CN110412490A - 一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，从偏振态制备器出来偏振光经待测样品表面反射时发生光自旋霍尔效应，左、右旋圆偏振分量沿垂直于入射面的方向产生相反的移动，该位移对界面样品磁性参数和外加磁场异常敏感。向待测磁性样品施加外磁场时，随着外加磁场强度的变化，光斑质心将发生微小位移的变化，通过量子弱测量技术精确测量这一位移信号，实现对材料磁化性能的高精度和高灵敏的测量。

Description

一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法

技术领域

本发明属于磁性测量技术领域，涉及一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统及测量方法。

背景技术

磁性是材料很重要的一种属性，很多材料因为具有磁性而被广泛应用于人们的日常生活中。不同的磁性材料拥有不同的矫顽力、饱和磁化率等磁学属性。根据这些性质的不同，磁性材料可以被分类并应用于许多不同的领域，比如永磁性材料的矫顽力高，磁滞回线面积大，可应用于电视机、电表、录音机等各种电器上，再比如硅钢片的磁滞回线窄而长，能量损失小，因此在发电机、发动机上有着广泛的应用。因此，对材料的磁学特性进行探究至关重要。

目前应用最为成熟和广泛的磁性测量仪器包括振动样品磁强计(VSM),交变梯度磁强计(AGM)以及磁光克尔效应磁强计(MOKE,Magneto-optical Kerr Effect)。VSM基于电磁感应原理，将样品放置于探测线圈中心，以固定的频率和振幅做微振动，待测样品会产生一个磁矩信号，通过测量此磁矩信号与外加磁场强度的关系可以得到样品的磁滞回线；由于具有较高的灵敏度且可以测得低温磁性，VSM成为了一种被广泛使用的磁性测量手段。AGM实际上是磁秤法的一种，与其他磁秤法仪器一样，是通过测量磁性样品在非均匀磁场中所受的力来确定其磁矩；AGM具有很高的室温灵敏度，与磁强计差不多，测量速度快，测量数据点多，非常适合在室温测量薄膜、纳米等微量样品或弱磁性材料。但是，随着样品制备工艺的发展，以及对磁性材料存储密度要求的提高，薄膜样品越来越薄，常规厚度都在纳米级，这就意味着样品所包含的磁矩也很小，由于传统的测量方法中的VSM和AGM均是以测量样品磁矩为原理，在面对很薄的样品时，难以提取出有效信号，从而使精度大大降低。MOKE是近年来广泛应用的一种测量技术，其具有非常高的灵敏度，即使对于只有纳米量级厚度的薄膜，激光光斑大小区域所产生的磁信号的改变都可以被检测出来。

从理论上来讲，磁光系数Q是与磁光克尔效应直接相关的。可以通过测量磁光系数来研究磁性材料的物理特性。通过光谱仪或者原位测量技术，可以求得磁光系数Q的值，但是它的大小通常比材料的介电张量小两个数量级，因而对磁光系数Q的精密测量非常困难。

由此可见，现有的磁性测量技术均存在弊端，对于测量精度高的方法，往往测试操作复杂、且价格昂贵。因此，有必要寻找一种操作简单、成本低、又可以达到高测量精度的磁性测量技术。

发明内容

本发明的目的旨在首先提供一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，能够更加简单、快捷的实现对材料的表面磁性以及材料磁晶各向异性的测量，并且能够进一步提高测量的精确度与准确性。

本发明的发明思路为：通过引入一种可对信号进行放大的弱测量技术，从而提高材料磁性测量的精度和灵敏度。如何利用弱测量来提高材料磁性的测量精度，需要引用到光子自旋霍尔效应的相关理论来解决这个问题。从微观角度分析，光子自旋霍尔效应源于自旋轨道的耦合作用，描述了当一束光在材料表面发生折射和反射时在垂直于折射率梯度方向分裂为两个自旋方向相反的光斑。而自旋分裂的初始位移很小通常无法用仪器去直接测量，本发明利用弱测量可将微小的初始位移放大接近10000倍，从而实现对自旋分裂位移的测量。经研究表明，自旋分裂的大小与磁化强度密切相关，因此可通过自旋霍尔相应的方法获得磁性材料的磁滞回线、磁晶各向异性等磁学特性。

基于上述发明思路，本发明提供一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，使用的磁性测量系统包括发光装置、偏振态制备器、电磁场产生装置、偏振态选择器、光电探测装置，待测样品放置于电磁场产生装置产生的电磁场内；由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成偏振光入射到待测样品表面，在待测样品表面发生反射产生自旋霍尔效应，本反射的光经偏振态选择器后由光电探测装置接收；所述偏振态制备器出来的光的偏振态与偏振态选择器输出光的偏振态正交。

所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法使用以上磁性测量系统按照以下步骤操作：

步骤1、将待测样品按照设定方向放置于电磁场产生装置的工作腔内，在保持电磁场关闭的情况下，启动发光装置，由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成偏振光后入射到待测样品表面，经样品表面反射的光经偏振态选择器后被光电探测装置接收；调节偏振态选择器，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，观察到光电探测装置出现两个对称的光斑，设置此时的整个光斑的质心偏移量为零；

步骤2、启动电磁场产生装置，从0开始逐渐加大正向磁场强度，同时记录在该磁场强度下对应的光斑质心位置的横向偏移，直至光斑质心位置偏移不随磁场强度变化，然后逐渐减小磁场强度到0，再逐渐加大负向磁场强度，直至光斑质心位置偏移不随磁场强度变化，再逐渐减小负向磁场强度到0后，之后再次加大正向磁场强度，至达到前面正向磁场强度施加最大值，此时得到一个光斑质心位置随外加磁场强度变化的磁滞回线。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法的原理为：待测样品放置于电磁场产生装置产生的电磁场内；由发光装置发出的光束经偏振态制备器(前选择态P₁)后变成偏振光，然后在待测样品表面反射并发生弱耦合作用，在折射率系数梯度作用下左旋圆偏振光和右旋圆偏振光会沿着垂直于入射面方向发生一个很小的位移，由于初始位移分裂很小，常规测量方法无法直接测量，再经偏振态选择器(后选择态P₂)进行放大。由弱测量理论可知，当前后选择量子态(P₁与P₂)趋于正交时，放大效应最明显，本发明中通过调节偏振态选择器使其取正交。最后通过光电探测装置可直接测量放大后的横移大小。在外加磁场强度为0时，通过光电探测装置探测，可得到两个等大的光斑；而随着外加磁场的变化，光斑的质心会随外加磁场的变化而向某个方向移动，继续增大磁场质心移动会趋于稳定或者饱和，当加反向磁场时质心会朝着相反方向移动，而随着磁场的逐渐增大也会趋于饱和。最后可通过光电探测装置记录光斑的质心随外加磁场的变化而变化的规律曲线，即为磁性材料的磁化曲线。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，步骤1中的目的在于实现对弱测量光路部分的调整，调节偏振态选择器，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，以使光电探测器接收到的光信号最弱，对弱值的放大作用最强。待测样品与外加磁场方向可以根据需要进行设定，例如可以使待测样品表面与外加磁场方向相互垂直，即采用对应于极向克尔效应的方向对材料磁性进行测量；也可以使待测样品表面与外加磁场方向平行，即采用纵向克尔或者横向克尔方向对材料磁性进行测量。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，步骤1中，光斑质心位置是指两个光斑的平均质心位置，可以通过光电探测装置直接获得。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，还可以用于实现对材料磁晶各向异性的测量，此时该磁性测量方法进一步包括步骤3，调节电磁场产生装置产生的电磁场与待测样品表面之间的夹角，以及电磁场产生装置产生的电磁场与光入射面之间的夹角，产生之后重复步骤2，实现对待测样品的磁晶各向异性测量。

调节电磁场与待测样品表面之间的夹角以及电磁场与光入射面夹角的实现方式有以下两种：

第一种实现方式为：所述电磁场产生装置为二维旋转电磁铁或3D电磁铁，通过旋转电磁铁来调节电磁场与待测样品表面以及电磁场与光入射面之间的夹角；

第二种实现方式为：通过调节待测样品的放置方向来调节电磁场与样品表面以及电磁场与光入射面之间的夹角，重新放置待测样品后，同时重新调节偏振态选择器和光探测装置的位置，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，观察到光电探测装置出现两个对称的光斑。

对于第一种实现方式，通过转动旋转电磁铁或者改变3D电磁铁的方向来改变电磁场与样品表面以及电磁场与光入射面之间的夹角，之后重复步骤2，从而测量样品的磁晶各向异性。若使用的电磁场产生装置为二维的旋转电磁铁，则可以在一个平面内改变施加的电磁场的方向；若使用3D电磁场，则可以在全空间改变电磁场，从而快捷、方便地实现样品任意晶向磁性的测量。

对于第二种实现方式，待测样品可以放置于旋转载物台上，利用旋转载物台调整待测样品位置，也可以通过手动调整待测样品位置。通过转动待测样品表面的方向来改变电磁场与样品表面之间的夹角以及电磁场与光入射面之间的夹角，因为反射光的光路方向发生了变化，因而要重新调整偏振态选择器和光电探测器的位置。样品位置和光路调整之后重复步骤2，从而测量样品的磁晶各向异性。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，所述发光装置包括光源发生器、能量调节器和透镜A；所述光源发生器用于提供偏振光源，可以为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器、量子光源发生器；所述能量调节器用于对由光源发生器发出的光束能量进行调节，可以为二分之一波片或四分之一波片；所述透镜A用于光的聚焦，透镜A为凸透镜。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，所述偏振态制备器用于构造合适的前选择量子态，同时将发光装置发出的光束调整为水平或垂直线偏振光，以使线偏振光束入射到样品界面，经该界面反射后形成椭圆偏振光或圆偏振光；所述偏振态选择器用于构造合适的后选择量子态，并使后选择量子态与前选择量子态接近正交，从而起到明显的放大作用。偏振态制备器出来的光束偏振方向与偏振态选择器设定的光束偏振方向相垂直，以实现高精度和高灵敏度的测量。本发明中，所述偏振态制备器和偏振态选择器均为格兰偏振片。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，所述光电探测装置包括光电探测器和位于光电探测器前的透镜B。所述透镜B用于光的准直，透镜B为凸透镜。所述光电探测器用于实现弱光探测，可以为电荷耦合器件、光谱仪或光电倍增管。

此外，通过获得的质心偏移距离可以计算得到磁光克尔旋转角。而在磁光克尔中，克尔旋转角可以用来直接表征材料磁性大小。

对于以一定的角度入射到磁性薄膜表面的高斯光束在界面发生反射产生自旋分裂，由于磁性薄膜的厚度大于其趋肤深度，因此这个过程可以忽略多次反射的影响。z轴方向为磁性薄膜(z＝0)的法线方向，x轴方向为平行于入射面的方向，y轴方向为垂直于入射面的方向，光束坐标系为(x_i,r,y_i,r,z_i,r)，其中i,r表示入射和反射光束。当入射光为H或者V入射时，依据s-p偏振理论，在κ的一阶近似可被表述为

其中，k^i,r表示入射光和反射光的中心波矢，表示波矢沿y方向的分量大小，

入射光与反射光的|p>和|s>偏振本征态有如下关系：

当光束入射到空气材料界面时，在分界面上产生了光子的自旋轨道耦合相互作用，从而使光束的偏振态发生了变化，根据磁性材料界面的反射矩阵可以得到其反射后的表达式：

其中k_ry表示反射后波矢沿y轴的分量，也就是前面提到过的k₀表示真空波矢，r_pp，r_ps,，r_sp，r_ss为材料的菲涅尔系数，分别表述为：

其中，n₀为入射介质(空气)的折射率，n₁为磁性薄膜的折射率，θ_i表示光束的入射角，θ_t表示光束的折射角，根据snell′s定律，n₀θ_i＝n₁θ_t，可建立θ之间的联系。

Q_x、Q_y、Q_z分别是Q在x、y轴的分量。设Q与z轴之间夹角为α，Q在xOy的投影与x轴之间夹角为β，则样品旨在施加电场方向被磁化的情况下，有Q_x＝Qsinαcosβ，Q_y＝Qsinαsinβ，Q_z＝Qcosα。Q即为需要计算的磁光常量。

对水平偏振入射光和垂直偏振入射光的反射光场分别进行如下形式的偏振后选择：

|Ψ_post>_H＝sinγ|H>+cosγ|V>

|Ψ_post>_V＝sinγ|V>+cosγ|H>

其中γ表示偏振态选择器的旋转角度。

因此将经过后选择后系统与仪器的波函数表示为如下形式：

其中，k_x是波矢沿x轴的分量，k_y是波矢沿y轴的分量，w是光束的束腰半径，z为反射界面到第二个透镜之间的光束的自由传输距离，R＝k₀w²/2表示瑞利距离，|Ψ_r>为之前计算得到过的反射光偏振态，即为|H(k^r)>或|V(k^r)>。

因此可以通过公式：

建立放大位移δ的计算式，因为|Φ_post>只含有未知量Q，因而可以通过上式以及探测得到的放大位移δ反解出Q。

根据公式θ_H＝r_sp/r_pp，θ_V＝r_ps/r_ss，可以计算H偏振态和V偏振态的磁光克尔旋转参数。其实部Re{θ_H}、Re{θ_V}表示两种偏振态下磁光克尔旋转角，虚部Im{θ_H}、Im{θ_V}表示两种偏振态下磁光克尔椭偏率。由此可以绘制出磁光克尔旋转角随外加电磁场强度变化的磁滞回线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于光自旋霍尔效应测量技术，首先在无外加磁场下，从偏振态制备器出来偏振光经待测样品表面反射时发生光自旋霍尔效应，左、右旋圆偏振分量沿垂直于入射面的方向产生相反的移动，该位移对界面样品磁性参数和外加磁场异常敏感，向待测样品施加外磁场时，随着外加磁场强度的变化，使光斑质心发生微小位移的改变，通过量子弱测量技术精确测量这一位移信号，实现对材料磁化性能的高精度和高灵敏的测量。

(2)本发明依靠外加磁场下自旋分裂的光斑质心的位置偏移得到表征待测样品磁性的回线，不受待测样品质量、表面积等因素的影响，免去了其它磁滞回线的测量方法如VSM中对薄膜样品面积的裁剪、量取等操作，可在短时间内得到精准的样品磁学特性。

(3)本发明基于光自旋霍尔效应测量技术，利用了弱值放大技术，通过对光斑质心微小的位置变化可实现在自然状态下样品磁性的高精度测量，进一步提高测量精度。

(4)本发明基于光自旋霍尔效应的材料磁学特性的测量技术，只需要测量在外加磁场时光斑质心偏移的信号便可得到用于表征材料磁化回滞特性的曲线，简单且测量快捷；且由于光路简单，因此也降低了测量成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明实施例1中将样品表面与电磁场方向垂直时的基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统结构示意图。

图2为本发明实施例1中在无外加磁场下光电探测器接收到的自旋光斑二维图像。

图3为本发明实施例1探测得到的光斑质心位移随外加磁场强度变化曲线。

图4为本发明实施例2中将样品表面与电磁场方向平行同时外加磁场平行于光入射面的基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统结构示意图。

附图标记：1-发光装置，2-偏振态制备器，3-电磁场产生装置，4-偏振态选择器，5-光电探测装置，6-光源发生器，7-能量调节器，8-透镜A，9-透镜B，10-光电探测器，11-待测样品。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统

本实施例提供的基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统，如图1所示，其包括发光装置1、偏振态制备器2、电磁场产生装置3、偏振态选择器4和光电探测器装置5。发光装置1由依次布设的光源发生器6、能量调节器7和透镜A8组成，光源发生器6为氦氖激光器，能量调节器7为二分之一波片，透镜A8为凸透镜，其焦距为50nm。偏振态制备器2和偏振态选择器4均为格兰偏振片。电磁场产生装置3为EM3。光电探测装置5由光电探测器10和位于光电探测器10前方的透镜B 9组成。光电探测器10为电荷耦合器件CCD，透镜B 9为凸透镜，其焦距为250nm。

上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统的工作原理为：将待测样品11放置于电磁场产生装置3产生的电磁场内，使待测样品表面与外加磁场方向以及外加电磁场与光入射面夹角满足设定要求；由光源发生器6发出的光依次经能量调节器7和透镜A8入射到偏振态制备器2，经偏振态制备器2变成线偏振光，线偏振光入射到待测样品表面，经待测样品表面反射形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经偏振态选择器4、透镜B 9后由光电探测器10接收。偏振态制备器出来的光的偏振态与偏振态选择器输出的光偏振方向正交。在无外加磁场情况下，由光电探测器接收到两个对称且大小近乎相等的光斑信号，如图2所示。随着外加磁场强度的变化，两个光斑的质心会发生微小的改变，利用偏振态选择器对这一微小变化量的放大作用，实现材料磁化率微小变化的测量。

磁滞回线测量

本实施例所针对的待测样品11为在玻璃片上生长的约20nm的坡莫合金磁性薄膜(成分为：镍含量为80％，铁含量为20％)。

为了实验的简便起见，本实施例采用待测样品表面与外加磁场方向垂直的方法(即对应于极向克尔效应的方向)。

本实施例利用上述基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统测量待测样品的磁滞回线，步骤如下：

步骤1、如图1所示，将待测样品放置于电磁场产生装置3的工作腔内，待测样品表面垂直于电磁场方向同时磁场方向与光入射面平行；在保持电磁场关闭的情况下，启动光源发生器6，此时由光源发生器发出的光束依次经能量调节器7、透镜A 8、后入射到待测样品11表面，经待测样品表面反射的光束再依次经偏振态选择器4、透镜B 9被光电探测器10接收。调整入射到样品表面的光束入射角(θ_i)为67°；调节偏振态选择器4，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态的夹角为90°，此时光电探测器6上接收到如图2所示的两个对称且大小近乎相等的自旋光斑。以此时光斑质心位置(即两个光斑的平均质心位置)为坐标原点建立坐标系，即设置此时两个光斑的平均质心偏移量为零，。

步骤2、启动电磁场产生装置，从0开始逐渐加大正向磁场强度，同时记录在该磁场强度下对应的光斑质心位置的横向偏移，直至光斑质心位置偏移不随磁场强度变化，本实施例中当施加的磁场强度约为0.012T时，光斑质心位置几乎不再随外加磁场发生变化，此时认为待测样品的磁化强度趋于饱和，继续加大磁场强度至0.02T，可以确定此时样品已完全饱和；然后逐渐减小磁场强度到0，再逐渐加大负向磁场强度，在与正向磁场对称的位置(即-0.012T)，光斑质心位置偏移不再随外加磁场发生变化，此时认为待测样品的磁化强度再次趋于饱和，继续加大负向磁场强度到-0.02T，可以确定此时样品已完全饱和；再逐渐减小负向磁场强度到0后，之后再次加大正向磁场强度，至磁场强度最大值0.02T。此时得到一个光斑质心位置随外加磁场强度变化的磁滞回线，如图3所示。

从图3可以看出，光斑质心位置随外加磁场强度变化而变化，从所得到的光斑质心位置随外加磁场强度变化的磁滞回线中，能够反映出待测样品的磁化强度的饱和情况、最大矫顽力情况和饱和磁化率等磁性属性。由此可见，可以通过光斑质心位置随外加磁场强度的变化来直接表征材料的磁性。

前面已经给出了磁光克尔旋转角的获取方法。本实施例中采用磁化方向垂直于样品膜面的方向对材料磁性进行测量，所以Q_x＝Q_y＝0，将简化后的反射光波函数带入

可求得本本实施例中经后选择系统和仪器的整体波函数Φ_post，再将Φ_post带入放大位移的表达式可以反解出本实施例中的磁光系数Q，再根据Q便可计算得到磁光克尔旋转角，进而可以绘制出磁光克尔旋转角随外加电磁场强度变化的磁滞回线。

实施例2磁晶各向异性测量

本实施例利用实施例1中所提过的基于光自旋霍尔效应的磁性测量系统测量待测样品的磁晶各向异性，步骤如下：

步骤1、如图1所示，将待测样品放置于电磁场产生装置3的工作腔内，待测样品表面垂直于电磁场方向同时磁场方向与光入射面平行；在保持电磁场关闭的情况下，启动光源发生器6，此时由光源发生器发出的光束依次经能量调节器7、透镜A 8、后入射到待测样品11表面，经待测样品表面反射的光束再依次经偏振态选择器4、透镜B 9被光电探测器10接收。调整入射到样品表面的光束入射角(θ_i)为67°；调节偏振态选择器4，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态的夹角为90°，此时光电探测器6上接收到如图2所示的两个对称且大小近乎相等的自旋光斑。以此时光斑质心位置(即两个光斑的平均质心位置)为坐标原点建立坐标系，即设置此时两个光斑的平均质心偏移量为零。

步骤2、启动电磁场产生装置，从0开始逐渐加大正向磁场强度，同时记录在该磁场强度下对应的光斑质心位置的横向偏移，直至光斑质心位置偏移不随磁场强度变化，本实施例中当施加的磁场强度约为0.012T时，光斑质心位置几乎不再随外加磁场发生变化，此时认为待测样品的磁化强度趋于饱和，继续加大磁场强度至0.02T，可以确定此时样品已完全饱和；然后逐渐减小磁场强度到0，再逐渐加大负向磁场强度，在与正向磁场对称的位置(即-0.012T)，光斑质心位置偏移不再随外加磁场发生变化，此时认为待测样品的磁化强度再次趋于饱和，继续加大负向磁场强度到-0.02T，可以确定此时样品已完全饱和；再逐渐减小负向磁场强度到0后，之后再次加大正向磁场强度，至磁场强度最大值0.02T。此时得到一个光斑质心位置随外加磁场强度变化的磁滞回线，并用于表征待测样品的磁学性能。

步骤3、通过调节待测样品的放置方向，使待测样品表面与外加磁场方向平行同时外加磁场平行于光入射面(即对应于纵向克尔效应方向)，同时重新调节偏振态选择器和光探测装置的位置(如图4所示)，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，光电探测装置接收到两个对称且大小近乎相等的自旋光斑(即光斑质心回到初始位置)。之后重复步骤2，得到纵向克尔方向测量情况下光斑质心横向偏移随外加磁场强度变化的曲线，并用于表征待测样品的磁学性能。

通过上述步骤1-3便实现了对待测样品的磁晶各向异性测量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于使用的磁性测量系统包括发光装置(1)、偏振态制备器(2)、电磁场产生装置(3)、偏振态选择器(4)、光电探测装置(5)，待测样品(11)放置于电磁场产生装置产生的电磁场内；由发光装置(1)发出的光束经偏振态制备器(2)变成偏振光入射到待测样品表面，在待测样品表面发生反射产生光自旋霍尔效应，被反射的光经偏振态选择器(4)后由光电探测装置(5)接收；所述偏振态制备器(2)出来的光的偏振态与偏振态选择器(4)输出光的偏振态正交；

所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法使用以上磁性测量系统按照以下步骤操作：

步骤1、将待测样品按照设定方向放置于电磁场产生装置的工作腔内，在保持电磁场关闭的情况下，启动发光装置，由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成偏振光后入射到待测样品表面，经样品表面反射的光经偏振态选择器后被光电探测装置接收；调节偏振态选择器，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，观察到光电探测装置出现两个对称的光斑，设置此时的整个光斑的质心偏移量为零；

步骤2、启动电磁场产生装置，从0开始逐渐加大正向磁场强度，同时记录在该磁场强度下对应的光斑质心位置的横向偏移，直至光斑质心位置偏移不随磁场强度变化，然后逐渐减小磁场强度到0，再逐渐加大负向磁场强度，直至光斑质心位置偏移不随磁场强度变化，再逐渐减小负向磁场强度到0后，之后再次加大正向磁场强度，至达到前面正向磁场强度施加最大值，此时得到一个光斑质心位置随外加磁场强度变化的磁滞回线。

2.根据权利要求1所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于进一步包括步骤3、调节电磁场产生装置产生的电磁场与待测样品表面以及电磁场与光入射面之间的夹角，之后重复步骤2，实现对待测样品的磁晶各向异性测量。

3.根据权利要求2所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于调节电磁场与待测样品表面之间的夹角以及电磁场与光入射面夹角的实现方式有以下两种：

第一种实现方式为：所述电磁场产生装置为二维旋转电磁铁或3D电磁铁，通过旋转电磁铁来调节电磁场与待测样品表面以及电磁场与光入射面之间的夹角；

第二种实现方式为：通过调节待测样品的放置方向来调节电磁场与样品表面以及电磁场与光入射面之间的夹角，重新放置待测样品后，同时重新调节偏振态选择器和光探测装置的位置，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态选择器出来的光束偏振态正交，观察到光电探测装置出现两个对称的光斑。

4.根据权利要求1或2或3所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于所述发光装置(1)包括依次布设的用于提供偏振光源的光源发生器(6)、用于对由光源发生器发出的光束能量进行调节的能量调节器(7)和用于光聚焦的透镜A(8)。

5.根据权利要求4所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于所述光源发生器(6)为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、白光发生器或量子光源发生器；所述能量调节器(7)为二分之一波片或四分之一波片；所述透镜A(8)为凸透镜。

6.根据权利要求1或2或3所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于所述偏振态制备器(2)和偏振态选择器(4)均为格兰偏振片。

7.根据权利要求1或2或3所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于所述光电探测装置(5)包括用于实现弱光探测的光电探测器(10)和位于光电探测器前、用于准直的透镜B(9)。

8.根据权利要求7所述基于光自旋霍尔效应的磁性测量方法，其特征在于所述透镜B为凸透镜；所述光电探测器为电荷耦合器件、光谱仪或光电倍增管。