CN102252969A

CN102252969A - 一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法

Info

Publication number: CN102252969A
Application number: CN 201110098131
Authority: CN
Inventors: 梁建辉; 武迪; 胡春瑞; 刘方泽; 吴义政
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: CN102252969B

Abstract

本发明属于物理测量技术领域，具体为一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法。测量系统包括两个部分：磁铁控制部分和激光探测部分。磁铁控制部分主要包含磁铁架、电源、ADDA卡以及计算机，计算机通过ADDA卡分别控制两个电源输出电流的大小与方向，分别控制磁场的大小与方向，得到所需的合成磁场；激光探测部分由激光器、起偏器、检偏器、光电探测器、ADDA卡以及计算机组成，激光器发出的激光经通过起偏器、检偏器过滤后射到光电探测器上，信号经ADDA卡转化，传输到计算机中，得到探测点的克尔信号。本发明可消除机械振动，减小测量噪音，增大测量准确度，可以准确、高效地得到样品的磁信号和磁晶各向异性场。

Description

一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于物理测量技术领域，具体涉及一种表面磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量装置及测量方法。

背景技术

测量物质的磁光克尔效应与磁晶各向异性场是薄膜磁学研究领域中的基本探测手段，测量装置均需一个可旋转的磁场：在进行磁光克尔效应的测量（MOKE方法）时，需要旋转磁场来找到合适的磁化方向；在进行磁晶各向异性场的测量（ROTMOKE方法）时，需要将磁场进行360°转动，测量各磁场方向的克尔信号。

目前，该类装置的磁场主要是利用步进马达带动磁铁来实现旋转，它可以对磁光克尔效应与磁晶各向异性场进行基本的测量，然而存在着很大的不足，例如：步进马达带动磁铁转动不可避免地引进了机械振动，给测量结果带来了较大的噪音；用步进马达旋转磁场耗时很长，使得样品受到了更多的环境影响；激光会在长时间的测量中出现漂移，使得测量结果不准确。现有装置的此类问题极大地影响了磁光克尔效应与磁晶各向异性场的测量精度与测量效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量精度与测量效率高的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法。

本发明提出的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，包括两个部分：磁铁控制部分和激光探测部分。

磁铁控制部分主要包含磁铁架、电源、ADDA卡以及计算机等部件（如图1）。磁铁架是这样设计的：用一大一小两个正方形金属架将四个缠有漆包铜线的铁芯固定，使四个铁芯两两相对并留有空间，每个铁芯上的铜线圈匝数相同。两个电源用于给上述铜线圈提供电流：左右两组线圈串联，用第一电源1提供电流，产生横向磁场；上下两组线圈串联，用第二电源2提供电流，产生纵向磁场。计算机通过ADDA卡分别控制两个电源输出电流的大小与方向，从而可以分别控制横向磁场与纵向磁场的大小与方向。由矢量合成原理可知，这样的横向磁场与纵向磁场可以合成平面内任意方向、任意大小（一定范围内）的磁场。这样，计算机通过对电源的控制，就实现了对磁场的控制。

激光探测部分主要由激光器、起偏器、检偏器、光电探测器、ADDA卡以及计算机组成（如图2）。激光器发出的激光经通过起偏器形成一束线偏振光打在处于磁场中样品上，反射光通过检偏器过滤后打在光电探测器上，光电探测器接收到的信号经ADDA卡转化，变成数字信号被传输到计算机中，这样就得到了样品在该探测点的克尔信号。

利用该系统进行磁光克尔效应的测量时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生某一方向、从负值到正值渐变的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后根据磁光克尔效应，利用磁场和克尔信号的数值作出样品在该测量点的磁滞回线。如果改变光平面与磁场的方向，就可以测到样品探测点在不同方向的磁信息。

利用该系统进行磁晶各向异性场的测量时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生一个大小恒定、快速旋转的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后利用样品探测点的克尔信号随360度旋转角度的关系，可以得到样品在该探测点的磁晶各向异性场。

本发明的核心在于磁铁控制部分，该测量系统只需通过计算机控制电源输出电流的大小和方向就可以实现对磁场的控制，即可以产生平面内任意方向、任意大小（一定范围内）的磁场，并可以通过设置横向磁场与纵向磁场的变化关系，得到可在面内快速旋转的合成磁场。这样，可以大大缩短测量时间，并能很大程度地减少了周围环境对测量样品的影响；设备不需要进行机械转动就可以实现磁场在面内的任意旋转，消除了机械振动，减小测量噪音，增大测量的准确度。这样，结合磁光克尔效应（MOKE）和旋转磁场磁光克尔效应(RotMOKE)原理，就可以准确、高效地得到样品的磁信号和磁晶各向异性场。

附图说明

图1：磁铁控制部分结构图示。

图2：激光探测部分图示。

图3：磁光克尔效应（MOKE）测量示意图。

图4：旋转磁场磁光克尔效应(RotMOKE)测量示意图。

图5：RotMOKE原理图。

图6：磁矩测量示意图。

图7：计算机控制方案。

图8：换向开关电路图。

图9：光电探测器电路图。

图10：MOKE与RotMOKE的程序流程图。

具体实施方式

一、测量系统的理论基础

1、表面磁光克尔效应（SMOKE）原理：

线偏振光被磁性介质反射后偏振面和椭偏率会发生改变，这种效应称为磁光克尔效应。研究表面和超薄膜的磁光克尔效应称之为表面磁光克尔效应（SMOKE）。

如图3，磁光克尔效应是光通过材料时，材料的介电张量的非对角元引起的效应。本质上是光在传播过程中与磁性介质中的电子自旋轨道耦合作用相耦合引起的效应。一束p光射向样品被反射，当样品是非磁性的，那么反射光也是p光，当样品是磁性的，那么反射光将包含p光分量(E_p)和少量的s光分量(E_s)。将作为检偏器的偏振片从消光位置旋转一个很小的角度δ，那么光电探测器测量到的光强为：

而

，其中Φ^,代表克尔旋转角，Φ^，，代表克尔椭偏率。则上式可以表达为：

；

其中

，

正比于样品的磁化强度。克尔旋转角

可以表达为：

；

其中是在饱和磁场翻转前后，光强的变化量。如果在反射端的检偏器之前放置一个1/4波片，那么测量到的信号就是克尔椭偏率。其表达式为：

。

2．旋转磁场磁光克尔效应(RotMOKE)原理：

如图4、图5，旋转磁场磁光克尔效应(RotMOKE)是在磁光克尔效应的基础上，利用磁距随外磁场转动（类似于转矩）测量磁各向异性的方法。外磁场

（足够大以保证磁矩一致转动）旋转到任意角度α，在没有磁各向异性时，样品磁化强度

将始终沿的方向；而当样品中存在磁各向异性时，

在外磁场和各向异性场的共同作用下将平衡在某一个角度θ。

和的夹角大小反映了磁各向异性的强弱。

以单轴和四度各向异性并且置于外磁场中成为单畴态时为例，为方便描述原理，取单轴各向异性的易轴方向与四度各向异性的一个易轴重合，并且它们平行于光平面，此时样品在外磁场下的能量密度可以写为：

外磁场和等效磁各向异性场的竞争，使得

莫一平衡位置时，能量密度对θ的一阶偏导为零，可得：

，，

则上式可变为：

磁场H对M的转矩为：

令

，结合以上关系式得：

在上式中，外磁场H和角度α都是已知量，只要在实验上测得θ，就可以得到

和H₂。实验上是这样测量样品磁矩与光平面的夹角θ的：

如图6所示， MOKE测量到得磁信号是总的磁信号在光平面内的分量

，当α=0°时（即磁场方向平行于光平面时），θ=0，此时可得到。当样品磁矩在任意角度θ时，测量得到

，此时磁矩与样品面的夹角即为：

。测量时，以恒定的外磁场相对于测量光平面旋转一周360°，对得到的数据进行拟合，就可以求出样品的等效磁各向异性场。

上述测量方法的前提是样品磁矩在膜面内单畴一致转动，如果有垂直于膜面的磁距时，就需要很大的外磁场拉动样品内的磁矩进行单畴一致转动。本发明的设备主要研究：磁各向异性的易轴处在膜面内的磁性超薄膜材料。

二、仪器控制与数据采集

1.测量系统对磁场的控制：

控制该测量系统的计算机通过ADDA卡与各仪器设备相连，利用LabVIEW软件来完成仪器控制和数据采集。总的控制方案是按图7来设计的。

工作时，通过ADDA卡D/A转换输出模拟电压，控制电源输出电流的大小，从而达到对磁场大小的控制。通过ADDA卡输出一路数字信号，控制与电源相连的换向开关，选择正向电流或者反向电流，从而达到对磁场方向的控制。

2.测量系统对克尔信号的采集：

测量系统工作时，将系统激光探测部分（如图2）的光电探测器探测到的信号通过ADDA卡进行A/D转换，传输到计算机中，就得到了克尔信号。

3.仪器说明

（1）换向开关

如图8，当没有控制信号输入时，即图中状态，两个继电器不工作，输入正极与输出端1相连，输入负极与输出端2相连。当有+5V的控制信号输入时，三极管be导通，两个继电器工作，输入正极和输入负极分别与输出端2、输出端1相连，实现了反向。+12伏电源可用普通开关电源，三极管型号为C1008，电阻R约500Ω，起到限制基极电流的作用，继电器工作电压约5V，工作电流（即I_c）约300~400mA，控制信号端电流（即I_b）约10mA。

（2）光电探测器

光电探测器的电路为图9所示，它由以下几个基本原件组成：1个运算放大器、1个硅光电池、2个电阻R、2个电容C；

1个运算放大器：OPA627，其第4和第7针脚连接±12V电源；第2和第3针脚接硅光电池，对电流进行放大，第6针为放大信号输出。第一组电阻、电容并联于硅光电池与运算放大器的放大信号输出之间，第二组电阻、电容并联于硅光电池与放大信号输出接地之间；

2个电阻R：100MΩ，2个电容C：100pF， 1个硅光电池：Centronic OSD5-5T。

三、测量控制程序——LabVIEW程序

1、MOKE测量程序

程序流程图如图10所示，测量所需的磁场为某一方向上、由负值变为正值的渐变场。电源输出接近线性输出。

测量者需要对程序设置的参量如下：

（1）设定磁场方向：

可以在磁铁所在的平面内产生任意方向的磁场，只需键入所需磁场与水平正向所成的角度即可（ 0-360°）。

（2）设定磁场扫描形式与范围。

Linear：磁场线性扫描，From，To，Step表示磁场的起始、终止和步长

Custom：定制磁场扫描方式，首先应创建一个包含所有需要磁场数值的文本文件，并在Read中打开该文件，此时磁场将按照文件中的数值顺序扫描

Loop：磁场将扫描一个来回，即Linear模式下从From到To，再回到From，在Custom模式下从文件中第一个数据到最后一个数据，再回到第一个数据

Single：磁场仅单向扫描一次

Loop times ：扫描次数。

（3）设定数据保存位置。一般数据应放在以日期命名的文件夹内。

（4）添加MOKE数据备注，可用于简要记录样品结构、测量条件等，会自动保存在数据文件的末尾。

（5）Experiment Parameter ：设定Delta角度和消光时的电压；

Card/2400 ：选择AD/DA卡或者2400多功能源表测量信号。

（6）控制MOKE测量开始/暂停/终止，以及为磁铁进行退磁。

（7）Initial 用于将右侧图标中的两个指针归零。Hc，克尔，He 由指针位置决定。

（8）Status 显示当前程序状态，Ready/Running/End。Loop显示在多次测量时当前的进度。Average和delay控制每个数据点的测量次数和测量间隔。

（9）程序生成测量的日期与时间。

（10）显示瞬时克尔信号大小。

测量时图标纵坐标单位为伏特（V），测量结束后会自动换算为弧度单位（μrad）。

2、ROTMOKE测量程序：

程序流程图亦如图10所示，测量所需的磁场特定大小的旋转场。两个电源的输出分别为正弦输出和余弦输出。

测量者需要对程序设置的参量如下：

（1）设定磁场大小：可设定一定范围内任意大小的磁场。

（2）控制磁场旋转：

Original Angle: 设定磁场的初始位置。

Rotational Angle: 设定磁场需要旋转的角度。

Angle Step: 可以设置磁场旋转的最小单位。

Single与Loop的选择：选择Single模式可以使磁场逆时针旋转所需大小；选择Loop模式可以使磁场先逆时针旋转、然后顺时针旋转所需的角度；

Rotational Times: 可以设置磁场旋转的次数，重复多次测量数据。

（3）设定数据保存位置。与MOKE不同的是RotMOKE每次测量都会创建一个文件夹用来保存每个磁场角度下的MOKE数据。

（5）Experiment Parameters，与MOKE相同。

（6）控制MOKE测量开始/暂停/终止，以及为磁铁进行退磁。

（9）程序生成测量的日期与时间。

（10）显示瞬时克尔信号大小。

3、Rot MOKE Calculate程序

此程序用来对RotMOKE数据进行处理，自动计算并拟合得到等效各向异性场。可完成下四种功能：

(1) 克尔信号对磁场角度作图；

(2) 转矩对磁矩角度作图；

(3) 拟合曲线与原始转矩曲线对比图。

等效各向异性场对磁场作图。

Claims

1.一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，其特征在于包括两个部分：磁铁控制部分和激光探测部分；其中：

所述磁铁控制部分包含磁铁架、两个电源、ADDA卡以及计算机，其中磁铁架由一大一小两个正方形金属架将四个缠有漆包铜线的铁芯固定而组成，四个铁芯两两相对并留有空间，每个铁芯上的铜线圈匝数相同；两个电源用于给上述铜线圈提供电流：左右两组线圈串联，用第一电源1提供电流，产生横向磁场；上下两组线圈串联，用第二电源2提供电流，产生纵向磁场；计算机通过ADDA卡分别控制两个电源输出电流的大小与方向，从而分别控制横向磁场与纵向磁场的大小与方向；

所述激光探测部分由激光器、起偏器、检偏器、光电探测器、ADDA卡以及计算机组成；其中，激光器发出的激光经通过起偏器形成一束线偏振光打在处于磁场中样品上，反射光通过检偏器过滤后打在光电探测器上，光电探测器接收到的信号经ADDA卡转化，变成数字信号被传输到计算机中，由此就得到样品在该探测点的克尔信号。

2.根据权利要求1所述的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，其特征在于测量所需的磁场是由两个相互垂直的电磁铁所产生的磁场进行矢量合成而得到；通过ADDA卡D/A转换输出模拟电压，控制电源输出电流的大小；通过ADDA卡输出一路数字信号，控制与电源相连的换向开关，选择正向电流或者反向电流。

3.根据权利要求1所述的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，其特征在于所述光电探测器由以下基本原件组成：1个运算放大器、1个硅光电池、2个电阻R、2个电容C；其中，运算放大器的第4和第7针脚连接±12V电源，第2和第3针脚接硅光电池，对电流进行放大，第6针为放大信号输出；第一组电阻、电容并联于硅光电池与运算放大器的放大信号输出之间，第二组电阻、电容并联于硅光电池与放大信号输出接地之间。

4.根据权利要求1所述的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统的测量方法，其特征在于具体步骤为：

测量磁光克尔效应时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生某一方向、从负值到正值渐变的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后根据磁光克尔效应，利用磁场和克尔信号的数值作出样品在该测量点的磁滞回线；改变光平面与磁场的方向，即测到样品探测点在不同方向的磁信息；

测量磁晶各向异性场时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生一个大小恒定、快速旋转的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后利用样品探测点的克尔信号随360度旋转角度的关系，得到样品在该探测点的磁晶各向异性场。