.
T.
Satoh
,
Y.
Terui
,
R.
Moriya
,
B. A.
Ivanov
,
K.
Ando
,
E.
Saitoh
,
T.
Shimura
, and
K.
Kuroda
,
Nat. Photonics
6
,
662
(
2012
).
30.
Y.
Au
,
M.
Dvornik
,
T.
Davison
,
E.
Ahmad
,
P. S.
Keatley
,
A.
Vansteenkiste
,
B.
Van Waeyenberge
, and
V. V.
Kruglyak
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
097201
(
2013
).
31.
S.
Iihama
,
Y.
Sasaki
,
A.
Sugihara
,
A.
Kamimaki
,
Y.
Ando
, and
S.
Mizukami
,
Phys. Rev. B
94
,
020401
(
2016
).
32.
P. A.
Elzinga
,
R. J.
Kneisler
,
F. E.
Lytle
,
Y.
Jiang
,
G. B.
King
, and
N. M.
Laurendeau
,
Appl. Opt.
26
,
4303
(
1987
).
33.
S.
Adachi
,
S.
Takeyama
, and
Y.
Takagi
,
Opt. Commun.
117
,
71
(
1995
).
34.
T.
Yasui
,
E.
Saneyoshi
, and
T.
Araki
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
061101
(
2005
).
35.
A.
Bartels
,
R.
Cerna
,
C.
Kistner
,
A.
Thoma
,
F.
Hudert
,
C.
Janke
, and
T.
Dekorsy
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
035107
(
2007
).
36.
V. A.
Stoica
,
Y.-M.
Sheu
,
D. A.
Reis
, and
R.
Clarke
,
Opt. Express
16
,
2322
(
2008
).
37.
A.
Abbas
,
Y.
Guillet
,
J.-M.
Rampnoux
,
P.
Rigail
,
E.
Mottay
,
B.
Audoin
, and
S.
Dilhaire
,
Opt. Express
22
,
7831
(
2014
).
38.
J. T.
Good
,
D. B.
Holland
,
I. A.
Finneran
,
P. B.
Carroll
,
M. J.
Kelley
, and
G. A.
Blake
,
Rev. Sci. Instrum.
86
,
103107
(
2015
).
39.
N.
Krauß
,
G.
Schäfer
,
J.
Flock
,
O.
Kliebisch
,
C.
Li
,
H. G.
Barros
,
D. C.
Heinecke
, and
T.
Dekorsy
,
Opt. Express
23
,
18288
(
2015
).
40.
K.
Hitachi
,
M.
Someya
,
A.
Ishizawa
,
T.
Nishikawa
, and
H.
Gotoh
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
201102
(
2018
).
41.
A.
Scherbakov
,
A.
Danilov
,
F.
Godejohann
,
T.
Linnik
,
B.
Glavin
,
L.
Shelukhin
,
D.
Pattnaik
,
M.
Wang
,
A.
Rushforth
,
D.
Yakovlev
,
A.
Akimov
, and
M.
Bayer
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
031003
(
2019
).
42.
A.
Asahara
,
Y.
Arai
,
T.
Saito
,
J.
Ishi-Hayase
,
K.
Akahane
, and
K.
Minoshima
,
Appl. Phys. Express
13
,
062003
(
2020
).
43.
M.
Nakagawa
,
M.
Okano
, and
S.
Watanabe
,
Opt. Express
30
,
29421
(
2022
).
44.
M.
Okano
and
S.
Watanabe
,
Opt. Express
30
,
39613
(
2022
).
45.
H.
Inaba
,
Y.
Daimon
,
F.-L.
Hong
,
A.
Onae
,
K.
Minoshima
,
T. R.
Schibli
,
H.
Matsumoto
,
M.
Hirano
,
T.
Okuno
,
M.
Onishi
, and
M.
Nakazawa
,
Opt. Express
14
,
5223
(
2006
).
46.
H.
Liu
,
S.
Cao
,
W.
Wang
,
B.
Lin
,
W.
Lu
, and
Z.
Fang
,
Opt. Commun.
397
,
161
(
2017
).
47.
H.
Liu
,
S. Y.
Cao
,
Y.
Yu
,
B. K.
Lin
,
W. P.
Lu
, and
Z. J.
Fang
,
Meas. Sci. Technol.
28
,
105202
(
2017
).
48.
T.
Fukuda
,
M.
Okano
, and
S.
Watanabe
,
Opt. Express
29
,
22214
(
2021
).
49.
R.
Holzwarth
,
T.
Udem
,
T. W.
Hänsch
,
J. C.
Knight
,
W. J.
Wadsworth
, and
P. S. J.
Russell
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2264
(
2000
).
50.
D. J.
Jones
,
S. A.
Diddams
,
J. K.
Ranka
,
A.
Stentz
,
R. S.
Windeler
,
J. L.
Hall
, and
S. T.
Cundiff
,
Science
288
,
635
(
2000
).
51.
Y.
Nakajima
,
H.
Inaba
,
K.
Hosaka
,
K.
Minoshima
,
A.
Onae
,
M.
Yasuda
,
T.
Kohno
,
S.
Kawato
,
T.
Kobayashi
,
T.
Katsuyama
, and
F.-L.
Hong
,
Opt. Express
18
,
1667
(
2010
).
52.
A.
Asahara
and
K.
Minoshima
,
APL Photonics
2
,
041301
(
2017
).
53.
J.-C.
Diels
and
W.
Rudolph
,
Ultrashort Laser Pulse Phenomena
(
Elsevier
,
2006
).
54.
D. Y.
Tang
,
L. M.
Zhao
,
B.
Zhao
, and
A. Q.
Liu
,
Phys. Rev. A
72
,
043816
(
2005
).
55.
D.
Polli
,
D.
Brida
,
S.
Mukamel
,
G.
Lanzani
, and
G.
Cerullo
,
Phys. Rev. A
82
,
053809
(
2010
).
56.
S.
Mizukami
,
Y.
Ando
, and
T.
Miyazaki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
40
,
580
(
2001
).
57.
J.
Smit
and
H. G.
Beljers
,
Philips Res. Rep.
10
,
113
(
1955
).
You do not currently have access to this content.