CN113176527A - 一种空间光磁光仪及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种空间光磁光仪及其制作方法，涉及材料表面磁性测量领域，该空间光磁光仪包括激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和带磁铁的样品槽，不需外场调制可直接测量磁光效应，可以准确地反映样品的静态磁性。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面磁性测量领域，具体为一种研究材料表面磁光信号的空间光磁光仪及其制作方法。
背景技术
当一束线偏振光入射到磁化方向与其传播方向平行的磁性样品表面时，透射光和反射光会变成椭偏光，且主轴方向相对于入射偏振面转过一个小角度，该角度与样品的磁化强度在一阶近似下成正比，这就是磁光法拉第效应和(极)磁光克尔效应。光与磁性介质间的相互作用引起磁光效应，微观而言，磁光效应由于光子和磁性介质中的电子通过自旋轨道耦合发生相互作用，导致物质的光学性质随磁性发生改变。利用磁光效应可以研究材料的磁性，能进行单原子层厚度材料的非接触式磁性检测，可研究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。磁光效应由于其灵敏、高速响应等优点，被广泛应用于磁现象研究、自旋电子学、冷原子实验、光通信、磁性存储等领域。
磁光效应的测量有多种方式，磁光效应测量装置就是其中一种，其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和光强的变化来反映样品表面的磁性状况，然而现有的磁光效应测量装置一般都需要利用外场调制待测样品。
发明内容
本发明的目的为提出一种空间光磁光仪及其制作方法，不需外场调制可直接测量磁光效应，可以准确地反映样品的静态磁性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种空间光磁光仪，包括激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和带磁铁的样品槽；其中，
所述激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑和带磁铁的样品槽处于同一水平的发射光光路上，按照发射光前进方向顺序排列；该发射光为激光器发出的激光，照射在样品槽上；
所述样品槽、第二光阑、第一聚焦透镜、第一光阑、四分之一波片、扩束镜、电光晶体、格兰泰勒棱镜、第一半透半反镜、第三光阑、第二聚焦透镜和光电探测器处于同一水平的反射光光路上，按照反射光前进方向顺序排列；该反射光为样品槽内的样品反射所述发射光生成，经过第一半透半反镜的反射面射入第三光阑，最终入射至光电探测器；
光电探测器用于接收所述反射光并转化为电信号，并将电信号发送给示波器和锁相放大器；示波器用于显示反射光电信号的波形图；信号发生器用于给电光晶体加驱动信号，以及给锁相放大器提供对比信号；锁相放大器用于分离出特定载波频率信号并发送给计算机进行数据处理。
进一步地，还包括一个或多个反射镜，位于所述激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和样品槽之间，处于发射光光路和反射光光路上。
进一步地，所述激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和样品槽设置在一水平的平台上。
一种空间光磁光仪的制作方法，包括以下步骤：
1)打开激光器，利用遮光板调节激光器的发射光处于水平方向，在激光器的发射光前方固定遮光板，并在遮光板上记录光斑中心位置；
2)在激光器出光口正前方设置衰减器，在衰减器出光侧设置第一半透半反镜，调节第一半透半反镜使发射光从中央垂直入射，且透射光照射在遮光板的光斑中心位置；
3)在第一半透半反镜的出光侧设置电光晶体，在电光晶体的出光侧设置检偏器，调节检偏器使发射光垂直入射检偏器；
4)在检偏器的出光侧设置第三反射镜，调节第三反射镜使发射光反射，反射光反向穿过电光晶体，经过第一半透半反镜反射；
5)在第一半透半反镜的反射光路上设置光电探测器，在光电探测器的输出端设置示波器和锁相放大器，调节激光器和检偏器直至光电探测器的信号幅值最大，撤走检偏器、第三反射镜和遮光板；
6)在第一半透半反镜和电光晶体之间设置格兰泰勒棱镜，在格兰泰勒棱镜和电光晶体之间设置检偏器，转动检偏器直至消光，记录检偏器的角度并撤走检偏器；
7)在电光晶体的进光侧设置一块载玻片，调节载玻片使激光通过其毛玻璃与光滑玻璃分界线；
8)在电光晶体的出光侧设置上述记录好角度的检偏器，在检偏器的出光侧设置遮光板，在遮光板上同时显示锥光干涉和透射激光，调节电光晶体和激光器的位置和角度，使锥光干涉图样中的透射光落在干涉图样正中，撤走检偏器和遮光板；
9)在电光晶体的出光侧设置扩束镜，在扩束镜正前方设置遮光板，通过扩束镜调节激光光斑直径且使光斑中心在遮光板的光斑中心位置，撤走遮光板；
10)在扩束镜的出光侧设置四分之一波片，在四分之一波片的出光侧依次设置第一光阑、第二光阑和第三反射镜，调节第一光阑和第二光阑的位置使发射光从第一光阑和第二光阑的中央通过；调节第三反射镜对发射光进行反射，反射光穿过第一光阑和第二光阑的中央；
11)在扩束镜和四分之一波片之间设置第二半透半反镜，调节第二半透半反镜使光路不发生变化，在第二半透半反镜的反射光方向设置遮光板，重新调整扩束镜使遮光板上的反射光光斑直径与正向穿过扩束镜的发射光一致；
12)在第一光阑和第二光阑之间设置第一聚焦透镜，调节第一聚焦透镜使第三反射镜的反射光通过第一光阑和第二光阑的中央；
13)在第一半透半反镜的反射面前依次设置第三光阑和第二聚焦透镜，调节第三光阑使第一半透半反镜的反射光通过第三光阑的中央，并照射在光电探测器上；
14)撤走第三反射镜，在第三反射镜处设置带磁铁的样品槽，该样品槽用于盛放待测的磁性样品，撤走第二半透半反镜和遮光板，完成制作。
进一步地，步骤1)中遮光板位于激光器出口正前方2米外，步骤9)中遮光板位于激光器出口正前方1米处。
进一步地，在激光器出光口设置衰减器后，调节衰减器使其表面反射光不返回至激光器的腔体。
进一步地，激光光斑的直径为4毫米。
进一步地，在测量磁性样品时，调节样品的位置使光电探测器上接收到的信号最大，转动格兰泰勒棱镜使光电探测器上接收到的信号最大，转动四分之一波片使光电探测器上接收到的信号最大，打开锁相放大器和计算机进行测量。
进一步地，转动格兰泰勒棱镜，使格兰泰勒棱镜的起偏方向与电光晶体的光轴成45度，从而使光电探测器上接收到的信号最大。
进一步地，转动四分之一波片，使电光晶体的光轴与磁性样品表面反射光的两个偏振方向均成45度，从而使光电探测器上接收到的信号最大。
本发明提供的空间光磁光仪不需外场调制就可直接测量磁光效应，可以准确地反映样品的静态磁性，除了作为磁光效应测量装置外，还可作为一种物理实验教学仪器。本发明还提供了空间光磁光仪的制作方法，给出了如何将各个光学器件和电气器件进行搭建的方案。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种空间光磁光仪的构成示意图。
图2是本发明实施例中的一种空间光磁光仪的制作示意图。
附图标记说明：1-激光器，2-衰减器，3-第一半透半反镜，4-格兰泰勒棱镜，5-电光晶体，6-扩束镜，7-第一反射镜，8-第二反射镜，9-四分之一波片，10-第一光阑，11-第一聚焦透镜，12-第二光阑，13-第三光阑，14-第二聚焦透镜，15-光电探测器，16-示波器，17-锁相放大器，18-信号发生器，19-带磁铁的样品槽，20-计算机，21-遮光板，22-检偏器，23-载玻片，24-第二半透半反镜，25-第三反射镜。
具体实施方式
为使本发明的技术方案能更明显易懂，特举实施例并结合附图详细说明如下。
图1为本实施例公开的一种空间光磁光仪的示意图，其多个相同部件之间用“第一”“第二”等序号和不同标号区分，具体包括激光器1、衰减器2、第一半透半反镜3、格兰泰勒棱镜4、电光晶体5、扩束镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、四分之一波片9、第一光阑10、第一聚焦透镜11、第二光阑12、第三光阑13、第二聚焦透镜14、光电探测器15、示波器16、锁相放大器17、信号发生器18和带磁铁的样品槽19，各个部件可以布置在一个水平的平台上(在其他实施例中也可不必以平台的形式呈现，例如为具有一水平底面的包装壳)，激光器1发出的激光即发射光与测量的磁性样品反射的激光即反射光处于统一水平面上，激光器1、光电探测器15、示波器16、锁相放大器17、信号发生器18等由外部供电，锁相放大器17连接一计算机20。
本空间光磁光仪的制作通过其各个部件搭建和光路调节实现，如图2所示，其中实线绘制的图形为本空间光磁光仪的组成部件，虚线绘制的图形为光路调节过程中临时用到的部件，相同部件用同一标号，且所在位置属于示意位置，将多次重复设置的大概位置绘制为一处，例如激光器1正前方的遮光板21设置过多次，每次位置不尽相同，但均由绘制的一处示意，便于查看，不表示多次必须限定设置于同一位置，应可理解。本空间光磁光仪的制作方法主要通过如下步骤实现：
步骤1：打开激光器1，发出激光即发射光，用遮光板21调节激光的水平度，使出射光基本与平台的表面平行，然后在离激光器1出口沿激光传播正前方两米外某处固定遮光板21并在遮光板21上记录激光光斑中心的位置。
步骤2：在激光器1出光口设置衰减器2，调节衰减器2使其进光侧的表面的反射光不返回激光器1腔体。在衰减器2的出光侧设置第一半透半反镜3，调节第一半透半反镜3使激光从第一半透半反镜3中央垂直入射，且透射光仍然照射在遮光板21记录的激光光斑中心的位置。在第一半透半反镜3的出光侧设置电光晶体5，调节电光晶体5使激光从电光晶体5通光位置中央通过。在电光晶体5的出光侧设置检偏器22，调节检偏器22使激光垂直入射检偏器22。在检偏器22的出光侧设置第三反射镜25。在发射光路径外合适的位置设置光电探测器15、示波器16、信号发生器18、锁相放大器17和计算机20，调节第三反射镜25使激光沿原路反射回去，反向穿过电光晶体5，经过第一半透半反镜3反射进入光电探测器15。打开信号发生器18，让信号发生器18给电光晶体5加驱动信号。打开光电探测器15和示波器16，并调节激光器1和检偏器22直至光电探测器15的信号幅值最大。此时激光器1发射光的偏振方向与电光晶体5的光轴大致呈45度。撤走检偏器22、第三反射镜25和遮光板21。
步骤3：在第一半透半反镜3和电光晶体5之间设置格兰泰勒棱镜4，调节格兰泰勒棱镜4使激光正入射格兰泰勒棱镜4。在格兰泰勒棱镜4和电光晶体5之间设置检偏器22，转动检偏器22直至消光，记录检偏器22的角度并撤走检偏器22。在电光晶体5通光孔前设置一块载玻片23，调节载玻片23使激光通过载玻片23的毛玻璃光滑玻璃分界线(毛玻璃可以诱导经过电光晶体5的偏振光发生锥光干涉，光滑玻璃是为了看到激光的中心位置)。在电光晶体5后设置前述记录好角度的检偏器22，在检偏器22的出光侧设置遮光板21，可以在遮光板21上同时看到锥光干涉和透射激光。调节电光晶体5和激光器1的位置及角度，使锥光干涉图样中的透射光落在干涉图样正中。撤走检偏器22和遮光板21。
步骤4：在电光晶体5的出光侧设置扩束镜6，在激光器1出口沿激光传播的正前方一米处设置遮光板21，调节扩束镜6使激光光斑直径为4毫米且光斑中心仍在遮光板21记录的位置处。撤走遮光板21。在扩束镜6的出光侧设置第一反射镜7，在第一反射镜7旁边设置第二反射镜8，调节第一反射镜7和第二反射镜8使激光传播方向发生倒转且仍然平行于平台的表面。其中第一反射镜7和第二反射镜8是为了适应平台大小而选择性地设置，通过光路弯折来缩小占用的长度，在其他实施例中也可以根据实际需要不使用反射镜，或者使用更多的反射镜来弯折光路，不以为限。在第二反射镜8的出光侧沿激光传播方向设置四分之一波片9，在四分之一波片9的出光侧10厘米处设置第三反射镜25。
步骤5：调节第一反射镜7和第二反射镜8的位置和角度使激光从第一反射镜7和第二反射镜8的镜面中央反射且让扩束镜6到第三反射镜25之间的光路长度为2.5米。在四分之一波片9和第三反射镜25之间加入第一光阑10和第二光阑12，第一光阑10靠近四分之一波片9，第二光阑12靠近第三反射镜25。调节第一光阑10和第二光阑12的位置使激光从第一光阑10和第二光阑12的中央通过。调节第三反射镜25使激光沿原光路返回，即第三反射镜25的入射光(即发射光)和出射光(即反射光)仍然通过第一光阑10和第二光阑12的中央。在扩束镜6和第一反射镜7之间加入第二半透半反镜24，调节第二半透半反镜24使光路不发生变化，在第二半透半反镜24的反射光方向(图中垂直虚线方向)设置遮光板21。重新调整扩束镜6使遮光板21上的返回激光光斑直径也为4毫米。此时后端光路已经发生了偏离。重复步骤5，直至第三反射镜25的入射光和出射光通过第一光阑10和第二光阑12的中央，且遮光板21上光斑直径为4毫米。
步骤6：在第一光阑10和第二光阑12之间设置第一聚焦透镜11，调节第一聚焦透镜11使第三反射镜25的入射光和出射光通过第一光阑10和第二光阑12的中央。由于各光学元件表面的反射，第一半透半反镜3反射面的反射光往往不止一束，在第一半透半反镜3的反射面前设置第三光阑13，调节第三光阑13使第三反射镜25的反射光通过第三光阑13的中央，遮挡来自其他光学元件表面的反射光。在第三光阑13的出光侧设置第二聚焦透镜14，用光电探测器15接收通过第二聚焦透镜14的激光。
步骤7：撤走第三反射镜25，在第三反射镜25处设置带磁铁的样品槽19和磁性样品，重复步骤5的调节，撤走第二半透半反镜24和遮光板21。调节样品的位置使光电探测器15上接收到的信号最大。转动格兰泰勒棱镜4使光电探测器15上接收到的信号最大。这对应着格兰泰勒棱镜4的起偏方向与电光晶体5的光轴成45度。再转动四分之一波片9使光电探测器15上接收到的信号最大，这对应着电光晶体5的光轴与样品表面反射光的两个偏振方向均成45度。打开锁相放大器17和计算机20进行测量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，本发明的保护范围以权利要求所述为准。
Claims (10)
1.一种空间光磁光仪，其特征在于，包括激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和带磁铁的样品槽；其中，
所述激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑和带磁铁的样品槽处于同一水平的发射光光路上，按照发射光前进方向顺序排列；该发射光为激光器发出的激光，照射在样品槽上；
所述样品槽、第二光阑、第一聚焦透镜、第一光阑、四分之一波片、扩束镜、电光晶体、格兰泰勒棱镜、第一半透半反镜、第三光阑、第二聚焦透镜和光电探测器处于同一水平的反射光光路上，按照反射光前进方向顺序排列；该反射光为样品槽内的样品反射所述发射光生成，经过第一半透半反镜的反射面射入第三光阑，最终入射至光电探测器；
光电探测器用于接收所述反射光并转化为电信号，并将电信号发送给示波器和锁相放大器；示波器用于显示反射光电信号的波形图；信号发生器用于给电光晶体加驱动信号，以及给锁相放大器提供对比信号；锁相放大器用于分离出特定载波频率信号并发送给计算机进行数据处理。
2.如权利要求1所述的空间光磁光仪，其特征在于，还包括一个或多个反射镜，位于所述激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和样品槽之间，处于发射光光路和反射光光路上。
3.如权利要求1所述的空间光磁光仪，其特征在于，所述激光器、衰减器、第一半透半反镜、格兰泰勒棱镜、电光晶体、扩束镜、四分之一波片、第一光阑、第一聚焦透镜、第二光阑、第三光阑、第二聚焦透镜、光电探测器、示波器、锁相放大器、信号发生器和样品槽设置在一水平的平台上。
4.一种权利要求1-3任一项所述的空间光磁光仪的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)打开激光器，利用遮光板调节激光器的发射光处于水平方向，在激光器的发射光前方固定遮光板，并在遮光板上记录光斑中心位置；
2)在激光器出光口正前方设置衰减器，在衰减器出光侧设置第一半透半反镜，调节第一半透半反镜使发射光从中央垂直入射，且透射光照射在遮光板的光斑中心位置；
3)在第一半透半反镜的出光侧设置电光晶体，在电光晶体的出光侧设置检偏器，调节检偏器使发射光垂直入射检偏器；
4)在检偏器的出光侧设置第三反射镜，调节第三反射镜使发射光反射，反射光反向穿过电光晶体，经过第一半透半反镜反射；
5)在第一半透半反镜的反射光路上设置光电探测器，在光电探测器的输出端设置示波器和锁相放大器，调节激光器和检偏器直至光电探测器的信号幅值最大，撤走检偏器、第三反射镜和遮光板；
6)在第一半透半反镜和电光晶体之间设置格兰泰勒棱镜，在格兰泰勒棱镜和电光晶体之间设置检偏器，转动检偏器直至消光，记录检偏器的角度并撤走检偏器；
7)在电光晶体的进光侧设置一块载玻片，调节载玻片使激光通过其毛玻璃与光滑玻璃分界线；
8)在电光晶体的出光侧设置上述记录好角度的检偏器，在检偏器的出光侧设置遮光板，在遮光板上同时显示锥光干涉和透射激光，调节电光晶体和激光器的位置和角度，使锥光干涉图样中的透射光落在干涉图样正中，撤走检偏器和遮光板；
9)在电光晶体的出光侧设置扩束镜，在扩束镜正前方设置遮光板，通过扩束镜调节激光光斑直径且使光斑中心在遮光板的光斑中心位置，撤走遮光板；
10)在扩束镜的出光侧设置四分之一波片，在四分之一波片的出光侧依次设置第一光阑、第二光阑和第三反射镜，调节第一光阑和第二光阑的位置使发射光从第一光阑和第二光阑的中央通过；调节第三反射镜对发射光进行反射，反射光穿过第一光阑和第二光阑的中央；
11)在扩束镜和四分之一波片之间设置第二半透半反镜，调节第二半透半反镜使光路不发生变化，在第二半透半反镜的反射光方向设置遮光板，重新调整扩束镜使遮光板上的反射光光斑直径与正向穿过扩束镜的发射光一致；
12)在第一光阑和第二光阑之间设置第一聚焦透镜，调节第一聚焦透镜使第三反射镜的反射光通过第一光阑和第二光阑的中央；
13)在第一半透半反镜的反射面前依次设置第三光阑和第二聚焦透镜，调节第三光阑使第一半透半反镜的反射光通过第三光阑的中央，并照射在光电探测器上；
14)撤走第三反射镜，在第三反射镜处设置带磁铁的样品槽，该样品槽用于盛放待测的磁性样品，撤走第二半透半反镜和遮光板，完成制作。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中遮光板位于激光器出口正前方2米外，步骤9)中遮光板位于激光器出口正前方1米处。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在激光器出光口设置衰减器后，调节衰减器使其表面反射光不返回至激光器的腔体。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，激光光斑的直径为4毫米。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在测量磁性样品时，调节样品的位置使光电探测器上接收到的信号最大，转动格兰泰勒棱镜使光电探测器上接收到的信号最大，转动四分之一波片使光电探测器上接收到的信号最大，打开锁相放大器和计算机进行测量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，转动格兰泰勒棱镜，使格兰泰勒棱镜的起偏方向与电光晶体的光轴成45度，从而使光电探测器上接收到的信号最大。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，转动四分之一波片，使电光晶体的光轴与磁性样品表面反射光的两个偏振方向均成45度，从而使光电探测器上接收到的信号最大。
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