CN101806623A - 一种多功能反射式磁光光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能反射式磁光光谱测量系统，使用超连续白光光源、光栅单色仪、若干偏振镜片、光弹调制器、宽带1/4与1/2波片、消偏振分光棱镜(NPBS)、单端与差分探测器以及OXFORD低温超导磁体系统，组成结构灵活可变的光谱探测系统，可以在同一光路上实现反射式磁圆二向色性(MCD)、极向磁光克尔效应、偏振反射光谱以及磁线二向色性(MLD)的测量。该系统灵敏度高，可用于基础物理研究、材料特性分析和偏振调制光通信等诸多领域。

Description

一种多功能反射式磁光光谱测量系统

技术领域

本发明涉及磁光光谱探测技术领域，尤其涉及一种多功能反射式磁光光谱探测系统。

背景技术

由于很多物质存在法拉第效应与克尔效应，因此磁光光谱探测系统具有广泛的应用：如生物学中观察分子的光学性质、半导体/金属材料的能带研究、光通信中的偏振调制研究等。反射式磁光光谱测量系统与透射式测量系统相比，能对不透明的样品进行测量，并且配置结构灵活，因此适用场合更广。

MCD全称为磁圆二向色性，即在磁场下，物质对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收率不同的现象。克尔效应是指在磁场下，垂直入射的线偏振光经样品反射后，反射光的偏振面相对入射光发生旋转的现象。磁线二象色性英文缩写为MLD，是指在磁场下，样品对不同偏振面的垂直入射线偏振光吸收率不一样的现象。磁光偏振反射谱指在磁场下，样品对不同偏振状态的垂直入射光束在改变波长(或磁场)时，反射光强构成的连续光谱。这些现象与法拉第磁旋光效应是同源的，它们本质上反应了样品的折射率张量在磁场中的变化。

在磁光测量系统中，磁场、光束的偏振状态是最关键的两个要素。通过改变磁场大小以及光束的偏振状态，在探测器端能得到不同的响应，进而分析出样品的能带结构、磁学性质等重要物理信息。

通常磁光光谱测量系统分为透射式和反射式两种，透射式磁光光谱测量系统需要具备四个(或两个对称开口)的低温超导杜瓦，其价格昂贵，并且无法测量不透明样品的磁光光谱。同时，大部分反射式磁光光谱测量系统基于电磁铁和氦循环制冷机，的测量目的较为单一，配置方案不灵活，信噪比较差，并且无法同时改变温度和磁场大小。

如何设计一种多功能、高信噪比，并且可以灵活改变温度、磁场、波长、偏振状态的反射式磁光光谱测量系统，是各磁学、光学实验室期待解决的重要技术问题之一。

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多功能反射式磁光光谱测量系统，用于测量磁圆二向色性(MCD)、磁光克尔效应、磁线二向色性(MLD)以及磁光偏振反射谱。在测量过程中，可以根据实验需要灵活地改变波长、磁场大小、探测光偏振状态以及样品的温度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种多功能反射式磁光光谱测量系统，该系统包括：

一超连续白光光源，其出射光经过单色仪后作为样品测试光源；

一单色仪，用于对超连续白光光源的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；

一斩波器，用于对光源进行斩波调制，实时监测光强变化，并作为参考信号源探测偏振反射光谱；

一到二偏振片，用于偏振滤波；

一光弹调制器PEM，用于将起偏器出射的线偏光变为偏振调制光；

一50∶50消偏振宽带分光棱镜，用于将入射光分解为沿原传输方向和垂直于原传输方向的两束光；

一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦，用于提供用于磁光光谱的磁场，致冷机放置样品的致冷头能深入超导磁体杜瓦的室温孔洞中；

两个致冷头铜座，其中一个放置样品的平面与超导磁体杜瓦的磁场方向垂直；另一个则带有一段与超导磁体磁场方向相平行的立面用于粘贴样品，铜座上面向该立面固定一块带45°斜边的保偏反射棱镜；

一到二单端探测器和一差分探测器，单端探测器用于探测反射光的光强，直接探测MCD和偏振反射谱；差分探测器用于探测通过反射光通过沃拉斯顿棱镜后形成的两束光的差值，探测克尔效应以及磁线二向色性；

一沃拉斯顿棱镜，放置于宽带1/2波片后方，将反射光分解为偏振面互相垂直的两束偏振光；以及

一宽带1/4波片与一宽带1/2波片，宽带1/4波片用于测量偏振反射谱，置于光弹制器的位置；宽带1/2波片放置于沃拉斯顿棱镜之前并与之联合使用，用于差分探测器平衡位置调节。

上述方案中，所述50∶50宽带消偏振分光棱镜将入射光分解为传播方向相互垂直的两束光，其中垂直于原传播方向的一束光直接送进第一个探测器，实时探测光强变化；沿原传播方向的另一束光则作为探测光照射到样品上，它被样品表面反射回来后再次被棱镜分束，其中一束作为实验信号被送往第二个探测器。

上述方案中，所述两束光光强相等，且偏振方向与入射光保持一致。

上述方案中，所述两个致冷头铜座，其中一个放置样品的平面与超导磁体杜瓦的磁场方向垂直；另一个则在顶端挖出45度斜坡的直角边楔形槽，斜坡边蒸镀上银膜作为反射镜，直角边则用于放置样品。

上述方案中，所述两个铜座可互换，分别测量样品平面与磁场垂直以及样品平面与磁场平行时的磁光光谱。

上述方案中，所述光弹调制器与宽带1/4波片、单端探测器与差分探测器能够互换，从而在一套光路上实现多种磁光光谱探测。

上述方案中，所述斩波器用于实时监测入射光的光强变化，以实时除去光强变化对信号的影响，得到较为精确的磁光光谱。

上述方案中，如果反射光的偏振方向有所变化，所述沃拉斯顿棱镜将反射光分解为偏振面互相垂直的两束偏振光的强度对比将发生变化。

上述方案中，该系统还包括：由两台锁相放大器以及电脑构成的数据处理与存储系统。

(三)有益效果

本发明提供的多功能反射式磁光光谱测量系统，配置灵活、适应面广、精确度高，针对不同的样品和不同的测量要求，有如下优点：

1)、通过程序调节单色仪，可以在较宽波长范围内获得较高分辨率的单色探测光，即扫描磁光光谱。

2)、通过改变偏振元件(光弹调制器或宽带λ/4波片)，可以获得不同类型的单色偏振光；再结合不同的样品配置(垂直或平行于磁场)，可以测量不同种类的磁光光谱。在改变测量类型时，只需要改变偏振元件或样品底座，并辅以调整探测光路，十分简便。

3)、使用50∶50消偏振分束棱镜，既可以引入实时光强监测，又同时解决了小样品腔条件下，垂直入射的反射式磁光光谱探测的困难。一方面使探测系统占用空间较小，另一方面使得小型液氦杜瓦也可以完成大型对称开口的液氦杜瓦的实验功能，节省了设备购买经费。

4)、使用分离式低温超导磁体产生磁场，使得磁场能从-5T到+5T线性可调，能非常方便地扫描样品的磁滞回线。同时，样品腔的温度可根据实验需要，从3K到350K之间线性调节，适用于覆盖低温到常温范围的磁学、光学实验。

5)、具备较好的扩展性能。特别是要获得高分辨率的磁光微区光谱时，只需要在NPBS下方固定显微物镜镜头及其支架即可。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施案例对本发明作详细描述，其中：

图1是MCD测量的实验装置配置图，其中样品平面与磁场方向、入射光方向垂直。当把光弹调制器换成宽带1/4波片，且两锁相放大器参考信号输入端均接到斩波器信号输出端时，变为测量磁光偏振反射谱的实验装置配置；

图2是测量极向磁光克尔效应的实验装置配置图，样品平面与磁场方向入射光方向垂直；

图3是测量平行配置MCD的样品腔配置图，其中样品平面与磁场方向入射光方向均平行，其余实验配置与图1一致；测量MLD时样品腔也采用这一配置；

图4是本装置实测到的MCD光谱(GaMnAs样品，磁场为正负1T，波长范围从520到940nm)；

图5是本装置实测到的MCD磁滞回线(同一GaMnAs样品，波长为810nm)。

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。

本发明提供的多功能反射式磁光光谱探测系统，利用OXFORD的分立式液氦杜瓦与低温超导磁体系统、广谱白光光源、单色谱仪、光弹调制器、若干偏振光学镜片，以及光电探测器、锁相放大器和计算机，搭建了一种集磁圆二向色性(MCD)、极向磁光克尔效应、磁线二向色性(MLD)以及磁光偏振反射光谱等多种测量功能于一体的多功能反射式磁光光谱探测系统。

本发明提供的多功能反射式磁光光谱探测系统，使用超连续白光光源、光栅单色仪、若干偏振镜片、光弹调制器、宽带1/4与1/2波片、消偏振分光棱镜(NPBS)、单端与差分探测器以及OXFORD低温超导磁体系统，组成结构灵活可变的光谱探测系统，可以在同一光路上实现反射式磁圆二向色性(MCD)、极向磁光克尔效应、偏振反射光谱以及磁线二向色性(MLD)的测量。该系统灵敏度高，可用于基础物理研究、材料特性分析和偏振调制光通信等诸多领域。

本发明使用超连续白光光源，可以获得波长范围覆盖500nm到2000nm的准连续近准直白光。白光光源出射光通过单色仪后，可以获得近准直单色光。这一单色光通过格兰-泰勒棱镜，变为线偏振光。之后，通过配置偏振元件，以及样品腔中样品的位置(利用不同几何结构的底座)，即可分别测量不同的磁光光谱，具体如下：

1、磁圆二向色性(MCD)配置

在偏振片后，使用光弹调制器作为偏振元件，并使之置于λ/4模式，光弹调制器后面的光束变为以50KHz频率左旋-右旋交替变化的单色光。样品腔内使用磁场与样品垂直或平行配置的底座，从光弹调制器透射出来的光，经过样品反射后，由于样品对左旋和右旋圆偏振光的吸收率不同，变为光强以50KHz频率为周期变化的光，再通过NPBS反射到单端探测器。探测器把周期变化的光强信号转换为周期变化的电压信号，送到锁相放大器，锁相放大器的参考信号由光弹调制器提供。经过内部运算后，锁相放大器的输出信号即左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的反射率之差。另一台锁相放大器用于监测光强变化，其参考信号为斩波器的输出，两者之商即为归一化的MCD信号，它剔除掉了光强漂移带来的干扰。

2、极向磁光克尔效应配置

在偏振片后，使用光弹调制器作为偏振元件，并使之置于λ/2模式，光弹调制器后面的光束变为以100KHz频率，且在光弹调制器之后加入另一块偏振片，两偏振片的光轴相互垂直，使得光束变为以100KHz为频率、强度交替变化的线偏振光。样品腔内使用样品平面垂直于磁场方向的底座。从光弹调制器透射出来的光，经过样品反射后，由于相互垂直的线偏振光的克尔角不一样，变为克尔角以100KHz频率为周期变化的光。反射光路上依次放置宽带1/2波片、沃拉斯顿棱镜、双眼差分探测器。通过调节1/2波片与沃拉斯顿棱镜的偏置角度，可以预先确定一个平衡点(沃拉斯顿棱镜后面的两束光光强相等，差分探测器输出为零)，若反射光的克尔角有变化，则差分探测器的输出实时反映了这一变化。差分探探测器把周期变化的光强信号转换为周期变化的电压信号，送到锁相放大器，锁相放大器的参考信号由光弹调制器提供。经过内部运算后，锁相放大器的输出信号即相互垂直的线偏振光的克尔角之差。另一台锁相放大器用于监测光强变化，其参考信号为斩波器的输出，两者之商即为归一化的极向克尔信号，它剔除掉了光强漂移带来的干扰。

3、磁线二向色性(MLD)配置

在偏振片后，使用光弹调制器作为偏振元件，并使之置于λ/2模式，光弹调制器后面的光束变为以100KHz频率，且在光弹调制器之后加入另一块偏振片，两偏振片的光轴相互垂直，使得光束变为以100KHz为频率、强度交替变化的线偏振光。样品腔内使用样品与外磁场平行配置的底座。从光弹调制器透射出来的光，经过样品反射后，由于相互垂直的线偏振光的吸收率不一样，变为强度以100KHz频率周期变化的光。反射光通过NPBS反射到单端探测器，探测器把周期变化的光强信号转换为周期变化的电压信号，送到锁相放大器，锁相放大器的参考信号由光弹调制器提供。经过内部运算后，锁相放大器的输出信号即朴素垂直的线偏振光的反射率之差。另一台锁相放大器用于监测光强变化，其参考信号为斩波器的输出，两者之商即为归一化的MLD信号，它剔除掉了光强漂移带来的干扰。

4、磁光偏振反射谱配置

在偏振片后，使用宽带λ/4波片作为偏振元件，它使线偏振光变为纯粹的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。样品腔内使用样品与磁场垂直配置的底座，从λ/4波片透射出来的光，经过样品反射后，再通过NPBS反射到单端探测器。由于样品在不同波长或是不同磁场下，对特定方向的圆偏振光的吸收率不一样，因此扫描探测光波长或磁场可以得到样品的磁光圆偏振反射谱。探测器把随波长或磁场变化的光强信号转换为同步变化的电压信号，送到锁相放大器，锁相放大器的参考信号由斩波器提供。经过内部运算后，锁相放大器的输出信号即特定波长的磁光偏振反射谱。另一台锁相放大器用于监测光强变化，其参考信号也为斩波器的输出，两者之商即为归一化的偏振反射谱，它剔除掉了光强漂移带来的干扰。

基于上述实现原理，下面分别针对测量MCD、测量磁光圆偏振反射谱、测量极向磁光克尔效应、测量磁场平行于样品平面时的MCD以及磁线二向色性(MLD)进行详细描述。

1)、测量MCD(磁场垂直于样品平面)

请参阅附图1，该系统包括：

(1)、超连续白光光源，其通常由固定波长激光作为泵浦源，通过一段非线性光纤后频谱被展宽，通常在500nm～1000nm之间能得到较强的光输出。

(2)、斩波器，置于光源之后，其斩波频率通常设定在300～600Hz之间，但避免50或60的整数倍。

(3)、光栅单色仪，用于对超连续白光滤波，使之变为单一频率的光。

(4)、偏振片，通常采用格兰-泰勒棱镜，把单色仪出射光变为线偏振光。

(5)、光弹调制器，把线偏振光变为以50KHz交替变换的圆偏振光，其光轴与偏振片光轴成45°夹角。

(6)、50∶50消偏振分束棱镜(NPBS)，作用是把入射光变为两束光强相等、偏振状态不变的出射光，其中一路沿原方向，另一路与原方向垂直。

(7)、一对高灵敏度探测器，两者型号必须完全一致。其中一路用于监测光强，另一路用于探测信号。

(8)、分离式制冷的样品腔与超导磁体腔。样品腔中采用水平底座，使得样品平面与磁场方向、入射光方向垂直。

(9)、一对锁相放大器，用于读取探测器的输出信号，将其转换成数字信号并传输至计算机；锁相放大器1的参考信号接斩波器的波形输出端，锁相放大器2的参考信号接光弹调制器的波形输出端。

(10)、计算机，通过程序控制单色仪、光弹调制器、超导磁体，同时保存锁相放大器传输过来的实验数据。

当扫描光谱时，将超导磁体设置为恒流模式(磁场固定)，同时将样品腔温度设定在某一特定值。通过计算机程序连续线性调节单色仪，光弹调制器同步调节，进而得到一定波长范围内的MCD光谱。典型MCD光谱如附图5所示。

当扫描磁场时，将将单色仪波长设定在某一特定值，光弹调制器也设定在这一值，且样品腔温度固定。通过计算机程序在某一范围内将磁场由正线性扫描至负，再由负到正，进而得到某一特定波长下的MCD磁滞回线图。典型的MCD磁滞回线如附图6所示，它与图5的信噪比都相当好。

2)、测量磁光圆偏振反射谱

请参阅附图1，在测量MCD的装置基础上，将光弹调制器替换成宽带1/4波片，波片的光轴与偏光片的光轴成45°夹角，同时锁相放大器2的参考信号输入接斩波器的波形输出端。

扫描光谱与磁滞回线的步骤与MCD一致，不同的是当1/4波片的光轴与偏光片的光轴成±45°时，将分别得到左旋和右旋圆偏振光的反射谱。

3)、测量极向磁光克尔效应

请参阅附图2，基本实验装置与MCD相似，但在光弹调制器之后、NPBS之前加入另一片偏光片，该偏光片与第一块偏光片的光轴垂直。同时，将探测信号的Detector2换成差分放大器，在其之前加入一块宽带1/2波片以及沃拉斯顿棱镜。

扫描极向克尔光谱与克尔磁滞回线的步骤与MCD一致，不同的是在每次扫描之前，需要设定一个参考平衡点。即在特定波长、特定磁场(一般为零磁场)和特定温度下，调节1/2波片的角度，使沃拉斯顿棱镜的两束出射光光强一致，从而使差分探测器的初始输出为零。此外，光弹调制器的工作频率设定为100KHz，其参考信号输出设定在2倍频。

4)、测量磁场平行于样品平面时的MCD以及磁线二向色性(MLD)

请参阅附图3，磁场平行于样品平面的MCD实验装置与磁场垂直样品平面的MCD实验装置一致；MLD的实验装置与极向克尔效应的实验装置一致，唯一的区别在于样品腔中铜座的设计。我们采用一块带竖直边缘的铜座，将样品粘到这一竖直边缘上，同时在铜座的平台上放置一块保偏分光棱镜。

两者扫描光谱与磁场的步骤与前面一样，但MLD测量时要像极向克尔效应测量那样需要预先设定一个参考平稳点。

通过上述设计，可以得到一种多功能的反射式磁光光谱测量系统，它可以测量磁场垂直和平行于样品的MCD、极向克尔效应、磁线二向色性(MLD)以及磁光偏振反射谱。这套装置成本相对低廉，功能强，配置灵活，可调节的实验参数多，并且信噪比相当高。

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)

1.一种多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，该系统包括：

一超连续白光光源，其出射光经过单色仪后作为样品测试光源；

一单色仪，用于对超连续白光光源的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；

一斩波器，用于对光源进行斩波调制，实时监测光强变化，并作为参考信号源探测偏振反射光谱；

一到二偏振片，用于偏振滤波；

一光弹调制器PEM，用于将起偏器出射的线偏光变为偏振调制光；

一50∶50消偏振宽带分光棱镜，用于将入射光分解为沿原传输方向和垂直于原传输方向的两束光；

一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦，用于提供用于磁光光谱的磁场，致冷机放置样品的致冷头能深入超导磁体杜瓦的室温孔洞中；

两个致冷头铜座，其中一个放置样品的平面与超导磁体杜瓦的磁场方向垂直；另一个则带有一段与超导磁体磁场方向相平行的立面用于粘贴样品，铜座上面向该立面固定一块带45°斜边的保偏反射棱镜；

一到二单端探测器和一差分探测器，单端探测器用于探测反射光的光强，直接探测MCD和偏振反射谱；差分探测器用于探测通过反射光通过沃拉斯顿棱镜后形成的两束光的差值，探测克尔效应以及磁线二向色性；

一沃拉斯顿棱镜，放置于宽带1/2波片后方，将反射光分解为偏振面互相垂直的两束偏振光；以及

一宽带1/4波片与一宽带1/2波片，宽带1/4波片用于测量偏振反射谱，置于光弹制器的位置；宽带1/2波片放置于沃拉斯顿棱镜之前并与之联合使用，用于差分探测器平衡位置调节。

2.根据权利要求1所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，所述50∶50宽带消偏振分光棱镜将入射光分解为传播方向相互垂直的两束光，其中垂直于原传播方向的一束光直接送进第一个探测器，实时探测光强变化；沿原传播方向的另一束光则作为探测光照射到样品上，它被样品表面反射回来后再次被棱镜分束，其中一束作为实验信号被送往第二个探测器。

3.根据权利要求2所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，所述两束光光强相等，且偏振方向与入射光保持一致。

4.根据权利要求1所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，所述两个致冷头铜座，其中一个放置样品的平面与超导磁体杜瓦的磁场方向垂直；另一个则在顶端挖出45度斜坡的直角边楔形槽，斜坡边蒸镀上银膜作为反射镜，直角边则用于放置样品。

5.根据权利要求4所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，所述两个铜座可互换，分别测量样品平面与磁场垂直以及样品平面与磁场平行时的磁光光谱。

6.根据权利要求1所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，所述光弹调制器与宽带1/4波片、单端探测器与差分探测器能够互换，从而在一套光路上实现多种磁光光谱探测。

7.根据权利要求1所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，所述斩波器用于实时监测入射光的光强变化，以实时除去光强变化对信号的影响，得到较为精确的磁光光谱。

8.根据权利要求1所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，如果反射光的偏振方向有所变化，所述沃拉斯顿棱镜将反射光分解为偏振面互相垂直的两束偏振光的强度对比将发生变化。

9.根据权利要求1所述的多功能反射式磁光光谱测量系统，其特征在于，该系统还包括：

由两台锁相放大器以及电脑构成的数据处理与存储系统。

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