CN102680408B - 磁圆二向色性光电导谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁圆二向色性光电导谱测量系统，包括：液氦制冷机与低温超导磁体系统、超连续白光光源、单色仪、斩波器、格兰泰勒棱镜、光弹调制器、消色差透镜、电流源、两台锁相放大器、以及计算机。利用本发明，可以测量磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)，从而可以进一步研究物质的磁性质以及与自旋相关的能带结构和特性。

Description

磁圆二向色性光电导谱测量系统

技术领域

本发明涉及磁学和半导体自旋电子学技术领域，特别适用于对半导体自旋电子学材料(比如：稀磁半导体材料)的自旋相关光学和电学性质的研究，提供了一种磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统。

背景技术

近年来自旋电子学逐渐兴起，磁光光谱测量和电学测量作为重要的测量手段，在自旋电子学研究中发挥了重要的作用。

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，它是研究材料磁学性质的重要手段。光电导谱测量光照引起的样品电导率的变化，光吸收产生附加的载流子，引起样品电导率的变化。由于半导体对不同波长的光吸收率存在差异，特别是在半导体带隙边缘，吸收率会有明显的突变，因此通过测量光电导随波长的变化，可以获得样品能带结构的信息。光电导正比于光电压，一般锁相放大器测量光电压信号。

通常的光电导测量系统中，入射光设置成稳态的左圆或右圆偏振光，通过分别测量两种偏振光引起的光电导的差异，来获得样品的光谱结构和磁学信息。然而通常情况下，这种差异非常小，加之测量系统本身存在的噪声，使得分辨这种差异变得很困难。

如何设计一套高信噪比，并且可以灵活改变温度、磁场、波长的光电导谱测量系统，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

本发明的主要目的在于提供一套配置灵活，有较高分辨率的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统，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，本发明提供了一种磁圆二向色性光电导谱测量系统，该系统包括：

一超连续白光光源(LS)，其出射光经过单色仪后作为样品测试光源；

一单色仪(SP)，对该超连续白光光源(LS)的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；

一斩波器(CP)，对该单色仪(SP)出射光进行斩波调制，并为第一锁相放大器(LIA1)提供参考信号，从而得到样品光生电压的强度；

一格兰泰勒棱镜(P)，用于将单色仪(SP)出射光变为线偏振光；

一光弹调制器(MO)，用于将格兰泰勒棱镜(P)出射的线偏光变为周期性偏振调制光；

一消色差透镜(L)，用于聚焦入射光到样品上；

一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)，提供用于光电导谱测量的磁场；

一电流源(CS)，为样品提供一稳定的直流电流；

第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)，用于测量样品光生电压信号的对应特定频率的信号幅度；以及

一由计算机组成的数据处理与存储系统。

上述方案中，所述超连续白光光源(LS)通过一个波长为1064nm的泵浦光激发一个非线性光纤，得到功率最大2w，波长范围覆盖450nm至1500nm的超连续白光。与传统的白光光源(如汞灯)相比，该光源具有更大的功率，更好的准直性，更宽的光谱覆盖范围，更均匀的光强分布等显著优点。

上述方案中，该系统利用格兰泰勒棱镜(P)将单色仪出射光变为线偏振光，利用光弹调制器(MO)将线偏光变为周期性偏振调制光，利用光生电压检测样品对不同偏振态光吸收的差别。

上述方案中，所述光弹调制器(MO)工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ。所述光弹调制器(MO)的快轴与慢轴均与格兰泰勒棱镜的通光轴成45°角。

上述方案中，该系统利用电流源(CS)为样品提供恒定电流，利用第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)组成信号探测和处理系统，将样品两端的电压信号输入到第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)中，其中第一锁相放大器(LIA1)的参考频率为斩波器频率，测量样品光生电压；第二锁相放大器(LIA2)的参考频率为光弹调制器频率(50KHZ)，测量信号中频率为50KHZ的成分的幅度，该幅度正比于样品对左圆和右圆偏振光吸收的差别。

上述方案中，该系统采用两端电压测量法，将样品做成长条状，两端做好欧姆接触电极，通过电极通恒定电流，用锁相放大器测量两端电压。

上述方案中，所述中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)中设置有一制冷器，用于控制样品的温度，样品放置在该制冷器的冷头上。所述超导磁体杜瓦(MG)与所述制冷器相互分离，放置样品的冷头能够伸入超导磁体杜瓦(MG)的室温孔洞中，所述超导磁体杜瓦(MG)用于提供0T(特斯拉)到+5T范围的垂直样品表面的磁场，所述制冷器能够使样品温度在4K(开尔文)到300K范围变化。

(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：

本发明提供的磁圆二向色性光电导谱测量系统，由于使用光弹调制器将入射光变为左旋圆和右旋圆偏振周期性变化的调制光，所以可以测量样品的左旋圆光电压和右旋圆光电压的差值随波长的变化，即磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)；在固定波长，测量左旋圆光电压和右旋圆光电压的差值随磁场的变化时，可以获得样品的磁滞回线。测量磁圆二向色性光电导(PC-MCD)随温度的变化时，可以获得居里温度的信息。该测量系统排除了稳态光电导谱测量时存在的分辨率低，噪声大等问题，同时可缩短测量所需要的时间。灵活改变样品温度，磁场，探测光波长，用于样品自旋相关的能带结构和磁性质研究。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明提供的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统的结构示意图；

图2是利用本发明提供的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统在4K温度，0.7T磁场下测量的一块掺锰砷化镓(GaMnAs)样品的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)。

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。

请参阅图1所示，图1是本发明提供的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统的结构示意图，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，对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，对单色仪出射光进行斩波调制，并为锁相放大器提供参考信号，从而得到样品光电导的强度。一格兰泰勒棱镜，把单色仪出射光变为线偏振光。一光弹调制器，把格兰泰勒棱镜出射的线偏光变为周期性偏振调制光(左圆和右圆偏振光交替变化)。一消色差透镜，用于聚焦入射光到样品上。一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦，提供用于磁光光谱的磁场，制冷机放置样品的制冷头能深入超导磁体杜瓦的室温孔洞中。一制冷机，控制样品的温度，样品放置在其制冷头上。其温度可在4K到300K范围内变化。一电流源，为样品提供一稳定的直流电流。两台锁相放大器，用于检测光电压的对应特定频率的信号。计算机组成的数据处理与存储系统。

其中，超连续白光光源(LS)可以发出波长范围很宽(450nm-1500nm)而且功率很大(最大2W)发散角较小的连续光。白光从单色仪(SP)入射狭缝进入，经过光栅分光，在出射狭缝可以得到单一波长的单色光，通过计算机控制连续转动单色仪光栅，就可以对波长进行连续扫描。斩波器(CP)，由于叶片的均匀转动，周期性地使得入射光通过与不通过。斩波为第一锁相放大器(LIA1)提供参考信号，从而测量光电压的强度。格兰泰勒棱镜(P)作为起偏器，波长应用范围220nm-2500nm，消光比大于1×10⁴。单色仪出射的光经过格兰泰勒棱镜起偏后，变成线偏振光。光弹调制器MO工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ，它对格兰泰勒棱镜出射的线偏振光进行周期性的调制。调整光弹调制器的快轴和慢轴(快轴与慢轴相互垂直)都与格兰泰勒棱镜的通光轴成45°角，光弹调制器MO出射的光以50KHZ的频率工作在“线偏-左圆偏振-线偏-右圆偏振-线偏”的模式，照射到样品上。样品放置在制冷器的冷头上，制冷器通过液氦制冷，并通过电阻丝加热，使样品温度可在4K-300K范围内变化。制冷器的冷头可伸入超导磁体杜瓦(MG)的室温空洞中，使样品处在均匀的磁场中，并可灵活调节样品的位置。样品平面垂直于入射光方向和磁场方向。超导磁体杜瓦(MG)由置于液氦中的超导线圈产生磁场，可产生0T-5T(特斯拉)范围的磁场，方向可平行或反平行与入射光方向。磁场可扫描，扫描速率可在0T每分钟至1T每分钟范围变化。

电流源(CS)通过样品上的两个电极为样品提供恒定的直流电流，将两个电极间的电压信号输入第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)。第一锁相放大器(LIA1)参考信号由斩波器(CP)提供，测量光电压的强度；第二锁相放大器(LIA2)参考信号频率为光弹调制器MO频率(50KHZ)，测量左圆光电压和右圆光电压强度的差值(PC-MCD)。

本发明提供的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统的核心部分是：格兰泰勒棱镜(P)，光弹调制器MO，电流源，以及第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)。利用格兰泰勒棱镜(P)和光弹调制器MO对入射光进行周期性偏振调制，使它以50KHZ的频率工作在“线偏-左圆偏振-线偏-右圆偏振-线偏”的模式，使得光生电压以相同的频率变化。使用电流源为样品提供恒定直流电流，使光照产生附加载流子引起样品的电阻变化，从而引起样品电压的变化。采用两台锁相放大器(第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2))即可同时测量样品的光生电压信号和左圆和右圆光电压信号的差值(PC-MCD)。由于采用锁相放大器测量该差值，提高了测量精度和信噪比，同时缩短了测量的时间。

本发明提供的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统通过运用超连续白光与单色仪配合，得到了光束质量较好而且功率很大的，可以连续扫描波长的入射光，这对于提高信噪比很有帮助。

本发明提供的本发明提供的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统的另一特点是制冷器的冷头和超导磁体杜瓦(MG)分离，可灵活调节位于冷头上的样品的位置。

作为一个实例，利用本系统测量了4K温度，0.7T磁场下一块掺锰砷化镓(GaMnAs)样品的磁圆二向色性光电导(PC-MCD)谱。首先利用单色仪分光之后的入射光调节光路。使得入射光照射在样品需要测量的区域。调节格兰泰勒棱镜(P)的通光轴方向，使通过的光强最大。调节光弹调制器MO的快轴和慢轴，使它们与格兰泰勒棱镜(P)的通光轴都成45°角。打开电流源，为样品提供恒定直流电流。打开第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)，将样品两端的电压信号连接到第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)，其中第二锁相放大器(LIA2)的参考信号接光弹调制器的一倍频信号(50KHZ)。施加一定磁场，扫描入射波长，就可以进行磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量了。进而可以对样品能带结构以及磁性质进行分析。得到的4K温度，0.7T磁场下的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)如图2所示(横坐标为波长，纵坐标为左圆和右圆光电压差值)。

从上述实例可以看出，本发明提供的测量系统确实可以测量样品的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)，从而得到样品的能带结构和磁性质。它实现简单，调节方便，拥有较高信噪比，很适合作为自旋相关半导体材料能带及磁性分析系统，在实验室中推广使用。

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 (3)

1.一种磁圆二向色性光电导谱测量系统，其特征在于，该系统包括：

一通过波长为1064nm的泵浦光激发非线性光纤得到的波长范围覆盖450nm至1500nm，最大功率2w的超连续白光光源(LS)，其出射光经过单色仪后作为样品测试光源；

一单色仪(SP)，对该超连续白光光源(LS)的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；

一斩波器(CP)，对该单色仪(SP)出射光进行斩波调制，并为第一锁相放大器(LIA1)提供参考信号，从而得到样品光生电压的强度；

一格兰泰勒棱镜(P)，用于将单色仪(SP)出射光变为线偏振光；

一光弹调制器(MO)，用于将格兰泰勒棱镜(P)出射的线偏光变为周期性偏振调制光，光弹调制器(MO)工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ，光弹调制器(MO)的快轴与慢轴均与格兰泰勒棱镜的通光轴成45°角；

一消色差透镜(L)，用于聚焦入射光到样品上；

一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)，提供用于光电导谱测量的磁场；

一电流源(CS)，为样品提供一稳定的直流电流；

第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)，二者均处于电压测量模式，其中第一锁相放大器(LIA1)的参考频率为斩波器频率，测量样品光生电压，第二锁相放大器(LIA2)的参考频率为光弹调制器频率50KHZ，测量光生电压信号中频率为50KHZ的成分的幅度，该幅度正比于样品对左圆和右圆偏振光吸收的差别；以及

一由计算机组成的数据处理与存储系统；

该测量系统采用两端电压测量法，将样品做成长条状，两端做好欧姆接触电极，通过电极通恒定电流，用锁相放大器测量两端电压。

2.根据权利要求1所述的磁圆二向色性光电导谱测量系统，其特征在于，所述中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)中设置有一制冷器，用于控制样品的温度，样品放置在该制冷器的冷头上。

3.根据权利要求2所述的磁圆二向色性光电导谱测量系统，其特征在于，所述超导磁体杜瓦(MG)与所述制冷器相互分离，放置样品的冷头能够伸入超导磁体杜瓦(MG)的室温孔洞中，所述超导磁体杜瓦(MG)用于提供0特斯拉到+5特斯拉范围的垂直样品表面的磁场，所述制冷器能够使样品温度在4K到300K范围变化。

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