CN101271059A - 一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，具体为一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置。该装置由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统、操作控制系统(PC机)组成，其中，光路系统依次为半导体激光器、起偏棱镜、半透半反棱镜、一检偏棱镜、一光电探测器、凸透镜、样品架、光阑、另一检偏棱镜、长焦距凸透镜和另一光电探测器组成；测量用磁场由电磁铁提供，在磁极间距为4cm时能提供最大至1.5特斯拉的磁场。本发明利用一会聚凸透镜有效地增大了光在样品表面的入射角和反射角，克服了磁极间距对激光入射角的限制，增强了纵向表面磁光克尔信号强度。本发明使得通过磁光克尔效应测量大矫顽力磁性薄膜成为可能。

Description

一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置

技术领域

本发明属于光学技术测量领域，具体涉及一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置。

技术背景

1877年John Kerr发现了磁光克尔效应，按照样品磁化强度矢量相对激光入射面和样品表面的不同，磁光克尔效应可以分为三种：纵向克尔效应、极向克尔效应和横向克尔效应[1]。1985年Moog和Bader进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线[2]。由于此方法的测量灵敏度可达到一个原子层厚度，所以成为表面磁学研究的重要方法。

下面以纵向克尔效应为例，来说明利用克尔效应测量薄膜磁性的原理。

克尔效应是指铁磁性样品的磁化状态对从其表面反射的光的偏振状态的影响，当入射光为线偏振光时，样品的磁矩会使光的偏振面发生旋转，使出射光变成椭偏光。图3是纵向克尔效应的示意图，磁性样品的磁化强度矢量位于入射面内，并平行于膜面。当一束线偏振光入射到样品表面时，在样品面内磁矩的作用下，导致出射光的偏振面相对于入射光发生了一个小角度的旋转，这个偏振面转过的角度称为克尔旋转角θ_k。这个旋转角能被检偏棱镜测量出来[1]。在实际测量过程中，如图4所示，起偏棱镜和检偏棱镜的偏振方向并不完全垂直，而是有一个小的夹角δ，目的是为了区分正负克尔旋转角。这是因为探测器只能检测光强，若两个棱镜的偏振方向互相垂直，即消光位置，无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转，反映在光强上的变化都是光强从零增大，故无法判断出射光的偏振面旋转方向，也就不能知道样品的磁化方向。而当转过一个小角度δ后，通过检偏棱镜的光有一个本底光强I₀，当出射光偏振面逆时针方向旋转，即转过+θ_k时，光强增加了ΔI_k变为I₊；反之光强减弱。

如图3所示，激光经过起偏棱镜后的偏振面平行于入射面，即为p光入射，又经过铁磁性样品表面反射，反射光中产生了一个很小的垂直于E_p的电场分量E_S，通常E_S＜＜E_p，在一阶近似下有：

$\frac{E_S}{E_p}={\mathrm{\θ}}_k+i{\mathrm{\ϵ}}_k---\left(1\right)$

其中ε_k为克尔椭偏率。

通过检偏棱镜的光强为：

I＝|E_psinδ+E_Scosδ|²  (2)

整理得到：

I＝|E_p|²(δ²+2δθ_k)   (3)

无外加磁场时本底光强为：

I₀＝|E_p|²δ²           (4)

所以克尔旋转角θ_k为：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\δ\Δ}{I}_k}{2I_0}---\left(5\right)$

(5)式也可以表示成 $\mathrm{\Δ}{I}_k=\frac{2{\mathrm{\θ}}_k{I}_0}{\mathrm{\δ}},$ 表示由克尔效应引起的光强变化ΔI_k直接反映了克尔旋转角θ_k的变化，而θ_k是磁化强度M的函数，所以测量到的光强随磁场变化的回线就对应了样品的磁滞回线。

在利用纵向克尔效应进行测量时，电磁铁所能提供的最大磁场受限于光路，所能加的外磁场一般不超过5KOe，远小于极向克尔效应所能测量的范围。电磁铁产生的外加磁场实际上是磁铁气隙产生的散磁场[3]，在铁芯的磁导率很大，且没有饱和时，磁场H的大小大致可用下式表示：

$H\≈\frac{N\·I}{d}---\left(6\right)$

其中，I为磁化电流的大小，N为线圈的匝数，d为气隙。如果要获得高的外加磁场，可以增加线圈匝数和电流，或者减小气隙。线圈的增加，无疑会增加电磁铁的体积；同是，电流的热效应是很明显的，通常需要使用循环水冷却，这将更进一步增加线圈的体积。对于极向克尔效应，由于光沿磁场方向垂直入射到样品表面，可以通过极头上的小孔入射和返回，在保证外加磁场均匀的情况下，气隙可以变得很小。对于纵向克尔效应，外加磁场方向平行于样品表面，因此光的入射和反射只能在气隙进行；这时，光的入射和反射角就会受到电磁铁结构的限制。根据前面的讨论，纵向磁光克尔效应中反射光的克尔旋转角取决于激光入射角的大小，克尔转角的最大值出现在入射角为60°的时候，约为5’，这样就需要增加磁极的气隙使光能以较大的角度入射和反射。增加气隙的长度意味着电磁铁能提供的外场减小。就我们所知，无法利用纵向磁光克尔效应测量具有高磁晶各向异性的薄膜材料沿膜面方向的磁滞回线。而测量磁性材料沿膜面方向的磁滞回线对材料研究而言是非常重要的。

上个世纪九十年代以来，磁存储技术和面记录密度的发展非常迅速，目前磁存储发展的下一个目标是实现1Tbits/in²的超高记录密度。超顺磁效应(Supermagnetism)导致的热不稳定性是今后介质材料研究中需要解决的关键问题，有效的方法是选用具有很高磁各向异性能的材料。FePt有序合金薄膜具有极高的磁晶各向异性能，K_u＝6～10×10⁶J/m³，成为介质研究的重点之一。但是，FePt基薄膜介质的高矫顽力(5KOe--15KOe)使对其磁性能的测量变得困难，对于沿垂直方向的磁滞回线，可以用极向克尔效应测量；对于沿水平方向的磁滞回线，则只能用高灵敏度的振动样品磁强计来测量。这无疑增加了研究工作的难度。同时，随着器件的小型化，硬磁薄膜材料的需求日益增加，研究和制备高磁能积的薄膜材料成为磁性薄膜材料的另一发展趋势，而在生产和研究过程中同样面临测量的问题。

本发明利用一会聚凸透镜有效地增大了光在样品表面的入射角和反射角，克服了磁极间距对激光入射角的限制，增强了纵向表面磁光克尔信号强度。这一发明使得通过磁光克尔效应测量大矫顽力磁性薄膜成为可能。

参考文献：

[1]刘湘林，刘公强，金绥更，《磁光材料和磁光器件》，p23，北京科学技术出版社，北京，1990

[2]E.R.Moog and S.D.Bader，Superlattices.Microstruct.1，p543(1985)

[3]周文生，《磁性测量原理》，p27，电子工业出版社北京，1988)

发明内容

本发明的目的在于提供一种探测灵敏度高、稳定性好的磁光克尔效应测量装置。

本发明提出的磁光克尔效应测量装置，由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统和PC机经电路连接组成，如图1所示，所述光路系统如下：激光器1发出的激光经过起偏棱镜2，再经过半透半反棱镜3，激光被分成两束，其中，一束作为参考光经过检偏棱镜4，直接射入光电探测器5，然后信号接入PC机15；另一束透射光进入凸透镜6，凸透镜6下面为样品架7，透射光经过样品反射，经过光阑8，再经过另一检偏棱镜9、长焦距凸透镜10，射入另一光电探测器11，然后采集信号送入PC机15，同时也送入数字电压表12；凸透镜6和样品架7设置于电磁铁13中间，程控磁铁电源14与电磁铁13连接，并受PC机15控制，PC机15通过其操作控制系统接收光路信号，并控制程控磁铁电源14。

本发明中，凸透镜6的直径为25-60mm，焦距在25-60mm之间，凸透镜6到样品架上样品的距离为35-50mm。

本发明中，电磁铁13的磁极间距35-80mm可调。

本发明中，电磁铁为样品提供的均匀磁场能超过10KOe，根据不同的透镜和电磁铁搭配，最大磁场为1.5--2.0特斯拉，能够测量高矫顽力磁性样品。

纵向表面磁光克尔效应测量的是薄膜样品的面内磁矩。在实际的测量中，很多样品的面内矫顽力很大，比如FePt薄膜样品的面内矫顽力大于5KOe，需要很大的磁场(≥10KOe)才能测到完整的面内磁滞回线。如前所述，要提高磁场，电磁铁的磁极间距必须缩小。在本装置中，当磁极间距缩小到4cm时能提供最大至1.5特斯拉的磁场强度。同时，要获得很好的测量效果，就要增大纵向克尔信号强度，根据纵向克尔效应的性质，纵向克尔旋转角在0°即垂直入射时为零，在60°时达到最大，所以本装置中的光路就要尽可能使得激光以大的角度入射。图2是磁极附近的放大图，当左右两个磁极靠的很近的时候，入射激光的角度范围是很受限制的，不超过10°，如虚线所示入射角为θ₂。如果在起偏棱镜和样品之间加一短焦距的透镜之后，由于透镜的会聚作用，使得激光入射角θ₁增加到21°，如实线所示。

本发明中用直径为25--60mm的凸透镜，焦距可在25-60mm之间。在样品前增加一个聚焦凸透镜可以有效增大激光入射角，从而增加纵向克尔效应的信号强度，大大提高探测的精确性和灵敏度。

本发明中，为了增加激光的入射角，在条件允许的条件下，可以尽可能地减小凸透镜的焦距，使凸透镜和样品贴近。在这种情况下，凸透镜放在磁极附近，处于很强的均匀磁场中，所以必须考虑凸透镜由于法拉第效应引入的激光偏振面的旋转角θ_F，相当于在克尔旋转角θ_k的基础上增加了一个旋转角θ_F，即在克尔信号上又叠加了一个法拉第信号。法拉第效应是1845年由Michael Faraday发现的，该效应表明玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。法拉第效应是磁场引起介质折射率变化而产生的旋光现象，实验结果表明，光在磁场的作用下通过介质时，光波偏振面转过的角度θ_F与光在介质中通过的长度L及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即

θ_F＝VBL    (6)

式中V成为费尔德常数，对于玻璃其值从3×10²～3×10³不等。

如图5所示，在平行样品表面方向加了一个磁场，磁感应强度B，激光经过凸透镜入射样品表面，反射后再次经过凸透镜，两次经过凸透镜的过程中都会产生法拉第效应，第一次经过透镜的法拉第旋转角θ_F1可以表示为

θ_F1＝VBl＝VB(ttanβ)(7)

其中l为激光在玻璃中通过的长度在磁场方向的投影，t近似为凸透镜在激光通过位置的厚度。

由于激光两次在凸透镜中的路程在磁场方向的投影分量是一样的，所以两次法拉第效应大小相等并且相互叠加，所以总的法拉第旋转角为

θ_F＝2VBl＝2VB(ttanβ)(8)

由于在磁极附近增加了一个凸透镜，激光经过凸透镜时会产生法拉第效应，引入法拉第旋转角，所以激光到达检偏棱镜时偏振面转过的角度实际上是克尔旋转角θ_k和法拉第旋转角θ_F之和，即θ＝θ_k+θ_F，故光电探测器探测到的光强变化也是由克尔效应和法拉第效应两部分的贡献组成，即

$\mathrm{\ΔI}=\mathrm{\Δ}{I}_k+\mathrm{\Δ}{I}_F=\frac{2I_0({\mathrm{\θ}}_k+{\mathrm{\θ}}_F)}{\mathrm{\δ}}---\left(9\right)$

又计算机采集到的信号即探测器输出电压U 正比于激光光强I，所以电压信号的变化ΔU也是由克尔效应和法拉第效应分别引起的电压变化ΔU_k和ΔU_F组成，即

ΔU＝ΔU_k+ΔU_F    (10)

根据式(8)和式(9)，ΔI_F可表达为

$\mathrm{\Δ}{I}_F=\frac{4I_0\mathrm{Vl}}{\mathrm{\δ}}\·B---\left(11\right)$

即由法拉第效应引起的激光光强变化正比于凸透镜处的磁感应强度B，又电压信号正比于激光光强，故由法拉第效应引起的电压变化ΔU_F也正比于磁感应强度，即ΔU_F∝B。

为了从采集到的电压信号中最终还原得到纵向克尔信号，就要减去法拉第效应的部分，即ΔU_k＝ΔU-ΔU_F，但由于很难精确计算ΔU_F的值，所以本发明中采用定标的方法。即设

ΔU_F＝k·B    (12)

只要定标出k的值就可以得到ΔU_F的大小。

本发明中，在磁极间距为4cm时测量了一组Fe薄膜样品，变换扫场电流从10A～30A，即扫场范围从0.4T～1.2T，如图6(a)所示列举了15A、25A和30A的三个磁滞回线，可以看到磁滞回线有一个向下倾斜的趋势，这就是由法拉第效应引起的。如图6(b)拟合出了磁滞回线倾斜的斜率，即式(12)中的k值。如图7所示标出了5个斜率，除了10A时的斜率值略小外，基本都很接近，而第一个斜率值误差较大的原因可能由于10A时的数据点最少导致的，由这些斜率值得到平均的k值，k＝-0.00355。

根据得到的k值就可以算出ΔU_F，然后在电压信号中减去ΔU_F就可以还原出纵向克尔信号，如图8所示就是高矫顽力FePt薄膜样品还原前后的磁滞回线。图8(a)表示在20A和35A的扫场下测得的原始回线，图8(b)表示经过还原后得到的纵向克尔磁滞回线。可以看到还原的效果基本上消除了法拉第效应引起的变化。

由于本发明使用半导体激光，没有二级稳压电源，所以激光输出功率会随着时间缓变，可能影响测量精确度，为了补偿这一误差，本发明中使用了参考光来消除这个效应。即在起偏棱镜后增加了一个半透半反射棱镜，使经过起偏棱镜后的激光分成两束，一束作为参考光经过检偏棱镜直接入射光电探测器，当激光输出功率发生变化时，参考光的功率也会相应变化，我们在计算过程中将克尔信号除以参考光变化系数便可以消除激光功率漂移带来的影响。

本发明虽然为纵向磁光克尔效应测量装置，但仍具有较高的探测灵敏度，根据δ≈3°，ΔI和I₀分别对应电压输出通常为5mV和2000mV，代入(5)式得θ_k＝0.00375°，即约为千分之四度，又由于纵向克尔信号通常要比极向克尔信号小一个数量级，所以测量数据的准确性和可靠性是值得信赖的。

附图说明

图1为本发明的测量装置结构图。

图2为磁极附近光路的局部放大示意图。

图3为纵向表面磁光克尔效应原理图。

图4为磁光克尔效应起偏、检偏示意图。

图5为法拉第效应示意图。

图6为在不同的外加磁场条件下测量的Fe薄膜样品的磁滞回线。

图7为法拉第效应系数k值示意图。

图8为高矫顽力FePt薄膜样品原始磁滞回线及扣除透镜法拉第效应后克尔磁滞回线。

图中标号：1为激光器，2为起偏棱镜，3为半透半反棱镜，4为一检偏棱镜，5为一光电探测器，6为凸透镜，7为样品架，8为光阑，9为另一检偏棱镜，10为长焦距凸透镜，11为另一光电探测器，12为数字电压表，13为电磁铁，14为磁场扫描电源，15为PC机。

具体实施方式

本测量装置主要由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统和PC机组成。

本发明中激光器1采用的是半导体激光器，波长λ＝670nm，激光经过起偏棱镜2后的偏振面平行于入射面，即以p光入射。为了增大入射角，在样品前加一凸透镜6，凸透镜6焦距约4cm，直径3cm，凸透镜6离样品架距离范围在3.5～5.0cm之间，可以调整会聚到样品表面的激光光斑大小。透镜架用铜和铝加工而成以保证在磁场下透镜架的稳定性，并且底部嵌有磁盘以固定在电磁铁13上。样品架也用铜和铝加工而成，以悬挂的方式固定在大电磁铁上，并可微调位置和俯仰、侧倾的角度，样品以气吸的方式吸附在样品架7上。激光以15°-25°左右入射角入射至样品表面反射后，再经过凸透镜6出射，先经过光阑8去除光斑边缘的散斑，再经过另一检偏棱镜9并由一长焦距透镜10将激光聚焦到光电探测器11中。光电探测器11的输出范围为0～7000mV，信号由一转换接头分为两路，一路接至数字电压表12，直接读出信号强度并以此在测量前对检偏棱镜进行角度微调使激光光强I₀的输出电压保持在2000mV左右；另一路直接接入PC机15并经由模/数转换卡转换至数字信号，采集得到磁滞回线。

操作控制系统包括信号采集和磁场扫描电源控制两部分，工作原理是PC机输出指令至程控电源控制电源的输出，输出电流范围0～38A，同时经过A/D卡采集电压信号并绘出完整的磁滞回线图。

Claims (3)

1、一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置，其特征在于该装置由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统和PC机组成，所述光路系统如下：激光器(1)发出的激光经过起偏棱镜(2)，再经过半透半反棱镜(3)，激光被分成两束，其中，一束作为参考光经过检偏棱镜(4)，直接射入光电探测器(5)，信号接入PC机(15)；另一束透射光进入凸透镜(6)，凸透镜(6)下面为样品架(7)，透射光经过样品反射，经过光阑(8)，再经过另一检偏棱镜(9)、长焦距凸透镜(10)，射入另一光电探测器(11)，然后采集信号送入PC机(15)，同时也送入数字电压表(12)；凸透镜(6)和样品架(7)设置于电磁铁13)中间，程控磁铁电源(14)与电磁铁(13)连接，并受PC机(15)控制，PC机(15)通过其操作控制系统接收光路信号，并控制程控磁铁电源(14)。

2、根据权利要求1所述的纵向表面磁光克尔效应测量装置，其特征在于所述电磁铁为样品提供的均匀磁场能超过10KOe，最大磁场为1.5--2.0特斯拉。

3、根据权利要求1所述的纵向表面磁光克尔效应测量装置，其特征在于所述凸透镜的直径为25--60mm，焦距在25--60mm之间。

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