CN107525769A - 一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，所述方法通过建立磁畴成像效果（包括信噪比和对比度）与偏振器方位角组合之间的数学模型，对磁畴成像效果与偏振器方位角组合之间的关系进行模拟分析，从而找到最佳的偏振期方位角，提高磁畴成像的质量。

Description

一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法
技术领域
本发明涉及一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，涉及在磁畴成像系统中，通过建立磁畴成像效果（主要包括信噪比和对比度两方面）与偏振器方位角组合之间的数学模型，得到磁畴成像效果与偏振器方位角之间的关系，并通过计算分析对成像效果进行模拟，从而找到最佳的偏振器方位角，提高磁畴成像的质量。
背景技术
超薄磁性薄膜目前已被广泛运用在信息存储领域，特别是高密度磁光存储设备和自旋电子器件的设计和制造中，因此提高超磁性薄膜材料的性质对这些领域的发展具有重要意义。又由于超磁性材料的宏观性质是对磁畴结构和行为的反映，因此为了进一步了解并提高超磁性薄膜材料的性能需要对其内部磁畴的结构和行为进行深入的研究。目前对磁畴结构和行为的研究主要采用的磁畴观测技术有粉末法、磁力显微镜法、电子显微镜法、磁光克尔效应法等。其中磁光克尔效应法由于其较高的表面灵敏度和外部磁场兼容性在观测外场作用下磁性材料尤其是超薄磁性薄膜材料中的磁畴的结构和行为方面具有广泛的应用。
基于磁光克尔效应法的磁畴成像系统主要是通过检测一束线偏振光在材料表面反射后的偏振态变化引起的光强变化进行磁畴观测。因此磁畴成像的效果极易受到光学元件设置，尤其是偏振器方位角设置的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，通过建立磁畴成像效果（包括信噪比和对比度）与偏振器方位角组合之间的数学模型，对磁畴成像效果与偏振器方位角组合之间的关系进行模拟分析，从而找到最佳的偏振器方位角，提高磁畴成像的质量。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，包括以下步骤：S01、建立偏振器方位角与磁畴成像效果的评价指标之间的数学模型，磁畴成像效果的评价指标包括图像对比度C和信噪比r，偏振器方位角、与图像对比度C、信噪比r的的关系表达式为：
（1）
（2）
其中参数Bi为磁致反射系数的实部与虚部的组合，其数值可以通过磁光椭偏实验测量得到，
参数fi为偏振器方位角正余弦值的组合，
i为探测器接收到的光电流，iD为探测器的暗噪声，iS为散粒噪声， VJ为热噪声；再根据C、r与偏振器方位角的关系表达式，建立磁畴成像效果的评价参数y，y与偏振器方位角的关系为： (3)，
其中Cmax，rmax分别为对比度和信噪比的最优值；
S02、根据公式 3对评价参数y与偏振器方位角的组合进行模拟分析，结合由公式1、2得到的对比度C、信噪比r与偏振器方位角的关系，得到具有较好成像效果的偏振器方位角的设置方式。
本发明所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，步骤2具体为：S2.1、根据公式1对对比度C与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到对比度最大时的偏振器方位角；S2.2、根据公式2对信噪比r与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到信噪比最大时的偏振器方位角；S2.3、对前两步得到的偏振器方位角进行比较，若两者相差较大，则取使对比度C不小于0.03的偏振器方位角范围，在此范围内根据公式3对评价参数y与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到评价参数最小时偏振器方位角的范围，此偏振器方位角的范围就是具有较好成像效果的偏振器方位角。
本发明所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，步骤S2.3得到两处具有较好成像效果的偏振器方位角，一处在对比度最大的位置，另一处在信噪比值较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大的位置，选取处于信噪比较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大的的偏振器方位角范围，然后根据公式1进行模拟分析，得到此范围内对比度最大时的偏振器方位角，此偏振器方位角为具有较好成像效果的偏振器方位角。
本发明所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，本方法对200nm坡莫合金薄膜成像过程中的偏振器方位角的设置方式进行模拟分析。
本发明所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，200nm坡莫合金薄膜具有较佳成像效果的偏振器方位角的范围为(0.4,89.7) 或者(0~11°，80~84°)。
本发明所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，200nm坡莫合金薄膜具有较佳成像效果的偏振器方位角的范围为(0.4,89.7) 或者(7°,84°)。
本发明的有益效果：本发明通过建立磁畴成像效果（包括信噪比和对比度）与偏振器方位角组合之间的数学模型，对磁畴成像效果与偏振器方位角组合之间的关系进行模拟分析，从而找到最佳的偏振器方位角，提高磁畴成像的质量。
附图说明
图1为基于磁光克尔效应法的磁畴成像系统的示意图；
图2为对比度与偏振器方位角的模拟结果图；
图3为信噪比与偏振器方位角的模拟结果图；
图4为评价参数与偏振器方位角的模拟结果图；
图5为(0~11°，80~84°)范围内对比度与偏振器方位角的模拟结果图。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，为本发明中所分析的基于磁光克尔效应法的磁畴成像系统的示意图，包括：照明光源，其发出的入射光为强度均匀的平行光束；起偏器，用于将入射光转换为线偏振光；光阑，用于调节入射到样片上的光斑大小；样品台，用于安置待测样品（从样品表面反射的光其偏振态由于磁场的作用会发生变化）；电磁铁，用于对样品施加磁场从而观测磁场作用下磁畴的动态变化；检偏器，用于对反射光进行调制，从而将反射光中偏振态分布转化为光强分布，从而对样品中的磁畴状态进行成像；成像物镜，选用合适的放大倍率对磁畴成像；CCD，用于接收磁畴图像并传输到PC端；控制箱，主要用于实现PC对偏振器步进电机的控制，用于实现对偏振器方位角的优化调节。
本实施例所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法包括以下步骤：S01、建立偏振器方位角与磁畴成像效果的评价指标之间的数学模型，磁畴成像效果与偏振器方位角关系的数学模型是根据传输矩阵、边界矩阵以及菲涅尔定律计算得到的。磁畴成像效果的评价指标包括图像对比度C和信噪比r，偏振器方位角、与图像对比度C、信噪比r的的关系表达式为：
（1）
（2）
其中参数Bi为磁致反射系数的实部与虚部的组合，其数值可以通过磁光椭偏实验测量得到，
参数fi为偏振器方位角正余弦值的组合，
i为探测器接收到的光电流，iD为探测器的暗噪声，iS为散粒噪声， VJ为热噪声；再根据C、r与偏振器方位角的关系表达式，建立磁畴成像效果的评价参数y，y与偏振器方位角的关系为： (3)，
其中Cmax，rmax分别为对比度和信噪比的最优值；
S02、根据公式 3对评价参数y与偏振器方位角的组合进行模拟分析，结合由公式1、2得到的对比度C、信噪比r与偏振器方位角的关系，得到具有较好成像效果的偏振器方位角的设置方式。
步骤2具体为：S2.1、根据公式1对对比度C与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到对比度最大时的偏振器方位角；S2.2、根据公式2对信噪比r与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到信噪比最大时的偏振器方位角；S2.3、对前两步得到的偏振器方位角进行比较，若两者相差较大，则取使对比度C不小于0.03的偏振器方位角范围，在此范围内根据公式3对评价参数y与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到评价参数最小时偏振器方位角的范围，此偏振器方位角的范围就是具有较好成像效果的偏振器方位角。
本发明所述通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，步骤S2.3得到两处具有较好成像效果的偏振器方位角，一处在对比度最大的位置，另一处在信噪比值较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大的位置，选取处于信噪比较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大的的偏振器方位角范围，然后根据公式1进行模拟分析，得到对比度最大时的偏振器方位角，此偏振器方位角为具有较好成像效果的偏振器方位角。
本实施例中，以200nm坡莫合金薄膜为例对其成像过程中的偏振器方位角的设置方式进行了模拟分析。图(2)为由公式1模拟得到的对比度与偏振器方位角的关系，从图中可以看到对比度在以p光或者s光入射时的消光位置附近最大，最大值在（0.4,89.7）和（89.7,0.4）处取得。图3为由公式2模拟得到的信噪比与偏振器方位角的关系，从图中可以看到信噪比在(15°,65°)附近最大。
由于对比度最大的位置和信噪比最大的位置相差较大，而较好的成像效果需要两者同时取得较大的值，因此需进行进一步的模拟分析。研究表明要得到较好的成像效果C的值不能小于0.03，由图2可以得到为了使C的值不小0.03, θ1的值不能大于11°，θ2的值不能小于80°。在此范围内通过公式3进行模拟得到了评价参数y与偏振器方位角的关系如图4所示，从图中可以看到y有两处最小值，一处为(0.4,89.7)，即对比度最大的位置。另一处为(80~84°,0~11°)范围内，从图(3)可以看到，这一范围内信噪比值较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大，因此可以取这一范围内对比度最大的位置。之后根据公式(10)模拟得到了这一范围内的对比度的图像如图5所示，从图中可以得到C的最大值在(7°,84°)处。因此分析得到两处成像效果较好的位置分别为对比度最大的(0.4,89.7)以及信噪比较大的(7°,84°)。然后可以根据需要选择一种方式对偏振器方位角进行调节设置。
本发明提出了一种磁光克尔效应成像系统中基于偏振器方位角的提高成像效果的方法。并通过对200nm的坡莫合金薄膜的模拟分析对这一方法进行了详细的介绍。对于200nm的坡莫合金，为了得到较好的成像效果可以根据需要将偏振器方位角设置在对比度最大的(0.4°,89.7°)或对比度较小但信噪比较大的(7°,84°)处。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明作出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，其特征在于：包括以下步骤：S01、建立偏振器方位角与磁畴成像效果的评价指标之间的数学模型，磁畴成像效果的评价指标包括图像对比度C和信噪比r，偏振器方位角、与图像对比度C、信噪比r的的关系表达式为：
（1）
（2）
其中参数Bi为磁致反射系数的实部与虚部的组合，其数值可以通过磁光椭偏实验测量得到，
参数fi为偏振器方位角正余弦值的组合，
i为探测器接收到的光电流，iD为探测器的暗噪声，iS为散粒噪声， VJ为热噪声；再根据C、r与偏振器方位角的关系表达式，建立磁畴成像效果的评价参数y，y与偏振器方位角的关系为： (3)，
其中Cmax，rmax分别为对比度和信噪比的最优值；
S02、根据公式 3对评价参数y与偏振器方位角的组合进行模拟，结合由公式1、2得到的对比度C、信噪比r与偏振器方位角的关系，得到具有较好成像效果的偏振器方位角的设置方式。
2.根据权利要求1所述的通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，其特征在于：步骤2具体为：S2.1、根据公式1对对比度C与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到对比度最大时的偏振器方位角；S2.2、根据公式2对信噪比r与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到信噪比最大时的偏振器方位角；S2.3、对前两步得到的偏振器方位角进行比较，若两者相差较大，则取使对比度C不小于0.03的偏振器方位角范围，在此范围内根据公式3对评价参数y与偏振器方位角的关系进行模拟分析，得到评价参数最小时偏振器方位角的范围，此偏振器方位角的范围就是具有较好成像效果的偏振器方位角。
3.根据权利要求2所述的通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，其特征在于：步骤S2.3得到两处具有较好成像效果的偏振器方位角，一处在对比度最大的位置，另一处在信噪比值较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大的位置，选取处于信噪比较大且随着偏振器方位角的改变信噪比值差别不大的的偏振器方位角范围，然后根据公式1进行模拟分析，得到此范围内对比度最大时的偏振器方位角，此偏振器方位角为具有较好成像效果的偏振器方位角。
4.根据权利要求1或3所述的通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，其特征在于：本方法对200nm坡莫合金薄膜成像过程中的偏振器方位角的设置方式进行模拟分析。
5.根据权利要求4所述的通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，200nm坡莫合金薄膜具有较佳成像效果的偏振器方位角的范围为(0.4，89.7) 或者(0~11°，80~84°)。
6.根据权利要求4所述的通过优化偏振器方位角提高磁畴成像质量的方法，200nm坡莫合金薄膜具有较佳成像效果的偏振器方位角的范围为(0.4，89.7) 或者(7°，84°)。
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