CN101196559A - 一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统 - Google Patents

Abstract

一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统，其结构为：一飞秒激光器激发超连续光谱白光，通过一单色仪进行分光，成为波长可以调节的单色光，该单色光通过一个消光系数为10^－5的格兰－泰勒棱镜纯化偏振；一光弹调制器，其光轴与格兰－泰勒棱镜的光轴成45°角，使光成为左旋和右旋交替变化的圆偏振光；一样品，放在低温磁体的中心；圆偏振光聚焦到样品上，从样品反射回来的反射光聚焦到第一光二极管探测器上；一锁相放大器，其参考信号由光弹调制器的控制器提供，用于测左旋和右旋圆偏振光的光强差。本发明不仅可以测量材料的磁光圆偏振二向色性的频谱、磁场强度和温度依赖性，还可以测量磁性半导体的磁晶各向异性。

Description

一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统

技术领域

本发明属于半导体光学性质测试和磁性材料磁学性质测试技术领域，特别涉及磁性半导体磁光光谱、磁滞回线、居里温度和磁晶各向异性的测量技术，具体地说，涉及一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统

背景技术

稀磁半导体同时具有磁性和半导体的性质，既可应用于信息存储也可应用于信息处理，是当前颇受重视的新型材料。由于赛曼效应的存在，外磁场会引起半导体能带发生分裂，分裂后的能带不仅有不同的能量，还有不同的自旋取向，这时半导体的光吸收性质会发生相应的变化，它不仅有波长选择性，而且也有光学偏振态选择性。磁光圆偏振二向色性(MagneticCircular Dichroism)就是测量左旋和右旋两种圆偏振光通过材料吸收后的光强差，它的频谱分布能够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。

人们通常用超导量子干涉器件(SQUID)是用来测量稀磁半导体的磁学性质，然而，这种仪器只能测量放进仪器中的整个样品的总体磁化，这不利于表征某一特定材料的磁学性质。尽管人们从GaN:Mn、GaAs:Cr和ZnO:Ni的SQUID测量结果认为它们是稀磁半导体，但用磁光圆偏振二向色性测量却没有观察到任何信号，所以人们对于SQUID测量到的磁学性质的来源一直存在争议(Science，312，pp1883-1884，2006)。磁光圆偏振二向色性测量比SQUID测量能提供更丰富的信息，人们对这种新的测试手段也倾注了更多的关注。但是，SQUID能测量材料的磁晶各向异性，尤其是磁场沿薄膜平面方向的磁化特性，而关于用磁光圆偏振二向色性来表征磁晶各向异性的研究却未见报道，所以这个问题亟待解决。

磁光圆偏振二向色性测量的是材料对左旋和右旋圆偏振光的光吸收系数的差。通常的磁光圆偏振二向色性的探测系统如图1所示(S.Suganoand N.Kojima，Magneto-Optics，Springer，2000)，该系统包括：

一卤素灯或氙灯光源101；

一单色仪102；

一起偏器103；

一光弹调制器104及其控制器105；

一变温磁体系统106；

一光电倍增管107；

一锁相放大器108。

然而，灵敏的光电倍增管只能工作在全暗的环境下，这就要求整个测试在封闭的暗室系统中进行，而且由于光电倍增管的大体积和很差的探测接口兼容能力，所以目前报道的磁光圆偏振二向色性测量系统均是采用光接近垂直入射样品表面的测量几何，所以用磁光圆偏振二向色性来表征的磁化特性均是磁场垂直样品的垂直磁化特性。毫无疑问，要用光电倍增管测量是因为普通的卤素灯的光强太弱，一般的光探测器很难探测到更加微弱的光强变化。另一方面，由于通常的卤素灯的灯丝面积大，光源的准直性很差，光很难聚焦，这就限制了磁光圆偏振二向色性在测量几何上灵活变化，从而造成了几乎没人用磁圆偏振二向色性来研究材料的磁晶各向异性，而这是磁性材料研究中非常重要的一个方面。因此，要从光源上考虑革新磁光圆偏振二向色性测量技术。

超连续产生(Supercontinuum generation)光谱是利用飞秒、皮秒激光导入非线性光纤，利用自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、受激喇曼散射(SRS)及四波混频(FWM)等非线性光学效应，使光脉冲的频谱展宽。由于激光的光功率可以很高，超连续光谱也就能达到很高的能量，Michael Seefeldt等人报道了波长范围900nm，能量达到2.4W的超连续光谱白光光源(Optics Communications，216，pp199-202，2003)，而且几十到几百毫瓦的光功率输出比较容易达到，这足够满足磁光圆偏振二向色性测量。由于光子晶体光纤的芯径可以小于2μm，它能达到与激光器相当的准直性，所以超连续光谱白光很容易聚焦，这为测量带来很大便利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统，它比通常的磁光圆偏振二向色性测量系统在测量几何上有更强的灵活性，在光测量谱范围上有更强的可拓展性，能提供更多的材料信息。利用这套系统，既可以测量磁光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；也可以测量磁光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；还可以测量磁光圆偏振二向色性信号的光波长依赖性，从而确定材料的能带结构；最重要的是还能利用它来测量材料的磁晶各向异性。因此，只要材料有磁光圆偏振二向色性，利用本发明可以测到SQUID能测到的所有磁学性质，还能得到稀磁半导体的能带结构性质，是表征稀磁半导体的性质的重要工具。

为实现上述目的，本发明提供的可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统，其结构为：

一飞秒激光器激发超连续光谱白光，通过一单色仪进行分光，成为波长可以调节的单色光，该单色光通过一个消光系数为10^-5的格兰-泰勒棱镜纯化偏振；

一光弹调制器，其光轴与格兰-泰勒棱镜的光轴成45°角，使光成为左旋和右旋交替变化的圆偏振光；

一样品，放在低温磁体的中心；

圆偏振光聚焦到样品上，从样品反射回来的反射光聚焦到第一光二极管探测器上；

一锁相放大器，其参考信号由光弹调制器的控制器提供，用于测左旋和右旋圆偏振光的光强差。

所述的测量系统，其中，激光器与单色仪之间光轴线上设置一光子晶体光纤，在激光器与光子晶体光纤之间设置一聚焦显微物镜，将激光器的光斑聚焦后耦合至光子晶体光纤中；单色仪与光子晶体光纤之间设置一收集显微物镜，将经光子晶体光纤传输的光转换成平行白光。

所述的测量装置，其中，格兰-泰勒棱镜的偏振方向与入射光的偏振方向保持一致，以获得最大的光强。

所述的测量装置，其中，光弹调制器与样品之间、样品与第一光二极管探测器之间各设有一聚焦透镜。

所述的测量装置，其中，光弹调制器与样品之间设置一个半透半反镜，反射的圆偏振光至第二光二极管探测器上实时探测光强的变化。

所述的测量装置，其中，半透半反镜与第二光二极管探测器之间设有一聚焦透镜。

展开地说，本发明主要是用一个超连续产生光谱白光作为光源，用廉价的光二极管作为探测器来探测光强随偏振态变化而引起的变化。超连续光谱白光是通过一个显微物镜把飞秒激光器的光耦合进入非线性光子晶体光纤产生的，产生的白光光谱通过另一个显微物镜收集转变成一束准直性与激光相当的高亮度光。光经单色仪后频率被纯化，然后经过一个格兰-泰勒棱镜使光的偏振纯化到消光比达到10^-5，再经过光弹调制器后光被变成一束左旋和右旋交替变化的圆偏振光。这时需要根据光、磁场和样品的几何构型(既测量几何)把光照射到样品上，从样品反射的光被聚焦到一个光二极管探测器上，用锁相放大器测量左旋和右旋圆偏振光的光强差，从而得到材料对左旋和右旋两种圆偏振光的吸收系数差。超连续产生白光的准直性很好，所以光的入射和反射方向容易改变，光又不会因为光的发散而损失能量，而且，光二极管探测器是适用于强光探测的，它可以被放在有较大杂散光背景下，所以可以灵活运用测量几何，测量在各种几何构型下材料的磁光圆偏振二向色性。样品开始平行于z轴固定，光沿磁场方向垂直入射到样品表面，经过镜面反射到光二极管探测器上，这样能得到人们通常得到的材料的磁光圆偏振二向色性和垂直磁化特性。然后，样品旋转180°，光通过一个小的掠入射角照到样品上，这样去测量反射光的光强变化就能得磁光圆偏振二向色性和平行磁化特性。如果样品样品固定在x-y平面内，光总是掠入射到样品上，转动样品，可以通过磁光圆偏振二向色性测量材料的平面磁晶各向异性。

附图说明

图1为公知技术的测量装置。

图2为本发明的测量装置示意图。

图3为图2中样品架的示意图。

具体实施方式

如图2所示，非线性光子晶体光纤203被固定在一个可以旋转的三维可调支架上，把飞秒激光器201的激光调节到光子晶体光纤前，确保激光的传播路线与光子晶体光纤的芯层重合，从而尽量高效率地把激光耦合到光纤中。由于激光的光斑很大，通常在毫米量级，需要一个聚焦显微物镜202把光聚焦，使光斑直径为几个微米，把大部分光都耦合进光纤中，这样，超连续光谱白光就产生了。然后用另一个收集显微物镜204来收集超连续白光，经过收集显微物镜，发散的光被变成一束准直性可以与激光媲美的平行白光，它的光斑大约为几毫米，但很容易聚焦。平行的白光照射进单色仪205经过分光后，这束光就成为波长可以调节的单色光，用超连续产生白光作光源，即用飞秒激光器201在非线性光子晶体光纤203中产生超连续光谱白光，该光源的波长范围覆盖广，强度大，准直性好，容易灵活调整，适合于磁光圆偏振二向色性测量。

尽管光子晶体光纤是保持偏振的，但这时光的起偏效率是比较低的，需要一个消光系数为10^-5的格兰-泰勒棱镜206来纯化偏振，格兰-泰勒棱镜206的偏振方向与入射光的偏振方向保持一致来获得最大的光强。接下来放置光弹调制器207，它的光轴与格兰-泰勒棱镜206的光轴成45°角，使光成为左旋和右旋交替变化的圆偏振光。然后光通过聚焦透镜212聚焦到样品上，从样品反射回来的光通过聚焦透镜215聚焦到第一光二极管探测器216上，用锁相放大器217测左旋和右旋圆偏振光的光强差，锁相放大器217的参考信号由光弹调制器的控制器208提供。样品通过样品架213放在低温磁体214的中心，通过改变从单色仪205出射光的波长测量材料的能带结构，通过改变变温磁体体统214的温度，测量材料的居里温度。样品架可以绕如图3所示的z轴旋转，调整样品和磁场的夹角。为了实时跟踪光强的起伏，在光弹调制器207后面通过一个半透半反镜209反射出来，通过聚焦透镜210聚焦到第二光二极管探测器211上实时探测光强的变化。本发明用经济耐用的光二极管探测器216探测光强的变化，光二极管探测器适用于大光强测量，在开放的强杂散光背景下不易烧坏，可以在空间中灵活放置；超连续白光是高重复频率的超短脉冲光，有很高的峰值功率，可以用于宽频谱范围的时间分辨的磁光圆偏振二向色性测量，大大方便了磁光圆偏振二向色性测量，使我们可以用磁光圆偏振二向色性测量来表征材料的磁晶各向异性。

本发明的超连续白光的方向和光二极管探测的位置可以同时灵活调整，而样品相对于磁场也容易调整角度和方位，所以我们可以构造新的磁光圆偏振二向色性测量几何，如Voigt几何、法拉第几何等，扩展磁光圆偏振二向色性的应用。

通过上述步骤，就可以得到材料的磁光圆偏振二向色性信号，变量有光波长、温度、磁场强度和测量几何构型，通过磁光圆偏振二向色性的这些依赖关系，就可以得到材料的能带结构、磁滞回线、居里温度和磁晶各向异性的信息。

Claims (6)

1.一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统，其结构为：

一飞秒激光器激发超连续光谱白光，通过一单色仪进行分光，成为波长可以调节的单色光，该单色光通过一个消光系数为10^-5的格兰-泰勒棱镜纯化偏振；

一光弹调制器，其光轴与格兰-泰勒棱镜的光轴成45°角，使光成为左旋和右旋交替变化的圆偏振光；

一样品，放在低温磁体的中心；

圆偏振光聚焦到样品上，从样品反射回来的反射光聚焦到第一光二极管探测器上；

一锁相放大器，其参考信号由光弹调制器的控制器提供，用于测左旋和右旋圆偏振光的光强差。

2.如权利要求1所述的测量系统，其中，激光器与单色仪之间光轴线上设置一光子晶体光纤，在激光器与光子晶体光纤之间设置一聚焦显微物镜，将激光器的光斑聚焦后耦合至光子晶体光纤中；单色仪与光子晶体光纤之间设置一收集显微物镜，将经光子晶体光纤传输的光转换成平行白光。

3.如权利要求1所述的测量装置，其中，格兰-泰勒棱镜的偏振方向与入射光的偏振方向保持一致，以获得最大的光强。

4.如权利要求1所述的测量装置，其中，光弹调制器与样品之间、样品与第一光二极管探测器之间各设有一聚焦透镜。

5.如权利要求1或4所述的测量装置，其中，光弹调制器与样品之间设置一个半透半反镜，反射的圆偏振光至第二光二极管探测器上实时探测光强的变化。

6.如权利要求5所述的测量装置，其中，半透半反镜与第二光二极管探测器之间设有一聚焦透镜。

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