CN106556809A - 一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器 - Google Patents

一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器 Download PDF

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曹安妮
林晓阳
雷娜
赵晓璇
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Abstract

本发明一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，包括：超快激光器、多个半反半透镜、时间延迟线、多个反射镜、偏振分光棱镜、倍频器、两个滤光片、至少一个直角棱镜、斩波器、光学聚焦透镜组、维样品支架、密闭真空腔体、真空泵组、1/2玻片、分光棱镜、光电二极管、锁相放大器、磁铁、恒温装置、平移台、成像装置。本发明通过实现磁性薄膜制备过程中的原位表征，提高测量效率及精度。通过配备可高达五维的多维样品调节装置，辅以样品平移台，获得成像效果。泵浦、探测光束的共轴垂直入射简化了光路，降低了光路调节难度。除此之外，本发明可使样品在真空腔内部进行磁性表征，避免空气或水汽对其的污染。

Description

一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器
技术领域
本发明涉及一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，尤其是指一种基于磁光克尔效应，在真空环境下实现薄膜磁性表征的仪器搭建方案，属于凝聚态物理及信息存储技术领域。
背景技术
近年来，基于自旋电子学的磁性存储器件开辟了大数据、云计算及高速搜索引擎的新型信息时代。作为凝聚态物理、微电子和材料科学的新兴交叉学科，自旋电子学利用电子的自旋属性设计电子器件，铁磁材料与其它材料的界面小勇是该领域重要研究方向之一。同时，在磁性超薄多层膜体系中，每一层铁磁材料的磁特性对整体性能影响显著。对电子自旋磁矩受激发产生的动力学演化过程是超薄多层膜器件磁特性的精确表征及调控的重要部分，对自旋电子学材料研究意义重大。此类问题的探究可以利用时间分辨磁光克尔效应结合泵浦-探测技术来设计实验，其原理是如图1a～图1d所示：通过飞秒脉冲泵浦光入射到所研究样品上，光子冲击及热扰动诱发样品表面电子自旋磁矩偏离平衡位置产生自旋进动；利用不同时间延迟的飞秒脉冲探测光进行极向磁光克尔测量，探测机理则是由于光子与物质的电子自旋磁矩相互作用产生磁光效应，使材料的折射率发生变化，导致反射后的激光偏振面发生旋转，转角即为克尔旋转角。直接测量参量克尔转角的大小与材料的磁化强度成正比。
相比于VSM(Vibrating Sample Magnetometer，振动样品磁强计)、SQUID(Superconducting Quantum Interference Device，超导量子干涉仪)等其他磁特性表征设备，时间分辨磁光克尔测试系统对样品尺寸没有严格的要求，无需对样品进行切割，并且在样品受激发产生动态响应的探测方面具有超高时间分辨率及检测灵敏度，但泵浦光及探测光的完美匹配费时费力，光路复杂性及大大提高了实验难度和成本。图2是传统的TR-MOKE光路示意图，引自文献“Barman,A.&Haldar,A.In Solid State Physics Vol.65edsE.Camley Robert&L.Stamps Robert1–108(Academic Press,2014)”(固态物理，2014学术版)。该文献公开的时间分辨磁光克尔测试系统光路设计由一束超短脉冲激光由飞秒激光器输出，经过偏振分光器，反射光线为泵浦光，透射光线为探测光。泵浦光经由反射镜、二倍频晶体、平移装置，探测光则经过反射镜、时延装置、偏振片与泵浦光会合，之后两束激光通过聚焦透镜聚焦在样品表面。激光经样品和反射镜后，由滤波器滤掉倍频后得到泵浦光，另一光路中，探测光作为基频信号的克尔信号穿过1/2玻片，由分光棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，被光桥接收，由锁相放大器进行信号的检测及处理。
现有公开技术方案光路调整难度较大，不能在薄膜制备过程中进行磁性表征，同时因为无法保证样品在测试过程中处于恒温状态，不宜使用重复频率过高(MHz级别)的激光器作为泵浦激光源。因此现有测试系统测量效率较低，且无法在较短时间内获得样品大面积数据。尤其是，接触空气的测试环境无法保护表面材料易氧化的样品，，若配备真空腔体的测量系统，在避震方面又没有良好解决方案。因此，如何提高测试效率，并进一步优化测试环境，是系统设计的主旨。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，以实现兼容于真空镀膜系统的磁性测量，提高磁性薄膜的研究效率及精度。
为了达到上述目的，本发明一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，所采用的技术方案如下：
本发明一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其主要包括：
超快激光器，用于产生激光，位于整个磁性表征仪器的输入端；
多个半反半透镜，用于激光分束和会合，其中第一个半反半透镜位于超快激光器S1后端，其余位于光学聚焦透镜组S10前端；
时间延迟线，用于调整探测光光程，位于第一个半反半透镜S2后端的探测光光路中；
多个反射镜，用于调整短脉冲激光传播方向，分别位于每一处光线转折点，视具体光路而定；
偏振分光棱镜，用于产生线偏振的探测光，位于时间延迟线S3后端的探测光光路中；
倍频器，用于改变泵浦光频率，便于信号接收部分的分光，位于第一个半反半透镜S2后端的泵浦光光路中；
至少两个滤光片，一个位于倍频器后端的泵浦光光路中，在泵浦光传输过程中用于滤掉二倍探测光频以外的泵浦光；另一个位于出射光线光路中，负责滤掉出射光线中的泵浦光；
至少一个直角棱镜，用于调整光束传播方向，其中时间延迟线处安置一台，其余根据实际情况置于光束需要180°转向处；
斩波器，用于过滤不同频率的光，输出固定频率的光束，位于滤光片后端且泵浦光与探测光合并之前处；
光学聚焦透镜组，用于光束聚焦，位于待测样品前端，真空腔外；
多维样品支架，用于夹持并调节样品方位，固定于真空腔体顶部，位于真空腔内；
密闭真空腔体，用于提供超高真空环境；
真空泵组，用于维持真空腔体内的超高真空度，位于真空腔外，与真空腔体相连；
1/2玻片，用于调整寻常光和非常光相位差等于π或其奇数倍，位于分光棱镜前端；
分光棱镜，用于将出射探测光变成两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光，位于光电二极管前端；
光电二极管，用于光电信号的转换，位于锁相放大器前端；
锁相放大器，用于噪声的过滤，信号放大及处理，位于整个系统末端；
磁铁，用于为带测样品提供稳定的磁场，位于真空腔体外；
恒温装置，用于及时耗散样品表面热量，位于多位样品支架末端的平移台上，与带测样品相连；
平移台，用于以毫米级步长，在小于样品大小区域内调整样品位置，位于多位样品支架末端，与带测样品及恒温装置相连；
成像装置，辅助调整真空腔内的光路，查看激光束在样品表面的聚焦状况，位于泵浦及探测光从真空腔内部出射光路中，1/2玻片前端。
其中，所述的超快激光器包含任意能够产生飞秒级激光，波长恒定或可变，重复频率在1kHz～85MHz之间的激光器，其脉冲能量直接决定了激发样品电子自旋磁矩进动的泵浦光能量，需控制在合理范围内；
其中，所述的半反半透镜包含任意能够实现半反半透功能的光学器件，包括功率平分及不等功率分光的所有分光器或镜片；
其中，所述的时间延迟线由步进电机、直角棱镜及其支架构成，所含步进电机的最小位移Δsmin直接决定了整个表征仪器的时间分辨率t，其关系为2×Δsmin＝t×vlight，vlight为光在真空中的传播速度；
其中，所述的偏振分光棱镜包含任意可以使P偏振光和S偏振光分别透过或反射的光学元件，如格兰棱镜，偏振度保证在105以上；
其中，所述的倍频器包含任意能使光线偏振方向不变，光频倍增的光学频率转换器件，也可以不对光线倍频，但应区分泵浦与探测光的偏振方向，以便信号接收处理滤掉泵浦光；
其中，所述的光学聚焦包含任意可以完成光学聚焦的元器件或其组合，如物镜、聚焦透镜组，光学聚焦可以置于真空腔体内部或者外部，但其种类及方位选取应考虑真空腔密封性；
其中，所述的多维样品支架包含一至五维样品调整的支架，其中五维可以是三维平移，二维旋转，移动方向如图5所示；
其中，所述的真空泵组包含任意可以维持真空腔内超高真空度的泵组，可以由机械泵、分子泵、离子泵组成，三级泵共同使用，维持真空腔内的超高真空度；
其中，所述的分光棱镜包含任意可以使光线分成两束振动方向相互垂直的线偏振光的光学元件，如沃拉斯顿棱镜；
其中，所述的锁相放大器包含两路锁相放大器，一路对偏振方向垂直的两束光信号作差得到克尔转角，另一路对其加和得到反射率；
其中，所述的磁铁包含任意可以为待测样品提供稳定磁场的磁铁，置于真空腔内或真空腔外，可旋转或不可旋转，其中，内置于真空腔可采用超导磁体并将其打洞以使光束通过；
其中，所述的平移台可以是任意能够帮助样品产生微小位移的机械装置，可以是压电平移台或机械平移台，该平移台的最小步长应该与聚焦在样品表面的激光光斑大小(毫米级别)相当，与多维样品调整支架相互独立；
其中，所述的成像装置包含任意能够成像的装置，比如基于电荷耦合元件(CCD)的成像，主要用于观察真空腔内样品的方位及光束的聚焦程度，在计算机的图像呈现窗口直接测量聚焦光斑的大小，可以对成像装置平移装置的参数设置提供参考。
从上述技术方案可以看出，本发明一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，具有以下有益效果：
1.由于采用了倍频器，其将泵浦光的光频不同于探测光，方便在输出光路中分离出携带克尔转角信号的探测光进行信号处理；
2.由于采用了光学聚焦，其由多个凸透镜构成，以实现微米尺寸光斑聚焦；
3.由于采用了多维样品支架，可以实现多维度样品位置调节，替代挪动大量光学元器件来调节光路，降低了光路调节难度，同时，稳固的夹持减小了样品的震动，提高测量准确性及光路调整难度；
4.由于采用了密闭真空腔体，为样品提供超高真空的实验环境，能够在样品制备的过程中对其磁特性进行表征，提高测试效率，同时，对样品尺寸、材料无严格要求，尤其适用于不宜暴露在空气中的样品，可以避免样品被空气或水汽污染；
5.由于采用了真空泵组，由机械泵、分子泵、离子泵共同使用来保证超高真空度，有效降低了真空腔体的震动干扰，减小光路调整难度，同时，提高测试信噪比；
6.由于采用了锁相放大器，有效过滤掉低频震动噪声，提高测量的精度；
7.由于采用了恒温装置，泵浦光和探测光扰动样品产生的热量被及时传导耗散，使样品处于恒温状态，保证了测试的准确性；
8.由于采用了平移台，样品可在其面积大小范围内以毫米级步长进行二维移动，变换测量点，可以在较短时间内完成对样品表面一定区域的成像。
附图说明
图1a～图1d是真空磁性表征结合泵浦探测技术的测试原理示意图。
图2是传统真空磁性表征光路示意图，引自文献“Barman,A.&Haldar,A.In SolidState Physics Vol.65eds E.Camley Robert&L.Stamps Robert 1–108(Academic Press,2014)”(固态物理，2014学术版)。
图3是本发明一种真空环境下的薄膜磁性表征系统的一种光路示意图，其中，部分未标出的发明内容标注于图4。
图4是图3中局部结构示意图。
图5是五维样品支架位移方向示意图。
S1：超快激光器 S2：半反半透镜 S3：时间延迟线
S4：反射镜 S5：偏振分光棱镜 S6：倍频器
S7：滤光片 S8：直角棱镜 S9：斩波器
S10：光学聚焦透镜组 S11：多维样品支架 S12：密闭真空腔体
S13：真空泵组 S14：1/2玻片 S15：分光棱镜
S16：光电二极管 S17：锁相放大器 S18：磁铁
S19：恒温装置 S20：平移台 S21：成像装置
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方案作进一步详细说明。
在介绍本发明一种真空环境下的薄膜磁性表征系统共做原理之前规定：降噪后的克尔信号幅值与样品磁化强度的大小成正比。
如图3所示，在该实施例中，一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其主要包括：
超快激光器S1，用于产生激光，位于整个磁性表征仪器的输入端；
三个半反半透镜S2，用于激光分束和会合，其中第一个半反半透镜位于超快激光器S1后端，其余两个位于光学聚焦S10前端；
时间延迟线S3，用于调整探测光光程，位于第一个半反半透镜S2后端的探测光光路中；
多个反射镜S4，用于调整短脉冲激光传播方向，分别位于每一处光线转折点，视具体光路而定；
偏振分光棱镜S5，用于产生线偏振的探测光，位于时间延迟线S3后端的探测光光路中；
倍频器S6，用于改变泵浦光频率，便于信号接收部分的分光，位于第一个半反半透镜S2后端的泵浦光光路中；
两个滤光片S7，一个位于倍频器S6后端的泵浦光光路中，在泵浦光传输过程中用于滤掉二倍探测光频以外的泵浦光；另一个位于出射光线光路中，负责滤掉出射光线中的泵浦光；
至少一个直角棱镜S8，用于调整光束传播方向，其中时间延迟线处安置一台，其余根据实际情况置于光束需要180°转向处；
斩波器S9，用于过滤不同频率的光，输出固定频率的光束，位于滤光片S7后端且泵浦光与探测光合并之前处；
光学聚焦透镜组S10，用于光束聚焦，位于待测样品前端，真空腔外；
多维样品支架S11，用于夹持并调节样品方位，固定于真空腔体S12顶部，位于真空腔内；
密闭真空腔体S12，用于提供超高真空环境；
真空泵组S13，用于维持真空腔体内的超高真空度，位于真空腔外，与真空腔体S12相连；
1/2玻片S14，用于调整寻常光和非常光相位差等于π或其奇数倍，位于分光棱镜S15前端；
分光棱镜S15，用于将出射探测光变成两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光，位于光电二极管S16前端；
光电二极管S16，用于光电信号的转换，位于锁相放大器S17前端；
锁相放大器S17，用于噪声的过滤，信号放大及处理，位于整个系统末端；
两个磁铁S18，用于为带测样品提供稳定的磁场，位于真空腔体S12外；
恒温装置S19，用于及时耗散样品表面热量，位于多位样品支架S11末端的平移台S20上，与带测样品相连；
平移台S20，用于以毫米级步长，在小于样品大小区域内调整样品位置，位于多位样品支架S11末端，与带测样品及恒温装置S19相连；
成像装置S21，辅助调整真空腔内的光路，查看激光束在样品表面的聚焦状况，位于泵浦及探测光从真空腔内部出射光路中，1/2玻片S14前端。其中，光束方向转换、部分聚焦准直的若干透镜没有列出。
超快激光器器输出一路超快激光，经过功率衰减，被偏振分光棱镜分束为泵浦光和探测光两路。考虑到出射光束必须过滤掉泵浦光，从偏振分光棱镜分出的泵浦光需透过倍频器进行光频翻倍；基于泵浦-探测技术原理，探测光需经过时间延迟线，即步进电机控制直角棱镜在位移线上移动，直角棱镜的每个位置对应泵浦光和探测光不同的光程差。两束光会合于半反半透镜处，经反射镜反射透入真空腔玻璃视窗。待测样品由多维样品支架固定在真空腔内，电磁铁两级间磁场均匀部分，多维样品支架可进行三维平移及二维旋转，凹槽固定样品，减小激光引起的震动。与真空腔直接相连的真空泵组由机械泵、分子泵、离子泵三级组成，交替使用可以有效降低整个系统的震动。腔内的光学聚焦透镜组将两束同轴入射光聚焦，垂直入射待测样品表面，光子与物质的电子自旋磁矩相互作用产生磁光效应，使材料的折射率发生变化，出射光发生偏振面的旋转，转角为克尔旋转角。出射光线在真空腔体外经由滤光片过滤掉样品反射泵浦光，余下探测光作为基频信号的克尔信号穿过1/2玻片，由分光棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，分别被锁相放大器，经处理得到反射率和反映样品磁化强度的克尔信号。
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之一，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 (5)

1.一种真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其特征在于：该仪器主要包括：
超快激光器，用于产生激光，位于整个磁性表征仪器的输入端；
多个半反半透镜，用于激光分束和会合，其中第一个半反半透镜位于超快激光器后端，其余位于光学聚焦前端；
时间延迟线，用于调整探测光光程，位于第一个半反半透镜后端的探测光光路中；
多个反射镜，用于调整短脉冲激光传播方向，分别位于每一处光线转折点，视具体光路而定；
偏振分光棱镜，用于产生线偏振的探测光，位于时间延迟线后端的探测光光路中；
倍频器，用于改变泵浦光频率，便于信号接收部分的分光，位于第一个半反半透镜后端的泵浦光光路中；
两个滤光片，一个位于倍频器后端的泵浦光光路中，在泵浦光传输过程中用于滤掉二倍探测光频以外的泵浦光；另一个位于出射光线光路中，负责滤掉出射光线中的泵浦光；
至少一个直角棱镜，用于调整光束传播方向，其中时间延迟线处安置一台，其余根据实际情况置于光束需要180°转向处；
斩波器，用于过滤不同频率的光，输出固定频率的光束，位于滤光片后端且泵浦光与探测光合并之前处；
光学聚焦透镜组，用于光束聚焦，位于待测样品前端，真空腔外；
多维样品支架，用于夹持并调节样品方位，固定于真空腔体顶部，位于真空腔内；
密闭真空腔体，用于提供超高真空环境；
真空泵组，用于维持真空腔体内的超高真空度，位于真空腔外，与真空腔体相连；
1/2玻片，用于调整寻常光和非常光相位差等于π或其奇数倍，位于分光棱镜前端；
分光棱镜，用于将出射探测光变成两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光，位于光电二极管前端；
光电二极管，用于光电信号的转换，位于锁相放大器前端；
锁相放大器，用于噪声的过滤，信号放大及处理，位于整个系统末端；
磁铁，用于为带测样品提供稳定的磁场，位于真空腔体外；
恒温装置，用于及时耗散样品表面热量，位于多位样品支架末端的平移台上，与带测样品相连；
平移台，用于以毫米级步长，在小于样品大小区域内调整样品位置，位于多位样品支架末端，与带测样品及恒温装置相连；
成像装置，辅助调整真空腔内的光路，查看激光束在样品表面的聚焦状况，位于泵浦及探测光从真空腔内部出射光路中，1/2玻片前端。
2.根据权利要求1所述的真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其特征在于：所述的超快激光器包含任意能够产生飞秒级激光，波长恒定或可变，重复频率在1kHz～85MHz之间的激光器。
3.根据权利要求1所述的真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其特征在于：所述的时间延迟线由步进电机、直角棱镜及其支架构成，所含步进电机的最小位移Δsmin直接决定了整个表征仪器的时间分辨率t，其关系为2×Δsmin＝t×vlight，vlight为光在真空中的传播速度。
4.根据权利要求1所述的真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其特征在于：所述的偏振分光棱镜包含任意可以使P偏振光和S偏振光分别透过或反射的光学元件，偏振度保证在105以上。
5.根据权利要求1所述的真空环境下的薄膜磁性表征仪器，其特征在于：所述的多维样品支架包含一至五维样品调整的支架，其中五维可以是三维平移，二维旋转。
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