CN103868856A - 利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置及方法，装置包括白光光源、准直镜、起偏器、两个光阑、电磁铁、样品台、检偏器、聚光镜、光纤耦合器、光谱仪、PC机，其特征在于白光光源通过光纤与准直镜相连，经准直镜聚焦后输出白光；准直镜后面沿光路顺序排列为起偏器、两个光阑、检偏器、聚光镜、光纤耦合器和光谱仪；在测量椭偏率时需将四分之一波片置于检偏器之后聚光镜之前，而测量磁光偏转角时无需放置；两个光阑之间放置样品台，样品台位于电磁铁中间；光纤耦合器通过光纤与光谱仪相连；光谱仪的输出端连接到PC机；通过编程由PC机控制光谱仪并输出结果。该系统光路简单，成本低廉，数据精度高，可以给出磁光偏转角的光谱曲线。

Description

利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置及方法，属光谱磁光克尔效应测试技术领域。

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。磁光克尔效应测试技术利用磁性材料的磁光克尔效应，可以测量磁性材料的磁光偏转角与椭偏率。因此磁光克尔效应广泛应用于磁有序性、磁各向异性、以及层间耦合等领域的研究。但现有的光谱磁光克尔效应装置接受端多为光电探测器且结构复杂，比如在杂志【物理评论B】(1997年56卷第5432页)上发表的文章“Fe₃O₄和Mg²⁺或Al³⁺替换Fe₃O₄的光学和极向磁光克尔光谱研究”中（作者W.F.J.Fontijn and P.J.van der Zaag），作者用Ge材料光电探测器接受信号，并用氙灯与单色仪配合测试材料的磁光克尔偏转角光谱曲线。此系统需要逐次调节单色仪使其输出的波长改变并逐次计算每个波长下的磁光偏转角，设计较为复杂而且操作费时。而使用光谱仪作为接收端可以得到更宽的光谱范围，而且可以一次计算整个光谱范围内的磁光偏转角与椭偏率，操作简单而且节省了大部分测试时间。此外在后期数据处理中，通过编程设定积分时间与采集次数也可以大范围提高数据的稳定性，可以得到更加精确的磁光克尔偏转角。此外由于该系统光路简单而且由于光路元件比其他类似系统少，所以成本低廉。通过光谱式测量，可以给出磁光偏转角的光谱曲线，对于研究磁性材料的内部磁化及外部磁光特性有着重要意义。

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光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置及方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置，包括白光光源、准直镜、起偏器、两个光阑、电磁铁、样品台、检偏器、四分之一波片、聚光镜、光纤耦合器、光谱仪、PC机，其特征在于白光光源通过光纤与准直镜相连，经准直镜聚焦后输出白光；准直镜后面沿光路顺序排列为起偏器、两个光阑、检偏器、聚光镜、光纤耦合器和光谱仪；测量磁光偏转角时无需放置四分之一波片，而在测量椭偏率时需将四分之一波片置于检偏器之后聚光镜之前；两个光阑之间放置样品台，样品台位于电磁铁中间；光纤耦合器通过光纤与光谱仪相连；光谱仪的输出端连接到PC机，以观察记录并计算测量结果；通过C语言编写程序控制光谱仪，通过设定积分时间与积分次数处理数据并将得到的计算结果输出。

所述的光谱仪是可见光光谱光纤光谱仪，其波长范围为300nm-900nm,通过光纤输入且由光纤耦合器接收送入光谱仪中。

所述的白光光源为输出波长范围为300nm-850nm的LED光源。

所述的通过计算测量结果为使用C语言编程处理，通过设定积分时间与采集次数，降低光源的噪声，得到更精确地磁光克尔偏转角。

一种利用上述装置进行磁光克尔偏转角测量的方法，步骤如下：

①将测量装置接通电源，给光谱仪供电，打开电磁铁的电源、白光光源及PC机的电源；

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；

③白光光源与准直镜通过光纤相连接，调节准直镜后面放置的光阑、起偏器的位置，然后调节检偏器、聚光镜、光纤耦合器的位置，使得白光正入射到起偏器上并通过上述光学元件能将白光汇聚到光纤耦合器上；

④PC机开机后，运行光谱仪控制程序，等待光谱仪采集信号；

⑤调节起偏器角度θ₁，使出射光偏振态平行于入射面，调节检偏器角度θ₂，使从检偏器出射的光变为零，此时将检偏器再转过一个小的角度δ（δ≤1°），使出射光强不为零，点击光谱仪控制程序中的开始选项采集信号，记录此时得到的光强光谱曲线I₀(λ)；

⑥设定电磁铁控制装置输出电流分别为1、2、3、4、5A，通过光谱仪采集数据，依此测量上述不同电流下的光强值，随着电流的增大，磁场强度会随着电流的增大而增大，而磁性材料的内部磁化强度也会随着外界磁场的增大而增大，当到达饱和磁化强度时，内部磁化强度达到最大值，此时光谱仪接受的光强也达到最大，记录此时的饱和电流值i_m；

⑦正向调节电磁铁电流至饱和电流i_m，此时材料内部达到饱和磁化强度,PC机记录此时光谱仪采集的光强曲线I₊(λ)；反向调节电磁铁电流至-i_m，PC机记录此时光谱仪采集的光强曲线I_-(λ)，从而得到ΔI(λ)/I₀(λ)=(I₊(λ)-I_-(λ))/I₀(_λ)；

⑧将测量得到的ΔI(λ)/I₀(λ)与δ的值输入PC机，由PC机按以下公式计算得到磁性材料的磁光偏转角θ_k光谱响应曲线：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{\mathrm{\ΔI}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)};$

⑨将四分之一波片置于光路中检偏器之后，重复步骤⑤-⑧，由PC机按以下公式计算得到磁性材料的磁光椭偏率ε_k光谱响应曲线：

${\mathrm{\ϵ}}_k=-\frac{\mathrm{\δ}}{4}\·\frac{\mathrm{\ΔI}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}.$

上述对相关数据的计算、测量及处理是通过使用C语言编程来进行处理的，通过设定积分时间与采集次数，降低光源的噪声，得到更精确的磁光克尔偏转角。

本发明的磁光偏转角测试的原理如下：

磁光克尔偏转角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，从而引起光谱仪接收到的光信号强度的不同。白光经过起偏器后变为线偏振光，然后从样品表面反射，经过检偏器后进入光谱仪。检偏器的偏振方向与起偏器设置成偏离消光位置一个很小的角度δ，这样可以确定偏振面的正负旋转方向。根据磁场的正反方向，光谱仪接收到的光强分别为I₊(λ)与I_-(λ)。在外界磁场为零时接收到的光强为I₀(λ)，可以得到光强的变化率

ΔI(λ)/I₀(λ)=(I₊(λ)-I_-(λ))/I₀(λ)。

本发明的优点如下：

（1）、白光光源与光谱仪结合，可以得到磁光偏转角与椭偏率的光谱曲线。

（2）、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。

（3）、该系统操作方便、实验数据稳定可靠。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构示意图。

其中：1、白光光源，2、准直镜，3、起偏器，4、光阑，5、样品台，6、电磁铁，7、光阑，8、检偏器，9、四分之一波片，10、聚光镜，11、光纤耦合器，12、光谱仪，13、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,一种利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置，包括白光光源1、准直镜2、起偏器3、两个光阑4和7、电磁铁6、样品台5、检偏器8、四分之一波片9、聚光镜10、光纤耦合器11、光谱仪12和PC机13，其特征在于白光光源1通过光纤与准直镜2相连，经准直镜2聚焦后输出白光；准直镜2后面沿光路顺序排列为起偏器3、两个光阑4和7、检偏器8、聚光镜10、光纤耦合器11和光谱仪12；测量磁光偏转角时无需放置四分之一波片9，而在测量椭偏率时需将四分之一波片9置于检偏器8之后聚光镜10之前；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；光纤耦合器11通过光纤与光谱仪12相连；光谱仪12的输出端连接到PC机13，以观察记录并计算测量结果；通过C语言编写程序控制光谱仪12，通过设定积分时间与积分次数处理数据并将得到的计算结果输出。

所述的光谱仪12是可见光光谱光纤光谱仪，其波长范围为300nm-900nm,通过光纤输入且由光纤耦合器接收送入光谱仪中。

所述的白光光源1为输出波长范围为300nm-850nm的LED光源。

所述的通过计算测量结果为使用C语言编程处理，通过设定积分时间与采集次数，降低光源的噪声，得到更精确地磁光克尔偏转角。

实施例2：

一种利用上述装置进行磁光克尔偏转角测量的方法，步骤如下：

①将测量装置接通电源，给光谱仪供电，打开电磁铁的电源、白光光源及PC机的电源；

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；

③白光光源与准直镜通过光纤相连接，调节准直镜后面放置的光阑、起偏器的位置，然后调节检偏器、聚光镜、光纤耦合器的位置，使得白光正入射到起偏器上并通过上述光学元件能汇聚到光纤耦合器上；

④PC机开机后，运行光谱仪控制程序，等待光谱仪采集信号；

⑤调节起偏器角度θ₁，使出射光偏振态平行于入射面，调节检偏器角度θ₂，使从检偏器出射的光变为零，此时将检偏器再转过一个小的角度δ（δ=1°），使出射光强不为零，点击光谱仪控制程序中的开始选项采集信号，记录此时得到的的光强光谱曲线I₀(λ)；

⑥设定电磁铁控制装置输出电流分别为1、2、3、4、5A，通过光谱仪采集数据，依此测量上述不同电流下的光强值，随着电流的增大，磁场强度会随着电流的增大而增大，而磁性材料的内部磁化强度也会随着外界磁场的增大而增大，当到达饱和磁化强度时，内部磁化强度达到最大值，此时光谱仪接受的光强也达到最大，记录此时的饱和电流值i_m；

⑦正向调节电磁铁电流至饱和电流i_m，此时材料内部达到饱和磁化强度,PC机记录此时光谱仪采集的光强曲线I₊(λ)；反向调节电磁铁电流至-i_m，PC机记录此时光谱仪采集的光强曲线I_-(λ)，从而得到ΔI(λ)/I₀(λ)=(I₊(λ)-I_-(λ))/I₀(λ)；

⑧将测量得到的ΔI(λ)/I₀(λ)与δ的值输入PC机，由PC机按以下公式计算得到磁性材料的磁光偏转角θ_k光谱响应曲线：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\·\frac{\mathrm{\ΔI}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)};$

⑨将四分之一波片置于光路中检偏器之后，重复步骤⑤-⑧，由PC机按以下公式计算得到磁性材料的磁光椭偏率ε_k光谱响应曲线：

${\mathrm{\ϵ}}_k=-\frac{\mathrm{\δ}}{4}\·\frac{\mathrm{\ΔI}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}.$

Claims (5)

1.一种利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置，包括白光光源、准直镜、起偏器、两个光阑、电磁铁、样品台、检偏器、四分之一波片、聚光镜、光纤耦合器、光谱仪、PC机，其特征在于白光光源通过光纤与准直镜相连，经准直镜聚焦后输出白光；准直镜后面沿光路顺序排列为起偏器、两个光阑、检偏器、聚光镜、光纤耦合器和光谱仪；测量磁光偏转角时无需放置四分之一波片，而在测量椭偏率时需将四分之一波片置于检偏器之后聚光镜之前；两个光阑之间放置样品台，样品台位于电磁铁中间；光纤耦合器通过光纤与光谱仪相连；光谱仪的输出端连接到PC机，以观察记录并计算测量结果。

2.如权利要求1所述的一种利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置，其特征在于所述的光谱仪是可见光光谱光纤光谱仪，其波长范围为300nm-900nm。

3.如权利要求1所述的一种利用光谱仪进行光谱式磁光克尔效应测试的装置，其特征在于所述的白光光源为输出波长范围为300nm-850nm的LED光源。

4.如权利要求1所述的通过计算测量结果为使用C语言编程处理，通过设定积分时间与采集次数，降低光源的噪声，得到更精确地磁光克尔偏转角。

5.一种利用权利要求1所述的装置进行光谱式磁光克尔效应测试的方法，步骤如下：

①将测量装置接通电源，给光谱仪供电，打开电磁铁的电源、白光光源及PC机的电源；

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；

③白光光源与准直镜通过光纤相连接，调节准直镜后面放置的光阑、起偏器的位置，然后调节检偏器、聚光镜、光纤耦合器的位置，使得白光正入射到起偏器上并通过上述光学元件能汇聚到光纤耦合器上；

④PC机开机后，运行光谱仪控制程序，等待光谱仪采集信号；

⑤调节起偏器角度θ₁，使出射光偏振态平行于入射面，调节检偏器角度θ₂，使从检偏器出射的光变为零，此时将检偏器再转过一个小的角度δ,δ≤1°,使出射光强不为零，点击光谱仪控制程序中的开始选项采集信号，记录此时得到的的光强光谱曲线I₀(λ)；

⑥设定电磁铁控制装置输出电流分别为1、2、3、4、5A，通过光谱仪采集数据，依此测量上述不同电流下的光强值，随着电流的增大，磁场强度会随着电流的增大而增大，而磁性材料的内部磁化强度也会随着外界磁场的增大而增大，当到达饱和磁化强度时，内部磁化强度达到最大值，此时光谱仪接受的光强也达到最大，记录此时的饱和电流值i_m；

⑦正向调节电磁铁电流至饱和电流i_m，此时材料内部达到饱和磁化强度,PC机记录此时光谱仪采集的光强曲线I₊(λ)；反向调节电磁铁电流至-i_m，PC机记录此时光谱仪采集的光强曲线I_-(λ)，从而得到ΔI(λ)/I₀(λ)=(I₊(λ)-I_-(λ))/I₀(λ)；

⑧将测量得到的ΔI(λ)/I₀(λ)与δ的值输入PC机，由PC机按以下公式计算得到磁性材料的磁光偏转角θ_k光谱响应曲线：

${\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\·\frac{\mathrm{\ΔI}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)};$

⑨将四分之一波片置于光路中检偏器之后，重复步骤⑤-⑧，由PC机按以下公式计算得到磁性材料的磁光椭偏率ε_k光谱响应曲线：

${\mathrm{\ϵ}}_k=-\frac{\mathrm{\δ}}{4}\·\frac{\mathrm{\ΔI}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_0\left(\mathrm{\λ}\right)}.$

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