CN101144776A - 一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，该系统包括光源、单色仪、第一凸透镜、渥拉斯顿棱镜、光弹调制器、光弹调制器控制器、第二凸透镜、变温磁体系统、探测器，以及锁相放大器。利用本发明，增强了测量信号并提高了信噪比；同时，既可以测量磁圆偏振二向色性信号与外磁场的关系，这与SQUID测量的磁滞回线相对应；也可以测量磁圆偏振二向色性信号与温度的关系，这对应于SQUID测量的饱和磁化或剩余磁化的温度依赖性，可以确定材料的铁磁居里温度；还可以测量磁圆偏振二向色性信号的光能量依赖性，从而确定材料的能带结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光学性质测试和磁性材料磁学性质测试技术领域，尤其涉及一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统。
背景技术
现代信息技术利用电子的电荷自由度来进行信息处理，而用磁性材料的自旋自由度来存储信息。自旋电子学这个新兴的领域同时利用电子的这两个自由度来产生新的功能，这可能引起未来的信息技术的革新。
由于同时具有磁性和半导体的性质，稀磁半导体成为自旋电子学的应用材料基础。外磁场会通过赛曼效应引起半导体能带发生分裂，分裂后的能带的自旋简并被解除，即加外磁场后每一个能带有不同的能量，角动量和自旋，这时半导体对光的吸收不仅依赖于光的能量而且依赖于光的偏振态。
磁圆偏振二向色性(Magnetic Circular Dichroism)就是测量磁场引起的材料对左旋和右旋两种圆偏振光吸收系数的差，它的频谱分布反映材料的能带结构，它在特定光波长处的磁场强度依赖性能反映材料的磁化过程。
通常的非磁半导体由于有效g因子很小，它的磁圆偏振二向色性信号很弱，而稀磁半导体由于很强的sp-d交换相互作用引起巨赛曼分裂，这减小了我们探测到它的磁圆偏振二向色性的难度。
超导量子干涉器件(SQUID)是用来测量稀磁半导体的磁学性质的主要仪器。然而，这种仪器非常灵敏，很少量的杂质都会影响到测量结果(Science，312，pp1883-1884，2006)。而且，这种仪器只能测量放进仪器中的整个样品的总体磁化，这也不利于得到单层磁性薄膜的磁化性质。所以，尽管长时间以来人们从SQUID测量结果认为GaN:Mn，GaAs:Cr和ZnO:Ni是稀磁半导体，但磁圆偏振二向色性测量却没有观察到任何信号，所以人们对这些材料是否是稀磁半导体一直都持有不同意见。
因此，磁圆偏振二向色性测量是比SQUID测量更有说服力，它也能提供更多的信息，人们对这种新的测试手段也越来越感兴趣。
如图1所示(S.Sugano and N.Kojima，Magneto-Optics，Springer，2000)，图1为通常的磁圆偏振二向色性的探测系统示意图，该系统包括光源101、单色仪102、起偏器103、光弹调制器104及其控制器105、变温磁体系统106、探测器107和锁相放大器108。采用一个偏振方向的光通过的起偏器103，在起偏器103的后面放一个光弹调制器104，把通过起偏器103的线偏振光变成一束左旋和右旋交替变化的圆偏振光。光通过样品后被聚焦在探测器107上，用锁相放大器108来测量样品对左旋和右旋两种圆偏振光的吸收的差值。
磁圆偏振二向色性测量的是左旋和右旋圆偏振光透过材料后的光强差，这个值通常是入射光强的万分之几或更低，属于微弱信号测量，如何增强测量信号和提高信噪比变得尤其重要，这也是仪器开发中最应该考虑的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，以增强测量信号并提高信噪比。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，该系统包括：
用于提供入射光的光源；
用于将光源发出的光变成单色光的单色仪；
用于将单色仪出射的光聚焦到渥拉斯顿棱镜上的第一凸透镜；
用于将第一凸透镜聚焦的光分成偏振方向相互垂直的线偏振光O光和E光的渥拉斯顿棱镜；
用于调制渥拉斯顿棱镜分成的O光和E光，产生左旋和右旋圆偏振光强度相等的光弹调制器；
用于控制光弹调制器，并向锁相放大器输出参考信号的光弹调制器控制器；
用于将光弹调制器出射的左旋和右旋圆偏振光强度相等的O光和E光聚焦到固定在变温磁体系统中心的样品上的第二凸透镜；
用于固定样品，实现样品的温度和磁场在较大范围内连续可变，进而研究材料磁圆偏振二向色性的温度和磁场强度依赖关系的变温磁体系统；
用于分别探测从样品透射O光和E光的光强信号，并将探测的O光和E光的光强信号差分输入给锁相放大器的两个探测器；
用于根据接收自两个探测器的光强信号和接收自光弹调制器控制器的参考信号，得到样品的磁圆偏振二向色性信号、光波长、温度和磁场强度的锁相放大器。
所述第一凸透镜为具有很强聚焦能力和很大焦距的凸透镜，以确保透射的光发散很小和会聚的光斑很小。
所述第一凸透镜的焦距为20cm。
所述O光的偏振方向平行于主平面，E光的偏振方向垂直于主平面。
所述渥拉斯顿棱镜作为起偏器，采用分束角为5°的渥拉斯顿棱镜，得到两束偏振方向相互垂直的线偏振光，经过所述光弹调制器后两束光都变成左旋和右旋交替变化的圆偏振光，所述两束光在同一时刻所处的偏振态相反，经样品吸收后照射到两个探测器上通过所述锁相放大器做差分测量实现信号增大一倍，信噪比提高1至2个数量级。
所述光弹调制器的光轴与O光和E光的偏振方向成45°夹角，确保产生的左旋和右旋圆偏振光的强度相等。
所述第二凸透镜的焦距为15cm，第二凸透镜的物距大于其二倍焦距。
所述第二凸透镜将两束光的交点成像在样品上，同时由于光被第一凸透镜聚焦在渥拉斯顿棱镜上，光斑也被成像在样品上，这样既使照射到样品上的两束光会聚到一点，也使大束斑光聚焦成很小一点。
所述从样品透射O光和E光分开照射到所述两个探测器上，所述两个探测器探测到的信号被分别送到锁相放大器的A和B输入端，把锁相放大器调到A-B差分工作模式下，锁相放大器的参考信号由光弹调制器的控制器提供，这样得到的信号强度是单路测量的2倍，信噪比也比单路测量高。
所述光源发出的光是部分偏振光，在单色仪与渥拉斯顿棱镜之间进一步放置一只旋光镜，以调整光的偏振方向，调节透过渥拉斯顿棱镜后两束光的强度分布，使到达探测器的两路光的光强相等，消除直流背景和噪音，提高信噪比。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明提供的这种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，既可以测量磁圆偏振二向色性信号与外磁场的关系，这与SQUID测量的磁滞回线(M-H依赖关系)相对应；也可以测量磁圆偏振二向色性信号与温度的关系，这对应于SQUID测量的饱和磁化或剩余磁化的温度依赖性，可以确定材料的铁磁居里温度；还可以测量磁圆偏振二向色性信号的光能量依赖性，从而确定材料的能带结构。
2、本发明用渥拉斯顿棱镜后，光被分成偏振方向互相垂直的两束线偏振光，如果忽略光吸收，所有的光都得到利用，即光强增大到原来的两倍，相应的磁圆偏振二向色性信号也增大到原来的两倍，这对于微弱信号测量是很有利的。
3、利用本发明提供的这种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，磁圆偏振二向色性的大部分测量噪声来自于光源的无规律起伏，采用渥拉斯顿棱镜分光后，光源的起伏对两路光的影响是一致的，两个探测器测到的信号相减后噪声会得到很大抑制，经过信号分析容易知道，信噪比提高1/T倍(T为投射系数)，这个数值大约比原来的高1至2个数量级(依赖于样品材料的反射系数和吸收系数)。
4、通常的磁圆偏振二向色性测量是在一个很大的直流背景中提取微弱的交流信号，而本发明则是通过两路光平衡调节达到消除直流背景的目的，从而直接测量交流信号，这样可以明显可以提高信噪比。
附图说明
图1为通常的磁圆偏振二向色性的探测系统示意图；
图2为本发明提供的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是：用一个渥拉斯顿棱镜作为偏振光起偏器，把一束光分成两束照射到测试样品上，光投射过样品后的两束光分别聚焦到两个探测器上，用锁相放大器测量两个探测器的差分信号，比通常的磁圆偏振二向色性测量系统有2倍增强的测量信号和大约两个数量级的信噪比的提高。
如图2所示，图2为本发明提供的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，该系统包括光源201、单色仪202、第一凸透镜204、渥拉斯顿棱镜205、光弹调制器206、光弹调制器控制器207、第二凸透镜208、变温磁体系统209、探测器210和211，以及锁相放大器212。
其中，光源201用于提供入射光；单色仪202用于将光源发出的光变成单色光；第一凸透镜203用于将单色仪出射的光聚焦到渥拉斯顿棱镜上；渥拉斯顿棱镜205用于将第一凸透镜204聚焦的光分成偏振方向相互垂直的线偏振光O光和E光；光弹调制器206用于调制渥拉斯顿棱镜205分成的O光和E光，产生左旋和右旋圆偏振光强度相等；光弹调制器控制器207用于控制光弹调制器206，并向锁相放大器212输出参考信号；第二凸透镜208用于将光弹调制器206出射的左旋和右旋圆偏振光强度相等的O光和E光聚焦到固定在变温磁体系统209中心的样品上；变温磁体系统209用于固定样品，实现样品的温度和磁场在较大范围内连续可变，进而研究材料磁圆偏振二向色性的温度和磁场强度依赖关系；探测器210和211用于分别探测从样品透射O光和E光的光强信号，并将探测的O光和E光的光强信号差分输入给锁相放大器；锁相放大器212用于根据接收自探测器210和211的光强信号和接收自光弹调制器控制器207的参考信号，得到样品的磁圆偏振二向色性信号、光波长、温度和磁场强度。
如果光源201发出的光是部分偏振光，在单色仪202与渥拉斯顿棱镜205之间还可以进一步放置一只旋光镜203，以调整光的偏振方向，调节透过渥拉斯顿棱镜205后两束光的强度分布，使到达探测器210和211的两路光的光强相等，消除直流背景和噪音，提高信噪比。
光源201发出的光经过单色仪202分光后变成单色光，出射的光经旋光镜203后被第一凸透镜204聚焦到渥拉斯顿棱镜205上，经过渥拉斯顿棱镜203后光分成两束，即O光和E光，O光的偏振方向平行于主平面，E光的偏振方向垂直于主平面，两束光的空间分离角依赖于渥拉斯顿棱镜的设计，这里采用分束角为5°的渥拉斯顿棱镜。
光经过渥拉斯顿棱镜205后经过第二凸透镜208会聚到样品上，第二透镜208的作用是成像，就是把两束光的交点P成像在样品上，同时P点也是第一透镜204的焦点，通过第一透镜204后成像在样品上的光斑也是聚焦的，光斑越小，测量到的磁圆偏振二向色性信号越好。
为了兼顾测量信号和测量系统，第一透镜204的焦距略大，选择20cm的比较合适，第二透镜208的焦距略小，选用15cm的合适，同时第二透镜208的物距应该大于二倍焦距，这样在样品上的像是缩小的像，有利于提高信噪比。
调整好光路后，在渥拉斯顿棱镜205和成像透镜208之间插入光弹调制器206，光弹调制器206的光轴与两束光的偏振方向成45°夹角，这样确保产生的左旋和右旋圆偏振光的强度相等。光透过放在变温磁体系统209的中心的样品后，这两束光分别被探测器210和探测器211探测。变温磁体系统209能够实现样品的温度和磁场在较大范围内连续可变，这样可以研究材料磁圆偏振二向色性的温度和磁场强度依赖关系。
探测器210和探测器211测量到的光强信号被差分地送到锁相放大器212的A和B输入端，锁相放大器212的参考信号由光弹调制器控制器207提供。这样就得到了材料的磁圆偏振二向色性信号，可变的变量有光波长、温度和磁场强度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，该系统包括：
用于提供入射光的光源；
用于将光源发出的光变成单色光的单色仪；
用于将单色仪出射的光聚焦到渥拉斯顿棱镜上的第一凸透镜；
用于将第一凸透镜聚焦的光分成偏振方向相互垂直的线偏振光O光和E光的渥拉斯顿棱镜；
用于调制渥拉斯顿棱镜分成的O光和E光，产生左旋和右旋圆偏振光强度相等的光弹调制器；
用于控制光弹调制器，并向锁相放大器输出参考信号的光弹调制器控制器；
用于将光弹调制器出射的左旋和右旋圆偏振光强度相等的O光和E光聚焦到固定在变温磁体系统中心的样品上的第二凸透镜；
用于固定样品，实现样品的温度和磁场在较大范围内连续可变，进而研究材料磁圆偏振二向色性的温度和磁场强度依赖关系的变温磁体系统；
用于分别探测从样品透射O光和E光的光强信号，并将探测的O光和E光的光强信号差分输入给锁相放大器的两个探测器；
用于根据接收自两个探测器的光强信号和接收自光弹调制器控制器的参考信号，得到样品的磁圆偏振二向色性信号、光波长、温度和磁场强度的锁相放大器。
2.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述第一凸透镜为具有很强聚焦能力和很大焦距的凸透镜，以确保透射的光发散很小和会聚的光斑很小。
3.根据权利要求2所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述第一凸透镜的焦距为20cm。
4.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述O光的偏振方向平行于主平面，E光的偏振方向垂直于主平面。
5.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述渥拉斯顿棱镜作为起偏器，采用分束角为5°的渥拉斯顿棱镜，得到两束偏振方向相互垂直的线偏振光，经过所述光弹调制器后两束光都变成左旋和右旋交替变化的圆偏振光，所述两束光在同一时刻所处的偏振态相反，经样品吸收后照射到两个探测器上通过所述锁相放大器做差分测量实现信号增大一倍，信噪比提高1至2个数量级。
6.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述光弹调制器的光轴与O光和E光的偏振方向成45°夹角，确保产生的左旋和右旋圆偏振光的强度相等。
7.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述第二凸透镜的焦距为15cm，第二凸透镜的物距大于其二倍焦距。
8.根据权利要求7所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述第二凸透镜将两束光的交点成像在样品上，同时由于光被第一凸透镜聚焦在渥拉斯顿棱镜上，光斑也被成像在样品上，这样既使照射到样品上的两束光会聚到一点，也使大束斑光聚焦成很小一点。
9.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述从样品透射O光和E光分开照射到所述两个探测器上，所述两个探测器探测到的信号被分别送到锁相放大器的A和B输入端，把锁相放大器调到A-B差分工作模式下，锁相放大器的参考信号由光弹调制器的控制器提供，这样得到的信号强度是单路测量的2倍，信噪比也比单路测量高。
10.根据权利要求1所述的增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，其特征在于，所述光源发出的光是部分偏振光，在单色仪与渥拉斯顿棱镜之间进一步放置一只旋光镜，以调整光的偏振方向，调节透过渥拉斯顿棱镜后两束光的强度分布，使到达探测器的两路光的光强相等，消除直流背景和噪音，提高信噪比。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |