CN103364349A - 利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置及测量方法，属广义椭偏测量技术领域。装置包括激光电源、可调波长激光器、光路系统、电磁铁、锁相放大器和PC机，其中光路系统包括起偏器、两个光阑、斩波器、检偏器、聚光镜、滤光片和光电探测器等。其特征在于通过可调波长激光器与磁光椭偏系统的结合，将单波长磁光椭偏测试延伸到多波长磁光椭偏测试；通过调节激光电源的电流可以使激光器出射不同频率的激光，同时更换光电探测器上前置连接的与出射激光频率对应的滤光片，由PC机对磁性材料样品的进行多波长磁光椭偏测试，可以得到该材料磁光耦合系数的光谱曲线。本装置结构简单合理，组装方便，测量精度高，操作简单。

Description

利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置及测量方法，属广义椭偏测量技术领域。

背景技术

随着磁性材料在磁光存储媒介与半导体器件上的广泛应用，对磁性材料磁光特性的研究变得极为迫切。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。随着磁光椭偏技术的发展，单一波长的测量已经无法满足研究的需求。磁光椭偏技术对光源功率稳定性有很高的的要求，但现在普遍应用的多波长白光光源稳定性较差，如不进行其他处理难以满足高精度的实验测量。如在杂志【科学仪器评论】（2005年76卷023910页）上发表的文章“磁性化合物的光谱磁光椭偏温度依赖性研究”中（作者：R.Rauer,G.Neuber,J.Kunze,J.

and M.），作者对光源氙灯进行了复杂的处理，之后对150nm与60nm的坡莫合金进行了磁光椭偏测试并求出了对应的磁光耦合系数。但是对于单原子层的磁光椭偏测试则对光源稳定性有了更高的要求。此时迫切的需要一种快速便捷、稳定度高的光源方法来解决上述问题。

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可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置及测量方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置，包括激光电源、可调波长激光器、光路系统、电磁铁、锁相放大器和PC机，其特征在于光路系统包括起偏器、两个光阑、斩波器、检偏器、聚光镜、滤光片和光电探测器，激光电源和可调波长激光器相连接，通过调节激光电源的电流可以使激光器出射不同频率的激光；斩波器和锁相放大器相连接；可调波长激光器位于起偏器之前，由起偏器开始延光路顺序排列为两个光阑、斩波器、检偏器、聚光镜、滤光片和光电探测器；两个光阑之间放置样品台，样品台位于电磁铁中间；光电探测器的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的输出端连接到PC机，以观察记录并计算测量结果。

所述的光电探测器是硅光电池探测器，通过压圈装卡的方式连接前置的滤光片。

所述的可调波长激光器是输出波长范围为300nm-800nm的半导体激光器。

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，打开电磁铁电源、可调波长激光器及PC机的电源；

②可调波长激光器的输出波长为300nm-800nm,调节激光电源在其输出波长范围内设定一个初始输出波长的激光信号；

③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；

④调整斩波器的频率，该频率作为基准信号频率输入锁相放大器，将光电探测器的输出端连接锁相放大器的信号输入端；

⑤调节可调波长激光器后面放置的光阑、起偏器的位置，然后调节检偏器、聚光镜、光电探测器的位置，使得激光正入射并通过上述光学元件能汇聚到光电探测器上；

⑥打开PC机，观察PC机能否采集与存储信号数据；

⑦将与输入激光波长对应的滤光片装到探测器输入端，从而防止杂散光进入光电探测器；

⑧选定起偏器起偏角度为θ₁，检偏器检偏角度为θ₂，锁相放大器与光电探测器相连，此时锁相放大器输出的是光电探测器接受到的光电流强度，PC机记录不加磁场时锁相放大器测量的光电流的强度I₀；正向调节电磁铁电流I_m，PC机记录此时的锁相放大器示数I₊；反向调节电磁铁电流至-I_m，PC机记录此时的锁相放大器示数I_-，从而得到ΔI/I₀＝(I₊-I_-)/I₀，其中：ΔI＝I₊-I_-，同时记录起偏器起偏角θ₁和检偏器检偏角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，其中检偏角度增加步长为5°，直至增加到180°为止，从而得到多组ΔI/I₀和θ₁,θ₂；

⑩将激光的入射角

起偏角θ₁、检偏角θ₂和测得的ΔI/I₀输入PC机中,由PC机计算得到样品的磁光耦合系数Q与折射率N；

调节激光电源，在可调波长激光器的输出波长范围内设定一个新的输出波长，重复过程⑦-⑩，直至测完整个光谱范围；得到磁光耦合系数Q与折射率N的光谱曲线。

本发明的磁光椭偏测试的原理如下：

磁光椭偏测试是基于光在样品表面反射时受磁场影响导致偏振态改变的一种测试方式。在样品表面加正反两个方向的磁场时，可以引起反射光偏振态的不同，从而引起光电探测器接收到的光信号强度的不同。根据磁场的正反方向，光电探测器接收到的光强分别为I₊与I_-。在外界磁场为零时接收到的光强为I₀，可以得到光强的变化率ΔI/I₀＝(I₊-I_-)/I₀。设定三个不同的起偏器角度θ₁，分别测量在不同检偏器角度θ₂下的光强变化率，从而得到光强变化率ΔI/I₀随θ₂的变化曲线，光强变化率ΔI/I₀随θ₂的变化曲线依据的公式如下：

$\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_0}=\frac{2B_1({\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)-{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right))+2B_2({\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)-{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right))+4B_3{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+B_4\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)}{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+B_5{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right){\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+2B_6\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_2\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)},$

同时拟合在三个不同起偏器角度θ₁下所得的光强变化率ΔI/I₀随θ₂的变化曲线，可以求出上式中的系数B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆，将系数B₅、B₆和入射光线的入射角

带入下式中可以求出入射光的复折射角

其中：i表示复数的虚数部分，e表示自然对数的底。通过系数B₁、B₂、B₅、B₆、入射光线的入射角

及入射光的复折射角诸参数可以求出磁性材料样品的磁光耦合系数Q与折射率N，具体求解公式如下：

本发明的特点如下：

（1）、可调波长激光器比普通白光光源的功率稳定性高，实验结果更精确并可用于磁性超薄材料的测量。

（2）、通过调节激光器的输出频率与对应滤光片，可以实验磁性材料磁光耦合系数的光谱测量，操作简单。

（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。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构示意图。

其中：1、激光电源，2、可调波长激光器，3、起偏器，4、光阑，5、样品台，6、电磁铁，7、光阑，8、斩波器，9、检偏器，10、聚光镜，11、滤光片，12、光电探测器，13、锁相放大器，14、PC机。

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,一种利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置，包括激光电源1、可调波长激光器2、光路系统、电磁铁6、锁相放大器13和PC机14，其特征在于光路系统包括起偏器3、两个光阑4和7、斩波器8、检偏器9、聚光镜10、滤光片11和光电探测器12，激光电源1和可调波长激光器2相连接，通过调节激光电源1的电流能使可调波长激光器2出射不同频率的激光；斩波器8和锁相放大器13相连接；可调波长激光器2位于起偏器3之前，由起偏器3开始延光路顺序排列为两个光阑4和7、斩波器8、检偏器9、聚光镜10、滤光片11和光电探测器12；两个光阑4和7之间放置样品台5，样品台5位于电磁铁6中间；光电探测器12的输出端连接到锁相放大器13的输入端，锁相放大器13的输出端连接到PC机14，以观察记录并计算测量结果。

所述的光电探测器12是硅光电池探测器，通过压圈装卡的方式连接前置的滤光片11。

所述的可调波长激光器2是输出波长范围为300nm-800nm的半导体激光器。

实施例2：

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，打开电磁铁电源、可调波长激光器及PC机的电源；

②可调波长激光器的输出波长为300nm-800nm,调节激光电源在其输出波长范围内设定一个初始输出波长的激光信号；

③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；

④调整斩波器的频率，该频率作为基准信号频率输入锁相放大器，将光电探测器的输出端连接锁相放大器的信号输入端；

⑤调节可调波长激光器后面放置的光阑、起偏器的位置，然后调节检偏器、聚光镜、光电探测器的位置，使得激光正入射并通过上述光学元件能汇聚到光电探测器上；

⑥打开PC机，观察PC机能否采集与存储信号数据；

⑦将与输入激光波长对应的滤光片装到探测器输入端，从而防止杂散光进入光电探测器；

⑧选定起偏器起偏角度为θ₁，检偏器检偏角度为θ₂，锁相放大器与光电探测器相连，此时锁相放大器输出的是光电探测器接受到的光电流强度，PC机记录不加磁场时锁相放大器测量的光电流的强度I₀；正向调节电磁铁电流I_m，PC机记录此时的锁相放大器示数I₊；反向调节电磁铁电流至-I_m，PC机记录此时的锁相放大器示数I_-，从而得到ΔI/I₀＝(I₊-I_-)/I₀，其中：ΔI＝I₊-I_-，同时记录起偏器起偏角θ₁和检偏器检偏角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，其中检偏角度增加步长为5°，直至增加到180°为止，从而得到多组ΔI/I₀和θ₁,θ₂；

⑩将激光的入射角

起偏角θ₁、检偏角θ₂和测得的ΔI/I₀输入PC机中,由PC机计算得到样品的磁光耦合系数Q与折射率N；

调节激光电源，在可调波长激光器的输出波长范围内设定一个新的输出波长，重复过程⑦-⑩，直至测完整个光谱范围；得到磁光耦合系数Q与折射率N的光谱曲线。

Claims (4)

1.一种利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置，包括激光电源、可调波长激光器、光路系统、电磁铁、锁相放大器和PC机，其特征在于光路系统包括起偏器、两个光阑、斩波器、检偏器、聚光镜、滤光片和光电探测器，激光电源和可调波长激光器相连接，通过调节激光电源的电流可以使激光器出射不同频率的激光；斩波器和锁相放大器相连接；可调波长激光器位于起偏器之前，由起偏器开始延光路顺序排列为两个光阑、斩波器、检偏器、聚光镜、滤光片和光电探测器；两个光阑之间放置样品台，样品台位于电磁铁中间；光电探测器的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的输出端连接到PC机，以观察记录并计算测量结果。

2.如权利要求1所述的一种利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置，其特征在于所述的光电探测器是硅光电池探测器，通过压圈装卡的方式连接前置的滤光片。

3.如权利要求1所述的一种利用可调波长激光器进行磁光椭偏测试的装置，其特征在于所述的可调波长激光器是输出波长范围为300nm-800nm的半导体激光器。

4.一种利用权利要求1所述的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，打开电磁铁电源、可调波长激光器及PC机的电源；

②可调波长激光器的输出波长为300nm-800nm,调节激光电源在其输出波长范围内设定一个初始输出波长的激光信号；

③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；

④调整斩波器的频率，该频率作为基准信号频率输入锁相放大器，将光电探测器的输出端连接锁相放大器的信号输入端；

⑤调节可调波长激光器后面放置的光阑、起偏器的位置，然后调节检偏器、聚光镜、光电探测器的位置，使得激光正入射并通过上述光学元件能汇聚到光电探测器上；

⑥打开PC机，观察PC机能否采集与存储信号数据；

⑦将与输入激光波长对应的滤光片装到探测器输入端，从而防止杂散光进入光电探测器；

⑧选定起偏器起偏角度为θ₁，检偏器检偏角度为θ₂，锁相放大器与光电探测器相连，此时锁相放大器输出的是光电探测器接受到的光电流强度，PC机记录不加磁场时锁相放大器测量的光电流的强度I₀；正向调节电磁铁电流I_m，PC机记录此时的锁相放大器示数I₊；反向调节电磁铁电流至-I_m，PC机记录此时的锁相放大器示数I_-，从而得到

ΔI/I₀＝(I₊-I_-)/I₀，其中：ΔI＝I₊-I_-，同时记录起偏器起偏角θ₁和检偏器检偏角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，其中检偏角度增加步长为5°，直至增加到180°为止，从而得到多组ΔI/I₀和θ₁,θ₂；

⑩将激光的入射角

起偏角θ₁、检偏角θ₂和测得的ΔI/I₀输入PC机中,由PC机计算得到样品的磁光耦合系数Q与折射率N；

调节激光电源，在可调波长激光器的输出波长范围内设定一个新的输出波长，重复过程⑦-⑩，直至测完整个光谱范围；得到磁光耦合系数Q与折射率N的光谱曲线。

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