CN102192882A - 利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置及测量方法，属广义椭偏测量技术领域。装置包括激光光源、光路系统、锁相放大器和PC机等，其特征在于光路系统由斩波器、光阑、起偏器、样品台、检偏器、光阑、滤光片和探测器按前后顺序排列组成；光路系统位于激光光源之后；电磁铁位于光路系统中的样品台两侧以形成匀强磁场；探测器的输出端连接到锁相放大器的输入端上；锁相放大器的输出端连接PC。本发明测量方法将斩波器、锁相放大器引入测量光路中，用斩波器将直流转换成交流光信号，由探测器输入锁相放大器中，经电脑编程控制锁相放大器采集处理数据，可测得坡莫合金的N和Q，具有很高的精度，大大降低了试验成本。该方法操作简单、测量准确。

Description

利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置及测量方法，属广义椭偏测量技术领域。

背景技术

具有磁光性质的磁性材料，被广泛应用在磁光存储方面，磁光克尔效应是一种非常重要的磁性薄膜和超薄膜的磁光性质，磁光椭偏测量技术是一种利用磁性材料的磁光克尔效应进行椭偏测量的广义椭偏测量术，可以测得磁性样品的折射率N、消光系数K、磁光耦合系数Q等，同时还可利用它进行磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究。和其它磁光性质测量手段相比较，磁光椭偏检测具有以下优点：(1)测量灵敏度极高，可以实现亚原子层磁性的测量(2)是一种无损伤测量；(3)可以在一套仪器上同时实现对样品的光学性质和磁学性质的测量。

由于磁光椭偏测量要求能够达到单原子层磁性检测的灵敏度，因此对于光源和检测手段提出了很高的要求。在国内外已有的磁光椭偏实验设备中，为达到较高的测量灵敏度，主要采用高稳定度的偏振激光器。在杂志Applied Physics Letter上发表的Generalized magneto-optical ellipsometry一文(Author：A.Berger，M.R.Pufall，Vol.71，No.7，18 August 1997)就是利用磁光克尔效应测得200nm厚的坡莫合金薄膜的复折射率N和复磁光耦合系数Q，此文中选用了高稳定偏振的HeNe激光器作为光源，探测器选用光电二极管，测量出了坡莫合金的N和Q，其测量精度较高。但由于偏振激光器价格高达数十万元造成实验成本太高，所以应用不太广泛。但如果采用普通的半导体激光器，由于激光器输出功率的波动和光电二极管本身存在的暗电流的影响，导致测量结果不稳定，磁光耦合系数将会产生较大的波动性，严重影响测量精度。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出了一种利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置及测量方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置，包括电源、激光光源、光路系统、电磁铁、锁相放大器和PC机，其特征在于光路系统由斩波器、光阑、起偏器、样品台、检偏器、光阑、滤光片和探测器按前后顺序排列组成；光路系统位于激光光源之后；电磁铁位于光路系统中的样品台两侧以形成匀强磁场，使得样品在测量时处在匀强磁场中；探测器的输出端连接到锁相放大器的输入端上；锁相放大器的输出端连接PC机，以观察记录并计算测量结果。

一种利用上述装置进行磁光椭偏测量的方法，步骤如下：

①将测量装置接通电源，给斩波器、锁相放大器供电，点亮激光光源及PC机，打开电磁铁电源；

②将具有铁磁性质的薄膜样品材料(如坡镆合金FeNi)固定在样品台上，调整样品使其在水平方向上转动，使得样品表面与磁场方向平行或者垂直(当样品表面与磁场方向平行时，可进行纵向磁光克尔效应的测试；垂直时为极向磁光克尔效应检测)；

③调整斩波器的频率，并作为基准信号频率输入锁相放大器，将探测器的输出端连接锁相放大器的信号输入端；

④调节激光光源后面放置的斩波器、光阑、起偏器的位置，使得激光正入射并通过上述三个光学元件；

⑤调节光阑的位置，转动光阑的转盘，使入射到样品表面的激光光斑直径为1-2mm；

⑥将滤光片粘贴到探测器输入端，从而防止杂散光进入探测器；调整检偏器后面放置的光阑的位置与大小，避免探测器接收光信号发生饱和；

⑦打开PC机上的锁相放大器程序，利用PC机控制数据的采集与存储；

⑧选定起偏器起偏角度为θ₁，检偏器检偏角度为θ₂，检偏角度初始值选5°，记录不加磁场时锁相放大器的测量到的电流强度示数I₀；正向调节电磁铁电流I_m，记录此时锁相放大器？的电流强度I₊；反向调节电磁铁电流至-I_m，记录此时锁相放大器？的电流强度I_-，从而得到

并记录θ₁，θ₂；

⑨保持起偏器的起偏角度θ₁不变，旋转检偏器，增加检偏角度θ₂，重复步骤⑧，(检偏角度变化步长为5°，检偏角度初始值选5°一直增加到180°，)从而得到多组和θ₁，θ₂；

⑩将入射角起偏角θ₁、检偏角θ₂和测得的

输入PC机中，经PC机中的程序计算得到样品的磁光耦合系数Q与折射率N。

上述步骤⑩中计算Q所用到的公式为：

其中：

$B_5={\left|\widetilde{r_s}\right|}^2;$

系统的反射衰减矩阵为

$\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_0}=\frac{{2B}_1({\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_2\right)-{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_1\right))+{2B}_2({\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_1\right)-{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_2\right))+{4B}_3{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+B_4\sin \left({2\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left({2\mathrm{\θ}}_2\right)}{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+B_5{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+{2B}_6\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)}$

为磁滞衰减反射矩阵元，

为非磁性反射系数，

表示取复数的实部，θ₁，θ₂分别为起偏角与检偏角；

为入射角；

为复折射角；a，b，c表示磁场空间磁矩的单位矢量，a²+b²+c²＝1，且对于极向磁光椭偏实验a＝0，b＝0，c＝1，纵向磁光椭偏实验a＝0，b＝1，c＝0，横向磁光椭偏实验a＝1，b＝0，c＝0；i表示复数的虚数部分，e表示自然对数的底。

本发明降低了测量成本，经过反复试验我们发现利用锁相放大器可以达到很好的实验效果。在此处选用普通的半导体激光器(λ＝650nm)，将斩波器、锁相放大器引入测量光路中，利用斩波器将直流光信号转换成交流光信号，并通过探测器输入锁相放大器中，利用电脑编程控制锁相放大器采集处理数据，同样可以测得如坡莫合金等磁性薄膜的N和Q，且可以达到很高的精度，大大降低了试验成本。该方法具有操作简单、测量准确等特点。

本发明的特点如下：

(1)、在探测器上粘贴滤光片，仅允许固定波长的光进入探测器，防止杂散光进入探测器。

(2)、锁相放大器引入测量系统，将直流光信号的测量转化为交流电信号的测量，并与锁相放大器的参考信号进行相关运算使测量更加精确、方便。还可以降低对激光器的精度要求，大大节约测量成本。

(3)、光路简单实用，光路中所需的光学器件都是通用的光学器件，成本低。

(4)、操作方便，通过编程利用电脑控制锁相放大器的数据采集、存储及运算。

(5)、此系统不仅可以测量块状样品的磁光参数还可以测量超薄磁性薄膜的磁光参数。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构示意图。

其中：1、激光光源，2、斩波器，3、光阑，4、起偏器，5、样品台，6、电磁铁，7、电磁铁电源，8、检偏器，9、光阑，10、滤光片，11、探测器，12、锁相放大器，13、PC机。

图2是本发明测量方法的方框示意图。其中a-j表示其各个步骤。

具体实时方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1所示，包括电源、激光光源1、光路系统、电磁铁6、锁相放大器12和PC机13，其特征在于光路系统由斩波器2、光阑3、起偏器4、样品台5、检偏器8、光阑9、滤光片10和探测器11按前后顺序排列组成；光路系统位于激光光源1之后；电磁铁6位于光路系统中的样品台5两侧以形成匀强磁场，使得样品在测量时处在匀强磁场中；探测器11的输出端连接到锁相放大器12的输入端上；锁相放大器12的输出端连接PC机13，以观察记录并计算测量结果。

实施例2：

一种利用上述装置进行磁光椭偏测量的方法，如图2所示，步骤如下：

a、将测量装置接通电源，给斩波器、锁相放大器供电，点亮激光光源及PC机，打开电磁铁电源；

b、将具有铁磁性质的薄膜样品材料(如坡镆合金FeNi)固定在样品台上，调整样品使其在水平方向上转动，使得样品表面与磁场方向平行或者垂直(当样品表面与磁场方向平行时，可进行纵向磁光克尔效应的测试；垂直时为极向磁光克尔效应检测)；

c、调整斩波器的频率，并作为基准信号频率输入锁相放大器，将探测器的输出端连接锁相放大器的信号输入端；

d、调节激光光源后面放置的斩波器、光阑、起偏器的位置，使得激光正入射并通过上述三个光学元件；

e、调节光阑的位置，转动光阑的转盘，使入射到样品表面的激光光斑直径为1-2mm；

f、将滤光片粘贴到探测器输入端，从而防止杂散光进入探测器；调整检偏器后面放置的光阑的位置与大小，避免探测器接收光信号发生饱和；

g、打开PC机上的锁相放大器程序，利用PC机控制数据的采集与存储；

h、选定起偏器起偏角度为θ₁，检偏器检偏角度为θ₂，检偏角度初始值选5°，记录不加磁场时锁相放大器的测量到的电流强度示数I₀；正向调节电磁铁电流I_m，记录此时锁相放大器？的电流强度I₊；反向调节电磁铁电流至-I_m，记录此时锁相放大器？的电流强度I_-，从而得到并记录θ₁，θ₂；

i、保持起偏器的起偏角度θ₁不变，旋转检偏器，增加检偏角度θ₂，重复步骤h，(检偏角度变化步长为5°，检偏角度初始值选5°一直增加到180°，)从而得到多组

和θ₁，θ₂；

j、将入射角起偏角θ₁、检偏角θ₂和测得的

输入PC机中，经PC机中的程序计算得到样品的磁光耦合系数Q与折射率N。

Claims (2)

1.一种利用锁相放大器进行磁光椭偏测量的装置，包括电源、激光光源、光路系统、电磁铁、锁相放大器和PC机，其特征在于光路系统由斩波器、光阑、起偏器、样品台、检偏器、光阑、滤光片和探测器按前后顺序排列组成；光路系统位于激光光源之后；电磁铁位于光路系统中的样品台两侧以形成匀强磁场，使得样品在测量时处在匀强磁场中；探测器的输出端连接到锁相放大器的输入端上；锁相放大器的输出端连接PC机，以观察记录并计算测量结果。

2.一种利用权利要求1所述装置进行磁光椭偏测量的方法，步骤如下：

①将测量装置接通电源，给斩波器、锁相放大器供电，点亮激光光源及PC机，打开电磁铁电源；

②将具有铁磁性质的薄膜样品材料固定在样品台上，调整样品使其在水平方向上转动，使得样品表面与磁场方向平行或者垂直；当样品表面与磁场方向平行时，进行纵向磁光克尔效应的测试；垂直时为极向磁光克尔效应检测；

③调整斩波器的频率，并作为基准信号频率输入锁相放大器，将探测器的输出端连接锁相放大器的信号输入端；

④调节激光光源后面放置的斩波器、光阑、起偏器的位置，使得激光正入射并通过上述三个光学元件；

⑤调节光阑的位置，转动光阑的转盘，使入射到样品表面的激光光斑直径为1-2mm；

⑥将滤光片粘贴到探测器输入端，从而防止杂散光进入探测器；调整检偏器后面放置的光阑的位置与大小，避免探测器接收光信号发生饱和；

⑦打开PC机上的锁相放大器程序，利用PC机控制数据的采集与存储；

⑧选定起偏器起偏角度为θ₁，检偏器检偏角度为θ₂，检偏角度初始值选5°，记录不加磁场时锁相放大器的测量到的电流强度示数I₀；正向调节电磁铁电流I_m，记录此时锁相放大器？的电流强度I₊；反向调节电磁铁电流至-I_m，记录此时锁相放大器？的电流强度I_-，从而得到

并记录θ₁，θ₂；

⑨保持起偏器的起偏角度θ₁不变，旋转检偏器，增加检偏角度θ₂，重复步骤⑧，检偏角度变化步长为5°，从初始值5°一直增加到180°，从而得到多组

和θ₁，θ₂；

⑩将入射角起偏角θ₁、检偏角θ₂和测得的输入PC机中，经PC机中的程序计算得到样品的磁光耦合系数Q与折射率N。

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