CN101776575B - 一种线性及非线性磁光克尔测量系统 - Google Patents

一种线性及非线性磁光克尔测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线性及非线性磁光克尔测量系统，包括：一超短脉冲激光器；一带有光学窗口的氦气闭循环制冷机用以控制样品的温度；一气隙和磁场大小可调的电磁铁；一激光泵浦光路把激光器的输出激光引入并聚焦到制冷头内的样品表面来激发样品；一激光探测光路，激光器输出的一束激光被样品反射后，其偏振面发生旋转；一线性克尔信号收集光路收集探测光的基频信号；一非线性克尔信号收集光路接收探测光的倍频信号；一锁相放大器信号采集系统，把信号滤波放大后送给计算机处理；一光斑监视系统，用来精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度。利用本发明提供的这种线性及非线性磁光克尔测量系统，可同时调节样品感受到的磁场强度和温度，实现可变温的稳态以及时间分辨动态线性与非线性磁光克尔效应测试。

Description

一种线性及非线性磁光克尔测量系统
技术领域
本发明涉及一种用于测量磁性金属、半金属、半导体薄膜材料以及低维量子结构的时间分辨线性及非线性磁光克尔测量系统。
背景技术
半导体自旋电子学由于具有常规电子学无法比拟的优点而受到了人们广泛的重视。自旋极化以及其动态演化过程的研究是自旋电子学基础物理研究的重要部分。实验上对该问题的研究主要是利用时间分辨磁光克尔旋转技术实现的。其原理是：一束线偏振激光入射到所研究的材料上，由于光子与物质的电子自旋磁矩相互作用产生磁光效应，即材料的折射率发生变化，导致反射后的激光偏振面发生旋转，旋转角即为克尔旋转角。克尔旋转角的大小正比于材料的磁化强度。而对于非磁性半导体，引入圆偏振泵浦光产生自旋极化的载流子，克尔旋转角随着探测光的延迟而振荡，克尔旋转角的大小直接反映了电子自旋的极化度以及自旋在磁场下的相干进动过程。线性磁光克尔测量只能得到薄膜块体平均的磁信息，而无法测量薄膜表面、界面几个原子层内的相关信息。两种不同材料的界面由于存在很大的导电性质差异，因而对自旋通过铁磁性/半导体异质结构时的输运影响很大，直接决定着自旋注入的效率。因此研究界面散射对自旋输运的影响是实现半导体自旋电子器件的关键问题。非线性磁光克尔效应，即磁场引起或增强的二次谐波探测是一种对表面、界面非常敏感的测量技术。对于中心反演对称晶体，在表、界面处反演对称性破缺，可以产生非常大的非线性磁光响应。对于非中心反演对称晶体，可以利用入射、出射光不同的偏振组合，区别晶体本身或磁场引起的二次谐波响应。利用泵浦-探测技术可以得到异质结界面处磁激发的动态响应。
磁场和温度是磁性半导体材料研究中常用的外微扰条件。在光学实验中引入磁场等参数可以增加许多信息，这使得磁光光谱成为表征(磁性)半导体、铁磁薄膜以及半金属材料物性的重要手段。通常情况下，是把样品放置在样品架上，然后把它们浸入到液氦杜瓦中来测量的，因而连续改变样品的测试温度以及磁场的大小是比较困难的。如何把磁场和温度这两个重要的实验参数在磁光光谱测试中有机地结合起来，以及如何区分磁性半导体薄膜中体材料与表、界面不同的自旋激发和磁化信息，是磁光光谱技术期待解决的重要问题之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的是提供一种线性及非线性磁光克尔测量系统，以同时测量磁性半导体薄膜材料的时间分辨线性与非线性磁光克尔效应，以及测量稳态和动态的自旋极化随时间演化相关信息。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种线性及非线性磁光克尔测量系统，该系统包括：
一超短脉冲激光器，其出射激光用于泵浦和探测样品的线性及非线性磁光克尔效应；
一氦气闭循环制冷机，用于控制样品的温度，样品放置于其带光学窗口的制冷头中；
一气隙和磁场大小可调的适用于磁光测量的电磁铁，提供用于磁光克尔效应测量的磁场；
一激光泵浦光路，用于激发样品，使样品处于非平衡态，激光器出射的激光经偏振分光器透射后，经过反射镜，聚焦透镜垂直聚焦在样品表面上；
一激光探测光路，用于探测样品信号，激光器出射的激光经偏振分光器反射后，经过反射镜、平移装置、聚焦透镜聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线夹角为30度，探测束光斑与泵浦束光斑中心重合，探测束光斑的面积小于泵浦束光斑的面积；
一光斑监视系统，用于精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度以及它们在样品上的位置；
一线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为基频信号的线性克尔信号被二向色反射镜反射，然后经聚焦透镜聚焦，穿过
Figure GSA00000016566600031
波片，由沃拉斯顿棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，最后被光桥接收；
一非线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为倍频信号的非线性克尔信号透过二向色反射镜，其中混入的基频信号被带通滤光片进一步过滤，穿过
Figure GSA00000016566600032
波片，然后经聚焦透镜聚焦，进入单色仪，经单色仪选频后的纯倍频信号，最后由光电倍增管来探测；
一锁相放大器信号采集系统，其中的斩波器为锁相放大器提供参考信号，线性克尔信号和非线性克尔信号接入锁相放大器经滤波放大后，通过GPIB数据采集卡，最后送给计算机处理数据。
上述方案中，所述激光器为掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，脉冲宽度为200fs，脉冲间隔为13ns。
上述方案中，所述激光器出射的激光强度由衰减器连续调节，泵浦光和探测光的相对强度用
Figure GSA00000016566600033
波片调节，控制在10∶1以上。
上述方案中，所述制冷机提供的温度在7.5K至350K连续可变。
上述方案中，通过LabVIEW程序自动控制，使磁场从-1T到+1T范围内连续扫描，磁场的正反方向可自动切换。
上述方案中，所述泵浦光的偏振态由
Figure GSA00000016566600034
波片调为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，或者由波片调为S偏振或P偏振。
上述方案中，所述探测光的偏振态由
Figure GSA00000016566600036
波片调为S偏振或P偏振。
上述方案中，所述光斑监视系统包括CCD摄像头和监视器。
上述方案中，所述为锁相放大器提供参考信号的斩波器可用光弹调制器来替换。
(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线性及非线性磁光克尔测量系统，可同时调节样品感受到的磁场强度和温度，实现可变温的稳态以及时间分辨动态线性与非线性磁光克尔效应测试。
2、本发明提供的这套线性及非线性磁光克尔测量系统，具有结构简单、调节方便以及信噪比高等特点。在做瞬态测量时，把斩波器加到泵浦光路中；做稳态测量时，只需要挡住泵浦光，再把斩波器加到探测光路即可。
3、本发明可以同时调节样品所处的温度和磁场，并且利用这一集成系统可以对材料磁激发以及自旋动力学的体效应与界面效应同时测量并做平行比较，非常有利于对低维半导体材料和磁性半导体半金属材料进行磁光克尔效应的研究。
附图说明
为进一步了解本发明的具体技术内容，下面结合附图及实例详细说明如后，其中：
图1是本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统的结构简图。
图2是利用本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统在不同温度下测试的稀磁半导体(Ga，Mn)As的时间分辨克尔旋转谱。
图3是利用本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统在常温下测试的Fe膜的随方位角变化的二次谐波信号。
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。
下面通过上述附图阐述本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统。
请参阅图1，图1是本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统的结构简图，该系统包括：
一皮秒/飞秒脉冲激光器LS，其输出波长680nm到980nm连续可调，重复频率76MHz，功率900mW。出射激光用于泵浦和探测样品S的线性及非线性克尔信号。该激光器LS出射的激光被两个定位小孔P1和P2精确定位，便于多次重复测量；
一激光泵浦光路，用来激发样品，使样品处于非平衡态。激光器LS出射的激光经偏振分光器BS透射后，经过反射镜M1，M2，聚焦透镜L2垂直聚焦在样品表面上，光斑大小约为100um。其偏振态可以由
Figure GSA00000016566600051
波片W3调为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，或者由
Figure GSA00000016566600052
波片调为S偏振或P偏振；
一激光探测光路，用来探测样品信号。激光器LS出射的激光经偏振分光器BS反射后，经过反射镜M3，平移装置DL，反射镜M4，聚焦透镜L1聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线夹角为30度。探测束光斑与泵浦束光斑中心重合，大小略小于泵浦束光斑。其偏振态可以由波片W2调为S偏振或P偏振。平移装置DL由计算机来控制，最小分辨率为1.25um，最大行程为20cm。对应的光学延迟最小分辨率约为8.3fs，最大光学延迟为1.3ns；
一光斑监视光路MT，由CCD摄像头、焦距为50mm的镜头以及监视器组成。通过调节光圈个数可以将光斑放大50至100倍，用来精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度以及它们在样品上的位置；
一电磁铁EM，包括电源箱(可以产生-75A到75A的电流)和冷却水系统。适当调节电磁铁两极间的气隙大小，在配置了低温液氦杜瓦后可以产生±1T的磁场，其大小由高斯计测出。通过计算机控制可以连续扫描磁场，最小扫描步长约为3Gauss；
一制冷机CT，包括闭循环氦气装置、冷头、温控仪和冷却水系统。样品S放置于制冷头中，温度在7.5K至350K连续可控。
一线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜M5、M6反射后，基频信号(即线性克尔信号)被二向色反射镜(即对基频信号反射，而对倍频信号透射)DM反射，然后经聚焦透镜L3聚焦，穿过
Figure GSA00000016566600061
波片W4，由沃拉斯顿棱镜WS分解成偏振相互垂直的两束光，最后被光桥OP接收。波片W4用来调节初始时光桥的平衡。
一非线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜M5、M6反射后，倍频信号(即非线性克尔信号)被二向色反射镜DM透射，倍频信号中混入的基频信号经带通滤光片FT进一步过滤，通过
Figure GSA00000016566600063
波片W5，然后经聚焦透镜L4聚焦，进入光栅位置设置在倍频信号波长的单色仪MC，最后由光电倍增管PM收集信号。W5被安装在可用计算机控制的转动平移台上，用来设定不同的探测信号偏振态配置。
一锁相放大器信号采集系统，斩波器CP为锁相放大器提供参考信号，线性克尔信号和非线性克尔信号接入锁相放大器经滤波放大后，通过GPIB数据采集卡，最后送给计算机PC处理数据。为锁相放大器提供参考信号的斩波器也可以换成光弹调制器。做稳态测量时斩波器放在探测光路上，而做瞬态测量时斩波器放在泵浦光路上。
图2是利用本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统在不同温度下测试的稀磁半导体(Ga，Mn)As的时间分辨克尔旋转谱，所加磁场为1T。可以看出所得到的信号信噪比很高。温度和磁场便于调节。
图3是利用本发明提供的线性及非线性磁光克尔测量系统在室温下测得的磁场沿Fe膜不同晶向时的二次谐波响应信号，反映了分子束外延生长在GaAs衬底上10nm厚的Fe膜具有四重对称磁各向异性。
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 (9)

1.一种线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，该系统包括：
一超短脉冲激光器，其出射激光用于泵浦和探测样品的线性及非线性磁光克尔效应；
一氦气闭循环制冷机，用于控制样品的温度，样品放置于其带光学窗口的制冷头中；
一气隙和磁场大小可调的适用于磁光测量的电磁铁，提供用于磁光克尔效应测量的磁场；
一激光泵浦光路，用于激发样品，使样品处于非平衡态，激光器出射的激光经偏振分光器透射后，经过反射镜，聚焦透镜垂直聚焦在样品表面上；
一激光探测光路，用于探测样品信号，激光器出射的激光经偏振分光器反射后，经过反射镜、平移装置、聚焦透镜聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线夹角为30度，探测束光斑与泵浦束光斑中心重合，探测束光斑的面积小于泵浦束光斑的面积；
一光斑监视系统，用于精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度以及它们在样品上的位置；
一线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为基频信号的线性克尔信号被二向色反射镜反射，然后经聚焦透镜聚焦，穿过
Figure FSB00000431883100011
波片，由沃拉斯顿棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，最后被光桥接收；
一非线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为倍频信号的非线性克尔信号透过二向色反射镜，其中混入的基频信号被带通滤光片进一步过滤，穿过
Figure FSB00000431883100012
波片，然后经聚焦透镜聚焦，进入单色仪，经单色仪选频后的纯倍频信号，最后由光电倍增管来探测；
一锁相放大器信号采集系统，其中的斩波器为锁相放大器提供参考信号，线性克尔信号和非线性克尔信号接入锁相放大器经滤波放大后，通过GPIB数据采集卡，最后送给计算机处理数据。
2.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述激光器为掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，脉冲宽度为200fs，脉冲间隔为13ns。
3.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述激光器出射的激光强度由衰减器连续调节，泵浦光和探测光的相对强度用
Figure FSB00000431883100021
波片调节，控制在10∶1以上。
4.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述制冷机提供的温度在7.5K至350K连续可变。
5.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，通过LabVIEW程序自动控制，使磁场从-1T到+1T范围内连续扫描，磁场的正反方向可自动切换。
6.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述泵浦光的偏振态由
Figure FSB00000431883100022
波片调为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，或者由
Figure FSB00000431883100023
波片调为S偏振或P偏振。
7.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述探测光的偏振态由
Figure FSB00000431883100024
波片调为S偏振或P偏振。
8.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述光斑监视系统包括CCD摄像头和监视器。
9.根据权利要求1所述的线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，所述为锁相放大器提供参考信号的斩波器采用光弹调制器来替换。
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