CN108957370B - 一种复杂磁畴中的磁化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料表面磁性测量领域，一种复杂磁畴中的磁化测量方法，包括纵向克尔灵敏度的方法和测量纯极向克尔灵敏度的方法，测量装置主要包括光源、偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II、半透明反射镜、物镜、样品、样品台、磁铁、补偿器、检偏器、二向色镜II、非球面镜III、光电探测器I、非球面镜IV、光电探测器II，采用双色的LED灯阵列作为光源，无需光阑狭缝来改变样品上的照亮区域，并采用两个成像光路，能够在不改变装置结构的基础上得到不同磁化矢量成分的磁畴图像，能够直接地实时获得磁化矢量的图像，测量时间较短，特别适合用于研究磁性薄膜结构中的复杂磁化转变，无需复杂的校准过程，操作流程简单。

Description

一种复杂磁畴中的磁化测量方法

技术领域

本发明涉及材料表面磁性测量领域，尤其是一种采用特殊光源结构的一种复杂磁畴中的磁化测量方法。

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。克尔显微镜是一种常用的装置，其工作原理为：平面偏振光与非透明的磁性媒介表面相互作用后，被反射的光的偏振平面产生了顺时针或逆时针的旋转，其旋转方向与媒介的磁化方向有关，通常反射光中的椭圆偏振是叠加的，反射光经过反射光路中的检偏器后，克尔旋转转变为磁畴对比度，从而得到样品表面不同区域的磁畴的磁化特征。现有技术缺陷一：现有技术只能得到统计磁化图案，即相同的磁化分布必须在不同的成像条件下得到，只能以此得到单独的稳定的磁畴结构的单个矢量图，另外，现有技术中的矢量磁畴成像方法需要较长的测量时间；现有技术缺陷二：现有技术中使用单一波长光源，在测试前需要复杂的校准过程，所述一种复杂磁畴中的磁化测量方法能解决问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用双色的LED灯阵列作为光源，无需光阑狭缝来改变样品上的照亮区域，并采用两个成像光路，能够在不改变装置结构的基础上得到不同磁化矢量成分的磁畴图像，能够直接地实时获得磁化矢量的图像，特别适合用于研究磁性薄膜结构中的复杂磁化转变。另外，本发明无需复杂的校准过程。

本发明所采用的技术方案是：

测量装置主要包括光源、偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II、半透明反射镜、物镜、样品、样品台、磁铁、补偿器、检偏器、二向色镜II、非球面镜III、光电探测器I、非球面镜IV、光电探测器II，所述光源、偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II、半透明反射镜、物镜依次组成照明光路，所述物镜、半透明反射镜、补偿器、检偏器、二向色镜II、非球面镜III和非球面镜IV组成成像光路，样品位于样品台上，所述样品、样品台位于物镜下方，所述磁铁由正极和负极组成，样品台具有中心轴，样品台能够绕中心轴在水平面内旋转，所述磁铁的正极和负极相对于样品台中心轴对称，光源发出的光依次经过偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射，所述光源由四个成十字形排列的长方形LED灯组成，所述四个LED灯为灯I、灯II、灯III和灯IV，灯I发出的光为光束I，灯II发出的光为光束II，灯III发出的光为光束III，灯IV发出的光为光束IV，光束I和光束IV波长均为500纳米，光束II和光束III波长均为650纳米，每个LED灯位于光源的输出端，每个LED灯输出功率均为200毫瓦，通过调整二向色镜I、非球面镜I、视场光阑和非球面镜II的位置，能够使得光源的输出端成像于物镜的背聚焦平面；所述偏振器由四个独立的成十字形排列的偏振器I、偏振器II、偏振器III和偏振器IV组成；样品表面的反射光经物镜汇集后依次经过半透明反射镜、补偿器、检偏器、二向色镜II，被所述二向色镜II重新分成波长分别为500纳米和650纳米的两束光，一束通过非球面镜III后进入光电探测器I，另一束通过非球面镜IV后进入光电探测器II，光电探测器I和光电探测器II中均能够探测到光信号。

技术原理如下：样品中的极向克尔效应对应的样品磁化方向为面外，纵向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并沿着光的入射面，横向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并与光入射平面垂直。通过改变入射光偏振平面的方向、光的入射角的方向、样品的磁化方向，能够将样品中的极向克尔效应和纵向克尔效应区分开来，横向克尔效应会引起反射光的幅度变化。根据克尔效应的折射规则，能够得出一个简单的法则：探测得到的样品表面的克尔对比度与沿反射光束传播方向的磁化成分成正比。如入射光垂直入射到样品表面，反射光垂直反射，样品中的面内磁化磁畴没有沿着反射光传播方向的分量，即没有显示出对比度。相反，样品中的面外磁化的磁畴中，存在最大的矢量分量，即显示出极向克尔效应的最大对比度。因此，为了得到面内磁化磁畴之间的对比度差异，即区分不同的面内磁化磁畴，需要斜入射光：根据入射光平面及入射光的方向，样品表面不同磁化方向的磁畴所反射的光在探测器中会表现出不同的克尔对比度，因此能够将不同磁化方向的磁畴区别开来。

所述一种复杂磁畴中的磁化测量方法包括测量纵向克尔灵敏度的方法，

测量纵向克尔灵敏度的方法的步骤如下：

一.开启灯I和灯II，调节偏振器，使得光束I为S偏振，光束II为P偏振，光束I与光束II经过二向色镜I后，并依次经过非球面镜I、视场光阑、非球面镜II，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射的反射光经过物镜汇集后，依次经过半透明反射镜、补偿器，被二向色镜II分成两束，一束通过非球面镜III后进入光电探测器I，另一束通过非球面镜IV后进入光电探测器II，光电探测器I和光电探测器II中均能够探测到光信号；

二.开启灯III和灯IV，调节偏振器，使得光束III为S偏振，光束IV为P偏振，光束III与光束IV经过二向色镜I后，并依次经过非球面镜I、视场光阑、非球面镜II，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射的反射光经过物镜汇集后，依次经过半透明反射镜、补偿器，被二向色镜II分成两束，一束通过非球面镜III后进入光电探测器I，另一束通过非球面镜IV后进入光电探测器II，光电探测器I和光电探测器II中均能够探测到光信号；

三.对上述步骤一与步骤二中光电探测器I和光电探测器II中探测到光信号进行平均处理，得到样品表面不同纵向克尔灵敏度的磁畴图像。

本发明的有益效果是：

本发明采用双色的LED灯阵列作为光源，并采用两个不同波长的成像光路，能够在不改变装置结构的基础上得到不同磁化矢量成分的磁畴图像，能够直接地实时获得磁化矢量的图像，测量时间较短，能够用于研究磁性薄膜结构中的复杂磁化转变。另外，本发明无需复杂的校准过程。

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2是光源的侧视图；

图3是偏振器的侧视图。

图中，1.光源，1-1.灯I，1-2.灯II，1-3.灯III，1-4.灯IV，2.偏振器，2-1.偏振器I，2-2.偏振器II，2-3.偏振器III，2-4.偏振器IV，3.二向色镜I，4.非球面镜I，5.视场光阑，6.非球面镜II，7.半透明反射镜，8.物镜，9.样品，10.样品台，11.磁铁，12.补偿器，13.检偏器，14.二向色镜II，15.非球面镜III，16.光电探测器I，17.非球面镜IV，18.光电探测器II。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，如图2是光源的侧面放大示意图，测量装置主要包括光源1、偏振器2、二向色镜I3、非球面镜I4、视场光阑5、非球面镜II6、半透明反射镜7、物镜8、样品9、样品台10、磁铁11、补偿器12、检偏器13、二向色镜II14、非球面镜III15、光电探测器I16、非球面镜IV17、光电探测器II18，所述光源1、偏振器2、二向色镜I3、非球面镜I4、视场光阑5、非球面镜II6、半透明反射镜7、物镜8依次组成照明光路，所述物镜8、半透明反射镜7、补偿器12、检偏器13、二向色镜II14、非球面镜III15和非球面镜IV17组成成像光路，样品9位于样品台10上，所述样品9、样品台10位于物镜8下方，所述磁铁11由正极和负极组成，样品台10具有中心轴，样品台10能够绕中心轴在水平面内旋转，所述磁铁11的正极和负极相对于样品台中心轴对称，光源1发出的光依次经过偏振器2、二向色镜I3、非球面镜I4、视场光阑5、非球面镜II6，被半透明反射镜7转变为线偏振后偏向进入物镜8，并汇聚到样品9表面，被样品9表面反射，所述光源1由四个成十字形排列的长方形LED灯组成，所述四个LED灯为灯I1-1、灯II1-2、灯III1-3和灯IV1-4，灯I1-1发出的光为光束I，灯IV1-4发出的光为光束IV，光束I和光束IV波长均为500纳米，灯I1-1发出的光为光束I，灯II1-2发出的光为光束II，灯III1-3发出的光为光束III，灯IV1-4发出的光为光束IV，光束I和光束IV波长均为500纳米，光束II和光束III波长均为650纳米，每个LED灯位于光源1的输出端，每个LED灯输出功率均为200毫瓦，通过调整二向色镜I3、非球面镜I4、视场光阑5和非球面镜II6的位置，能够使得光源的输出端成像于物镜8的背聚焦平面；所述偏振器2由四个独立的成十字形排列的偏振器I2-1、偏振器II2-2、偏振器III2-3和偏振器IV2-4组成；样品9表面的反射光经物镜8汇集后依次经过半透明反射镜7、补偿器12、检偏器13、二向色镜II14，被所述二向色镜II14重新分成波长分别为500纳米和650纳米的两束光，一束通过非球面镜III15后进入光电探测器I16，另一束通过非球面镜IV17后进入光电探测器II18，光电探测器I16和光电探测器II18中均能够探测到光信号。

技术原理如下：样品中的极向克尔效应对应的样品磁化方向为面外，纵向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并沿着光的入射面，横向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并与光入射平面垂直。通过改变入射光偏振平面的方向、光的入射角的方向、样品的磁化方向，能够将样品中的极向克尔效应和纵向克尔效应区分开来，横向克尔效应会引起反射光的幅度变化。根据克尔效应的折射规则，能够得出一个简单的法则：探测得到的样品表面的克尔对比度与沿反射光束传播方向的磁化成分成正比。如入射光垂直入射到样品表面，反射光垂直反射，样品中的面内磁化磁畴没有沿着反射光传播方向的分量，即没有显示出对比度。相反，样品中的面外磁化的磁畴中，存在最大的矢量分量，即显示出极向克尔效应的最大对比度。因此，为了得到面内磁化磁畴之间的对比度差异，即区分不同的面内磁化磁畴，需要斜入射光：根据入射光平面及入射光的方向，样品表面不同磁化方向的磁畴所反射的光在探测器中会表现出不同的克尔对比度，因此能够将不同磁化方向的磁畴区别开来。

测量纵向克尔灵敏度的方法的步骤如下：

一.开启灯I1-1和灯II1-2，调节偏振器2，使得光束I为S偏振，光束II为P偏振，光束I与光束II经过二向色镜I3后，并依次经过非球面镜I4、视场光阑5、非球面镜II6，被半透明反射镜7转变为线偏振后偏向进入物镜8，并汇聚到样品9表面，被样品9表面反射的反射光经过物镜8汇集后，依次经过半透明反射镜7、补偿器13，被二向色镜II14分成两束，一束通过非球面镜III15后进入光电探测器I16，另一束通过非球面镜IV17后进入光电探测器II18，光电探测器I16和光电探测器II18中均能够探测到光信号；

二.开启灯III1-3和灯IV1-4，调节偏振器2，使得光束III为S偏振，光束IV为P偏振，光束III与光束IV经过二向色镜I3后，并依次经过非球面镜I4、视场光阑5、非球面镜II6，被半透明反射镜7转变为线偏振后偏向进入物镜8，并汇聚到样品9表面，被样品9表面反射的反射光经过物镜8汇集后，依次经过半透明反射镜7、补偿器13，被二向色镜II14分成两束，一束通过非球面镜III15后进入光电探测器I16，另一束通过非球面镜IV17后进入光电探测器II18，光电探测器I16和光电探测器II18中均能够探测到光信号；

三.对上述步骤一与步骤二中光电探测器I16和光电探测器II18中探测到光信号进行平均处理，得到样品表面不同纵向克尔灵敏度的磁畴图像。

本发明采用不同波长的LED灯阵列作为光源，能够在不改变装置结构的基础上得到不同磁化矢量成分的磁畴图像，能够直接地实时获得磁化矢量的图像，测量时间较短，并有较高图像分辨率。另外，本发明无需复杂的校准过程，操作流程简单。

Claims (1)

1.一种复杂磁畴中的磁化测量方法，测量装置主要包括光源、偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II、半透明反射镜、物镜、样品、样品台、磁铁、补偿器、检偏器、二向色镜II、非球面镜III、光电探测器I、非球面镜IV、光电探测器II，所述光源、偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II、半透明反射镜、物镜依次组成照明光路，所述物镜、半透明反射镜、补偿器、检偏器、二向色镜II、非球面镜III和非球面镜IV组成成像光路，样品位于样品台上，所述样品、样品台位于物镜下方，所述磁铁由正极和负极组成，样品台具有中心轴，样品台能够绕中心轴在水平面内旋转，所述磁铁的正极和负极相对于样品台中心轴对称，光源发出的光依次经过偏振器、二向色镜I、非球面镜I、视场光阑、非球面镜II，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射，所述光源由四个成十字形排列的长方形LED灯组成，所述四个LED灯为灯I、灯II、灯III和灯IV，灯I发出的光为光束I，灯II发出的光为光束II，灯III发出的光为光束III，灯IV发出的光为光束IV，光束I和光束IV波长均为500纳米，光束II和光束III波长均为650纳米，每个LED灯位于光源的输出端，每个LED灯输出功率均为200毫瓦，通过调整二向色镜I、非球面镜I、视场光阑和非球面镜II的位置，能够使得光源的输出端成像于物镜的背聚焦平面；所述偏振器由四个独立的成十字形排列的偏振器I、偏振器II、偏振器III和偏振器IV组成；样品表面的反射光经物镜汇集后依次经过半透明反射镜、补偿器、检偏器、二向色镜II，被所述二向色镜II重新分成波长分别为500纳米和650纳米的两束光，一束通过非球面镜III后进入光电探测器I，另一束通过非球面镜IV后进入光电探测器II，光电探测器I和光电探测器II中均能够探测到光信号，

其特征是，所述一种复杂磁畴中的磁化测量方法包括测量纵向克尔灵敏度的方法，如下：

一.开启灯I和灯II，调节偏振器，使得光束I为S偏振，光束II为P偏振，光束I与光束II经过二向色镜I后，并依次经过非球面镜I、视场光阑、非球面镜II，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射的反射光经过物镜汇集后，依次经过半透明反射镜、补偿器，被二向色镜II分成两束，一束通过非球面镜III后进入光电探测器I，另一束通过非球面镜IV后进入光电探测器II，光电探测器I和光电探测器II中均能够探测到光信号；

二.开启灯III和灯IV，调节偏振器，使得光束III为S偏振，光束IV为P偏振，光束III与光束IV经过二向色镜I后，并依次经过非球面镜I、视场光阑、非球面镜II，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射的反射光经过物镜汇集后，依次经过半透明反射镜、补偿器，被二向色镜II分成两束，一束通过非球面镜III后进入光电探测器I，另一束通过非球面镜IV后进入光电探测器II，光电探测器I和光电探测器II中均能够探测到光信号；

三.对上述步骤一与步骤二中光电探测器I和光电探测器II中探测到光信号进行平均处理，得到样品表面不同纵向克尔灵敏度的磁畴图像。

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