CN108680875B - 一种磁光克尔信号测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料表面磁性测量领域，一种磁光克尔信号测量方法，测量装置包括激光器、偏振控制器、隔离器、保偏环形器、偏振器、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、非球面镜、1/4波片、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、磁体、样品台、电源、光电探测器、信号发生器、功率分配器I、计算机、低通滤波器、锁相放大器I、倍频器、功率分配器II、锁相放大器II、入射光路及反射光路，探针中具有通孔，采用同一束光的两个正交偏振分量干涉的方法来获得样品的克尔角的信息，减少了来自于装置本身的某些非磁性效应比如线性双折射和线性二色性对测量准确性的影响，主要光路都在光纤中，减少光路中的光学元件，降低了杂散光的影响，提高了信噪比。

Description

一种磁光克尔信号测量方法
技术领域
本发明涉及材料表面磁性测量领域，尤其是一种采用单光束干涉方法来研究材料表面磁光克尔信号的一种磁光克尔信号测量方法。
背景技术
磁光克尔效应测量装置是材料表面磁性研究中的一种重要手段，其工作原理是基于由光与磁化介质间相互作用而引起的磁光克尔效应，其不仅能够进行单原子层厚度材料的磁性检测，而且可实现非接触式测量，在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。磁光克尔效应测量装置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样品表面的磁化观测。现有技术缺陷一：在克尔角测量实验中，某些非磁性效应比如线性双折射和线性二色性会影响测量的准确性，同时会影响光的偏振态，这些效应不仅由于样品而产生，也来自于装置本身；现有技术缺陷二：现有技术中的克尔角测量实验通常采用的是光束在大气中的光学元件之间传播的方案，容易受到光学元件的位置偏差的影响，影响信号的精度；现有技术缺陷三：传统的近场克尔显微镜探测的样品表面局域区域的光强较弱，导致信噪比较低，所述一种磁光克尔信号测量方法能解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用同一束光的两个正交偏振分量干涉的方法来获得样品的克尔角的信息，并使得主要光路都在光纤中，减少光路中的光学元件，提高了信噪比；另外，本发明采用具有通孔的原子力显微镜探针，能够得到样品表面纳米尺度结构的磁化特征。
本发明所采用的技术方案是：
测量装置主要包括激光器、偏振控制器、隔离器、保偏环形器、偏振器、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、非球面镜、1/4波片、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、磁体、样品台、电源、光电探测器、信号发生器、功率分配器I、计算机、低通滤波器、锁相放大器I、倍频器、功率分配器II、锁相放大器II、入射光路及反射光路，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，zx平面与水平面垂直，隔离器具有入口和出口两个端口，且光束仅能从入口输入并从出口输出，而出口进入的光束则无法到达入口，保偏环形器具有A、B、C三个端口，且从A端口进入保偏环形器的光束仅能从B端口输出、从B端口进入保偏环形器的光束仅能从C端口输出，电光调制器具有端口I和端口II，所述样品、磁体、样品台依次位于探针正下方，磁体连接有电源，所述探针为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述探针中沿圆台轴线方向具有通孔，所述探针圆台形状的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述透镜台直径十厘米，所述光电探测器的一端光纤连接保偏环形器的C端口、另一端电缆连接倍频器，所述信号发生器两端分别电缆连接功率分配器I和功率分配器II，所述功率分配器II电缆连接锁相放大器II，所述锁相放大器II、锁相放大器I、计算机依次电缆连接，所述功率分配器I电缆连接电光调制器，所述功率分配器I电缆连接锁相放大器I，所述锁相放大器I、低通滤波器、倍频器、锁相放大器II依次电缆连接，所述保偏光纤I的一端连接偏振器、另一端连接电光调制器的端口I，保偏光纤II连接电光调制器的端口II，所述保偏光纤I和保偏光纤II均具有慢轴和快轴，保偏光纤I的慢轴与电光调制器的横磁模成45度角，保偏光纤II的慢轴与电光调制器的横磁模方向平行，1/4波片的慢轴与保偏光纤II的慢轴成45度角，所述激光器、偏振控制器、隔离器、保偏环形器、偏振器依次光纤连接，所述激光器发射的激光束依次经偏振控制器、隔离器的入口、隔离器的出口、保偏环形器的A端口、保偏环形器的B端口、偏振器、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、非球面镜、1/4波片、透镜台、原子力显微镜、探针，从而形成入射光路，从样品反射的光依次经探针、原子力显微镜、透镜台、1/4波片、非球面镜、保偏光纤II、电光调制器、保偏光纤I、偏振器、保偏环形器的B端口、保偏环形器的C端口、光电探测器，从而形成反射光路；所述探针的通孔的开口直径为500纳米，所述保偏光纤I长度为1.5米，保偏光纤II长度为9.5米。
所述一种磁光克尔信号测量方法的步骤如下：
一.激光器发射中心波长800纳米的光，且光束中波长差小于10纳米，激光功率0.2毫瓦，光束的宽度大于2纳米且小于10纳米；
二.调整偏振控制器，使得偏振控制器与光源发出的部分偏振光准直，使得光的最大功率偏振方向与隔离器以及保偏环形器的慢轴耦合；
三.光束依次经过隔离器、保偏环形器的A端口、保偏环形器的B端口、偏振器及保偏光纤I后到达电光调制器端口I；
四.由于保偏光纤I的慢轴与电光调制器的横磁模成45度角，当光束到达电光调制器的端口I时，光的横磁模和横电模基本相等，在电光调制器中光束被分成两个正交偏振的分量，电光调制器中的横磁模和横电模分别定义为光I和光II，光I和光II分别与保偏光纤II的慢轴和快轴耦合；
五.光I和光II从保偏光纤II出来后经过非球面镜到达1/4波片，并被转变为两束偏振方向相反的圆偏振光；
六.当光I和光II在样品表面发生反射时，会产生不同的相位，相位差的一半为所需测量的克尔角，光I和光II在样品表面发生反射后穿过1/4波片时重新转变为线偏光，光I和光II的正交偏振分量的偏振互换，结果是，光I和光II分别耦合进入的保偏光纤II的快轴和慢轴；
七.光I和光II到达电光调制器的端口II，并在电光调制器中受到相位调制，当光I和光II重新耦合进入保偏光纤的慢轴，会发生干涉，光纤的快轴中剩余的光功率被偏振器过滤；
八.光束返回保偏环形器并偏转进入光电探测器；
九.分别采用锁相放大器I和锁相放大器II测量一阶谐波和二阶谐波，锁相放大器I的输入端之前连接有低通滤波器以过滤二阶谐波，锁相放大器I和锁相放大器II的积分时间均设置为一秒；
十.根据锁相放大器I得到的光强的一阶分量Iω和锁相放大器II得到的光强的二阶分量I2ω，以及光I和光II的相位差φm，由公式
Figure GSB0000186061940000031
计算得到克尔角，J1和J2分别为一阶和二阶贝塞尔函数。
本发明的有益效果是：
本发明采用同一束光的两个正交偏振分量干涉的方法来获得样品的克尔角的信息，减少了来自于装置本身的某些非磁性效应比如线性双折射和线性二色性对测量准确性的影响，另外，主要光路都在光纤中，减少光路中的光学元件，降低了杂散光的影响，提高了信噪比。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图。
图中，1.激光器，2.偏振控制器，3.隔离器，4.保偏环形器，5.偏振器，6.保偏光纤I，7.电光调制器，8.保偏光纤II，9.非球面镜，10. 1/4波片，11.透镜台，12.原子力显微镜，13.探针，14.样品，15.磁体，16.样品台，17.电源，18.光电探测器，19.信号发生器，20.功率分配器I，21.计算机，22.低通滤波器，23.锁相放大器I，24.倍频器，25.功率分配器II，26.锁相放大器II。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，右下角具有xyz三维方向标，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，zx平面与水平面垂直，测量装置主要包括激光器1、偏振控制器2、隔离器3、保偏环形器4、偏振器5、保偏光纤I6、电光调制器7、保偏光纤II8、非球面镜9、1/4波片10、透镜台11、原子力显微镜12、探针13、样品14、磁体15、样品台16、电源17、光电探测器18、信号发生器19、功率分配器I20、计算机21、低通滤波器22、锁相放大器I23、倍频器24、功率分配器II25、锁相放大器II26、入射光路及反射光路，隔离器3具有入口和出口两个端口，且光束仅能从入口输入并从出口输出，而出口进入的光束则无法到达入口，保偏环形器4具有A、B、C三个端口，且从A端口进入保偏环形器4的光束仅能从B端口输出、从B端口进入保偏环形器4的光束仅能从C端口输出，电光调制器7具有端口I和端口II，所述样品14、磁体15、样品台16依次位于探针13正下方，磁体15连接有电源17，所述探针13为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述探针13中沿圆台轴线方向具有通孔，所述探针圆台形状的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述透镜台11直径十厘米，所述光电探测器18的一端光纤连接保偏环形器4的C端口、另一端电缆连接倍频器24，所述信号发生器19两端分别电缆连接功率分配器I20和功率分配器II25，所述功率分配器II25电缆连接锁相放大器II26，所述锁相放大器II26、锁相放大器I23、计算机21依次电缆连接，所述功率分配器I20电缆连接电光调制器7，所述功率分配器I20电缆连接锁相放大器I23，所述锁相放大器I23、低通滤波器22、倍频器24、锁相放大器II26依次电缆连接，所述保偏光纤I6的一端连接偏振器5、另一端连接电光调制器7的端口I，保偏光纤II8连接电光调制器7的端口II，所述保偏光纤I6和保偏光纤II8均具有慢轴和快轴，保偏光纤I6的慢轴与电光调制器7的横磁模成45度角，保偏光纤II8的慢轴与电光调制器7的横磁模方向平行，1/4波片10的慢轴与保偏光纤II8的慢轴成45度角，所述激光器1、偏振控制器2、隔离器3、保偏环形器4、偏振器5依次光纤连接，所述激光器1发射的激光束依次经偏振控制器2、隔离器3的入口、隔离器3的出口、保偏环形器4的A端口、保偏环形器4的B端口、偏振器5、保偏光纤I6、电光调制器7、保偏光纤II8、非球面镜9、1/4波片10、透镜台11、原子力显微镜12、探针13，从而形成入射光路，从样品14反射的光依次经探针13、原子力显微镜12、透镜台11、1/4波片10、非球面镜9、保偏光纤II8、电光调制器7、保偏光纤I6、偏振器5、保偏环形器4的B端口、保偏环形器4的C端口、光电探测器18，从而形成反射光路；所述探针13的通孔的开口直径为500纳米，所述保偏光纤I6长度为1.5米，保偏光纤II8长度为9.5米。
所述一种磁光克尔信号测量方法的步骤如下：
一.激光器1发射中心波长800纳米的光，且光束中波长差小于10纳米，激光功率0.2毫瓦，光束的宽度大于2纳米且小于10纳米；
二.调整偏振控制器2，使得偏振控制器2与光源发出的部分偏振光准直，使得光的最大功率偏振方向与隔离器3以及保偏环形器4的慢轴耦合；
三.光束依次经过隔离器3、保偏环形器4的A端口、保偏环形器4的B端口、偏振器5及保偏光纤I6后到达电光调制器7端口I；
四.由于保偏光纤I6的慢轴与电光调制器7的横磁模成45度角，当光束到达电光调制器7的端口I时，光的横磁模和横电模基本相等，在电光调制器7中光束被分成两个正交偏振的分量，电光调制器7中的横磁模和横电模分别定义为光I和光II，光I和光II分别与保偏光纤II的慢轴和快轴耦合；
五.光I和光II从保偏光纤II8出来后经过非球面镜9到达1/4波片10，并被转变为两束偏振方向相反的圆偏振光；
六.当光I和光II在样品表面发生反射时，会产生不同的相位，相位差的一半为所需测量的克尔角，光I和光II在样品表面发生反射后穿过1/4波片10时重新转变为线偏光，光I和光II的正交偏振分量的偏振互换，结果是，光I和光II分别耦合进入的保偏光纤II8的快轴和慢轴；
七.光I和光II到达电光调制器7的端口II，并在电光调制器7中受到相位调制，当光I和光II重新耦合进入保偏光纤6的慢轴，会发生干涉，光纤的快轴中剩余的光功率被偏振器5过滤；
八.光束返回保偏环形器4并偏转进入光电探测器18；
九.分别采用锁相放大器I23和锁相放大器II26测量一阶谐波和二阶谐波，锁相放大器I23的输入端之前连接有低通滤波器22以过滤二阶谐波，锁相放大器I和锁相放大器II的积分时间均设置为一秒；
十.根据锁相放大器I23得到的光强的一阶分量Iω和锁相放大器II26得到的光强的二阶分量I2ω，以及光I和光II的相位差φm，由公式
Figure GSB0000186061940000061
计算得到克尔角，J1和J2分别为一阶和二阶贝塞尔函数。
本发明采用同一束光的两个正交偏振分量干涉的方法来获得样品的克尔角的信息，减少了来自于装置本身的非磁性效应对实验结果的干扰；另外，主要光路都在光纤中，减少光路中的光学元件，提高了信噪比；再者，采用具有通孔的原子力显微镜探针，能够得到样品表面纳米尺度结构的磁化特征。

Claims (1)

1.一种磁光克尔信号测量方法，测量装置主要包括激光器、偏振控制器、隔离器、保偏环形器、偏振器、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、非球面镜、1/4波片、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、磁体、样品台、电源、光电探测器、信号发生器、功率分配器I、计算机、低通滤波器、锁相放大器I、倍频器、功率分配器II、锁相放大器II、入射光路及反射光路，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，zx平面与水平面垂直，隔离器具有入口和出口两个端口，且光束仅能从入口输入并从出口输出，而出口进入的光束则无法到达入口，保偏环形器具有A、B、C三个端口，且从A端口进入保偏环形器的光束仅能从B端口输出、从B端口进入保偏环形器的光束仅能从C端口输出，电光调制器具有端口I和端口II，所述样品、磁体、样品台依次位于探针正下方，磁体连接有电源，所述探针为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述探针中沿圆台轴线方向具有通孔，所述探针圆台形状的上底面直径为2微米、下底面直径为1微米，所述透镜台直径十厘米，所述光电探测器的一端光纤连接保偏环形器的C端口、另一端电缆连接倍频器，所述信号发生器两端分别电缆连接功率分配器I和功率分配器II，所述功率分配器II电缆连接锁相放大器II，所述锁相放大器II、锁相放大器I、计算机依次电缆连接，所述功率分配器I电缆连接电光调制器，所述功率分配器I电缆连接锁相放大器I，所述锁相放大器I、低通滤波器、倍频器、锁相放大器II依次电缆连接，所述保偏光纤I的一端连接偏振器、另一端连接电光调制器的端口I，保偏光纤II连接电光调制器的端口II，所述保偏光纤I和保偏光纤II均具有慢轴和快轴，保偏光纤I的慢轴与电光调制器的横磁模成45度角，保偏光纤II的慢轴与电光调制器的横磁模方向平行，1/4波片的慢轴与保偏光纤II的慢轴成45度角，所述激光器、偏振控制器、隔离器、保偏环形器、偏振器依次光纤连接，所述激光器发射的激光束依次经偏振控制器、隔离器的入口、隔离器的出口、保偏环形器的A端口、保偏环形器的B端口、偏振器、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、非球面镜、1/4波片、透镜台、原子力显微镜、探针，从而形成入射光路，从样品反射的光依次经探针、原子力显微镜、透镜台、1/4波片、非球面镜、保偏光纤II、电光调制器、保偏光纤I、偏振器、保偏环形器的B端口、保偏环形器的C端口、光电探测器，从而形成反射光路，所述探针的通孔的开口直径为500纳米，所述保偏光纤I长度为1.5米，保偏光纤II长度为9.5米，其特征是，所述一种磁光克尔信号测量方法的步骤如下：
一.激光器发射中心波长800纳米的光，且光束中波长差小于10纳米，激光功率0.2毫瓦，光束的宽度大于2纳米且小于10纳米；
二.调整偏振控制器，使得偏振控制器与光源发出的部分偏振光准直，使得光的最大功率偏振方向与隔离器以及保偏环形器的慢轴耦合；
三.光束依次经过隔离器、保偏环形器的A端口、保偏环形器的B端口、偏振器及保偏光纤I后到达电光调制器端口I；
四.由于保偏光纤I的慢轴与电光调制器的横磁模成45度角，当光束到达电光调制器的端口I时，光的横磁模和横电模基本相等，在电光调制器中光束被分成两个正交偏振的分量，电光调制器中的横磁模和横电模分别定义为光I和光II，光I和光II分别与保偏光纤II的慢轴和快轴耦合；
五.光I和光II从保偏光纤II出来后经过非球面镜到达1/4波片，并被转变为两束偏振方向相反的圆偏振光；
六.当光I和光II在样品表面发生反射时，会产生不同的相位，相位差的一半为所需测量的克尔角，光I和光II在样品表面发生反射后穿过1/4波片时重新转变为线偏光，光I和光II的正交偏振分量的偏振互换，结果是，光I和光II分别耦合进入的保偏光纤II的快轴和慢轴；
七.光I和光II到达电光调制器的端口II，并在电光调制器中受到相位调制，当光I和光II重新耦合进入保偏光纤的慢轴，会发生干涉，光纤的快轴中剩余的光功率被偏振器过滤；
八.光束返回保偏环形器并偏转进入光电探测器；
九.分别采用锁相放大器I和锁相放大器II测量一阶谐波和二阶谐波，锁相放大器I的输入端之前连接有低通滤波器以过滤二阶谐波，锁相放大器I和锁相放大器II的积分时间均设置为一秒；
十.根据锁相放大器I得到的光强的一阶分量Iω和锁相放大器II得到的光强的二阶分量I2ω，以及光I和光II的相位差φm，由公式
Figure FSB0000186061930000021
计算得到克尔角，J1和J2分别为一阶和二阶贝塞尔函数。
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