CN113238175A - 反射光生成组件、磁性测量系统及磁性测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种反射光生成组件、磁性测量系统及磁性测量方法，通过利用AGFM梯度共振的原理实现高速度和高灵敏性测量，同时利用激光多普勒测振原理可以无接触、远距离实现高精度的位移和速度的测量，将二者结合可以实现一种测量精度高、抗噪声能力强的新型测量方案，本发明在磁性样品于梯度磁场中受力共振的基础上，利用激光多普勒频移效应测量样品的振动速度和振幅，进而得到磁性材料的磁化强度随外加偏置磁场的变化，测量的理论精度可达10‑ 9emu以上，抗噪声能力强，并且适用于多种复杂环境(外加光、电、热)下的测量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种反射光生成组件、磁性测量系统及磁性测量方法。
背景技术
薄膜材料的高精度磁性表征是凝聚态物理、磁学、微电子和自旋电子学等研究方向的基础。目前市面上常见的磁性测量仪器有磁光克尔效应磁强计(Magneto-optic Kerreffect magnetometer，MOKE)、振动样品磁强计(Vibrating sample magnetometer，VSM)、超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)和交变梯度磁强计(Alternating gradient force magnetometer，AGFM)等。MOKE通过测量从样品表面反射的线偏振光偏转角度来定性表征样品磁矩。但这种测量方案的穿透深度有限，难以对样品深层磁学信息进行精确测量，而且不能定量测量磁化强度。VSM利用样品振动产生闭合线圈中的磁通量变化，并通过感生电流表征磁性。然而这种方案的工作频率低，整体机械振动大，测量精度低，信噪比比较差。SQUID测量利用了超导体的约瑟夫森效应，磁通量的微小变化将导致一个显著的电流改变。这种方案的灵敏度较高(样品磁矩大于10-7emu)，但必须工作在液氦温度，运行费用昂贵，测量速度慢。AGFM利用磁性物体在交变梯度场中将受到周期力的作用，进而使样品杆周期性振动，在压电双晶片中产生电压。这种测量方案可以工作于高频，灵敏度较高(样品磁矩大于10-7emu)，但在复杂环境下(如变温)精确度差，样品杆设计复杂，造价昂贵。目前市面上急需一种造价适中、精确度高并且适用于多种复杂测量环境的磁性测量方案。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于磁化强度测量的反射光生成组件，通过利用AGFM梯度共振的原理实现高速度和高灵敏性测量。本发明的另一个目的在于提供一种磁性测量系统。本发明的再一个目的在于提供一种磁性测量方法。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种用于磁化强度测量的反射光生成组件，包括：
共振样品杆，其上固定有待测样品；
梯度磁场装置，包括一对相对设置的梯度磁场单元，两个梯度磁场单元用于产生梯度磁场，所述待测样品设于所述梯度磁场内；
光路器件，用于产生第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，所述第一探测激光和所述第二探测激光汇合后照射至所述共振样品杆；
光电探测器，接收所述共振样品杆的反射光；其中，可根据所述反射光对应的数字信号生成所述待测样品的磁化强度。
在优选的实施例中，每个梯度磁场单元包括偏置磁场电磁铁和固定在所述偏置磁场电磁铁远离所述待测样品一侧表面的梯度磁场线圈；所述待测样品设于两个梯度磁场单元之间。
在优选的实施例中，所述光路器件包括：
激光器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、平面反射镜以及声光频移器；
所述激光器用于产生所述第一探测激光；
所述第一探测激光经过所述第一分光器形成第一分光和第二分光；所述第一分光进入所述第二分光器后分成两束，其中一束照射所述共振样品杆，另一束进入所述第三分光器，所述第二分光经所述平面反射镜反射至声光频移器，所述第三分光器将所述第一分光的所述另一束和所述第二分光照射至所述光电探测器。
本发明另一方面实施例提供一种磁性测量系统，包括：反射光生成组件、信号采集装置以及信号处理装置；
所述反射光生成组件包括：共振样品杆，其上固定有待测样品；
梯度磁场装置，包括一对相对设置的梯度磁场单元，两个梯度磁场单元用于产生梯度磁场，所述待测样品设于所述梯度磁场内；
光路器件，用于产生第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，所述第一探测激光和所述第二探测激光汇合后照射至所述共振样品杆；
光电探测器，接收所述共振样品杆的反射光；
所述信号采集装置采集所述光电探测器接收的反射光，并转化为数字信号发送至信号处理装置；
所述信号处理装置根据所述数字信号生成所述待测样品的磁化强度。
在优选的实施例中，每个梯度磁场单元包括偏置磁场电磁铁和固定在所述偏置磁场电磁铁远离所述待测样品一侧表面的梯度磁场线圈；所述待测样品设于两个梯度磁场单元之间。
在优选的实施例中，所述光路器件包括：
激光器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、平面反射镜以及声光频移器；
所述激光器用于产生所述第一探测激光；
所述第一探测激光经过所述第一分光器形成第一分光和第二分光；所述第一分光进入所述第二分光器后分成两束，其中一束照射所述共振样品杆，另一束进入所述第三分光器，所述第二分光经所述平面反射镜反射至声光频移器，所述第三分光器将所述第一分光的所述另一束和所述第二分光照射至所述光电探测器。
本发明再一方面实施例提供一种磁性测量方法，包括：
将一待测样品放置在一共振样品杆上，并将该待测样品置于一梯度磁场内；
汇合第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，并照射至所述共振样品杆；
根据所述共振样品杆的反射光生成所述待测样品的磁化强度。
在优选的实施例中，还包括：
对所述第一探测激光频移生成所述第二探测激光。
在优选的实施例中，根据所述共振样品杆的反射光生成所述待测样品的磁化强度，包括：
将所述共振样品杆的反射光转化为数字信号；
对所述数字信号进行半个周期的时间积分处理，得到共振杆的振幅变化参数；
根据所述振幅变化参数生成所述待测样品的磁化强度。
在优选的实施例中，所述方法还包括：
采集所述共振样品杆的反射光；
所述将所述共振样品杆的反射光转化为数字信号，包括：
对采集的所述反射光进行模数转换，得到所述数字信号。
本发明提供的一种反射光生成组件、磁性测量系统及磁性测量方法，通过利用AGFM梯度共振的原理实现高速度和高灵敏性测量，同时利用激光多普勒测振原理可以无接触、远距离实现高精度的位移和速度的测量，将二者结合可以实现一种测量精度高、抗噪声能力强的新型测量方案，本发明在磁性样品于梯度磁场中受力共振的基础上，利用激光多普勒频移效应测量样品的振动速度和振幅，进而得到磁性材料的磁化强度随外加偏置磁场的变化，测量的理论精度可达10-9emu以上，抗噪声能力强，并且适用于多种复杂环境(外加光、电、热)下的测量。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面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来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明实施例中磁性样品在交变梯度磁场中的共振示意图；
图2示出本发明实施例中多普勒激光测振仪结构图；
图3示出本发明磁性测量方法的流程示意图。
图中标号说明：
1.共振杆，2.偏置磁场电磁铁，3.梯度磁场线圈，4.磁性样品，5.光电探测器，6.信号发生与采集，所收集到的4种信号从左到右依次为振动杆抗磁补偿信号、梯度磁场信号、扫描磁场信号和多普勒检测信号，7.计算机用于后期数据处理和分析。
11.激光器，12.分光镜1，13.平面反射镜，14.声光频移器，15.分光镜2，16.分光镜3，17.光电探测器，18.共振样品杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了用于磁化强度测量的反射光生成组件，如图1所示，包括：共振样品杆，其上固定有待测样品；梯度磁场装置，包括一对相对设置的梯度磁场单元，两个梯度磁场单元用于产生梯度磁场，所述待测样品设于所述梯度磁场内；光路器件，用于产生第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，所述第一探测激光和所述第二探测激光汇合后照射至所述共振样品杆；光电探测器，接收所述共振样品杆的反射光；其中，可根据所述反射光对应的数字信号生成所述待测样品的磁化强度。
本发明提供的用于磁化强度测量的反射光生成组件，通过利用AGFM梯度共振的原理实现高速度和高灵敏性测量，同时利用激光多普勒测振原理可以无接触、远距离实现高精度的位移和速度的测量，将二者结合可以实现一种测量精度高、抗噪声能力强的新型测量方案，本发明在磁性样品于梯度磁场中受力共振的基础上，利用激光多普勒频移效应测量样品的振动速度和振幅，进而得到磁性材料的磁化强度随外加偏置磁场的变化，测量的理论精度可达10-9emu以上，抗噪声能力强，并且适用于多种复杂环境(外加光、电、热)下的测量。
在优选的实施例中，请继续结合图1所示，每个梯度磁场单元包括偏置磁场电磁铁和固定在所述偏置磁场电磁铁远离所述待测样品一侧表面的梯度磁场线圈；所述待测样品设于两个梯度磁场单元之间。
在优选的实施例中，如图2所示，所述光路器件包括：激光器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、平面反射镜以及声光频移器；所述激光器用于产生所述第一探测激光；所述第一探测激光经过所述第一分光器形成第一分光和第二分光；所述第一分光进入所述第二分光器后分成两束，其中一束照射所述共振样品杆，另一束进入所述第三分光器，所述第二分光经所述平面反射镜反射至声光频移器，所述第三分光器将所述第一分光的所述另一束和所述第二分光照射至所述光电探测器。
具体的，实现本发明所述新型测量方案的技术路径包含但不限于以下测量装置：共振杆、偏置磁场电磁铁、梯度磁场线圈、激光器、分光镜1、平面反射镜、声光频移器、分光镜2、分光镜3、光电探测器、前置运算放大器、高通滤波器、示波器、锁相放大器和计算机。测试流程为：将被测磁性样品粘到共振杆上，样品在偏置磁场下受到磁化，然后在梯度磁场的作用下受力振动。样品受力振动的振幅与磁场梯度和自身磁矩均成正比，当梯度磁场的频率达到杆和样品的共振频率时，杆的振幅达到最大此时系统处于正常工作模式。多普勒激光测振的测试光经分光镜1、分光镜2后到达共振杆，再从共振杆反射后经分光镜2、分光镜3后到达光电探测器。参考光经分光镜1、平面反射镜、声光频移器、分光镜3后也到达光电探测器。此时两束光发生干涉，通过光电探测器将光信号转换为电信号后可以得到共振杆的振动速度变化，该信号经前置放大器、滤波器和计算机处理后再通过半个周期的时间积分可以得到共振杆的振幅变化，进而可以推算出磁性样品的磁化强度。
在本发明的实施过程中，本发明首先基于磁性样品在周期性梯度磁场中受周期力的原理使粘在共振杆上的样品与杆发生共振。
如图1所示为磁性样品的振动示意图，假定样品的磁化轴为x轴,磁矩为m(Hex)，Hex为偏置磁场，梯度磁场为h′x沿x轴方向，则样品的受力大小为
无论是否在共振频率f0，杆在做受迫振动时的振幅A与受力有如下关系：
其中m为杆和样品的总质量，f为振动频率。
再考虑多普勒激光测振仪的原理，如图2所示为外差式多普勒激光测振结构。假设He-Ne激光器的初始激光频率为fi，其中测试光经振动样品反射后进入光电探测器。根据多普勒频移原理可以得到反射光频率
考虑到v<<c，故多普勒频率
其中λ为激光波长。
对于参考束，在经过调制频率为fA的声光频移器后，频率被调制为fi-fA。两束激光最终均到达光电探测器上并发生干涉，假设信号光和参考光的电场分别为
其相干后的光强为
由于光电探测器接收到的信号与光强成正比，第一项直流项可用电容滤掉，第二项经放大和滤波处理后可以得到频率差Δfs＝fs1-fs2＝(fi+fD)-(fi-fA)＝fD+fA。设杆运动到最远端的时刻为t0，共振杆的振幅可以通过在这一半共振周期内对杆的速度积分得到，即
其中g0可以由梯度磁场求得，两个梯度磁场线圈通过串联反向通入频率为共振频率f0的电流来产生周期性梯度场。
最终可以得到磁性样品的磁矩为
本实例中通过最终在示波器上得到的干涉光频率和通入梯度线圈中的交流电大小可以得到磁性样品在不同偏置磁场下的磁矩变化，进而单位体积的磁矩变化即磁化强度也能得到。
进一步的，本发明还提供一种磁性测量系统，包括：反射光生成组件、信号采集装置以及信号处理装置；所述反射光生成组件包括：共振样品杆，其上固定有待测样品；梯度磁场装置，包括一对相对设置的梯度磁场单元，两个梯度磁场单元用于产生梯度磁场，所述待测样品设于所述梯度磁场内；光路器件，用于产生第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，所述第一探测激光和所述第二探测激光汇合后照射至所述共振样品杆；光电探测器，接收所述共振样品杆的反射光；所述信号采集装置采集所述光电探测器接收的反射光，并转化为数字信号发送至信号处理装置；所述信号处理装置根据所述数字信号生成所述待测样品的磁化强度。
可以理解，本发明通过利用AGFM梯度共振的原理实现高速度和高灵敏性测量，同时利用激光多普勒测振原理可以无接触、远距离实现高精度的位移和速度的测量，将二者结合可以实现一种测量精度高、抗噪声能力强的新型测量方案，本发明在磁性样品于梯度磁场中受力共振的基础上，利用激光多普勒频移效应测量样品的振动速度和振幅，进而得到磁性材料的磁化强度随外加偏置磁场的变化，测量的理论精度可达10-9emu以上，抗噪声能力强，并且适用于多种复杂环境(外加光、电、热)下的测量。
在优选的实施例中，每个梯度磁场单元包括偏置磁场电磁铁和固定在所述偏置磁场电磁铁远离所述待测样品一侧表面的梯度磁场线圈；所述待测样品设于两个梯度磁场单元之间。
在优选的实施例中，所述光路器件包括：激光器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、平面反射镜以及声光频移器；所述激光器用于产生所述第一探测激光；所述第一探测激光经过所述第一分光器形成第一分光和第二分光；所述第一分光进入所述第二分光器后分成两束，其中一束照射所述共振样品杆，另一束进入所述第三分光器，所述第二分光经所述平面反射镜反射至声光频移器，所述第三分光器将所述第一分光的所述另一束和所述第二分光照射至所述光电探测器。
基于相同的发明构思，本发明进一步提供一种磁性测量方法，如图3所示，包括：
S1：将一待测样品放置在一共振样品杆上，并将该待测样品置于一梯度磁场内；
S2：汇合第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，并照射至所述共振样品杆；
S3：根据所述共振样品杆的反射光生成所述待测样品的磁化强度。
可以理解，本发明通过利用AGFM梯度共振的原理实现高速度和高灵敏性测量，同时利用激光多普勒测振原理可以无接触、远距离实现高精度的位移和速度的测量，将二者结合可以实现一种测量精度高、抗噪声能力强的新型测量方案，本发明在磁性样品于梯度磁场中受力共振的基础上，利用激光多普勒频移效应测量样品的振动速度和振幅，进而得到磁性材料的磁化强度随外加偏置磁场的变化，测量的理论精度可达10-9emu以上，抗噪声能力强，并且适用于多种复杂环境(外加光、电、热)下的测量。
在优选的实施例中，还包括：对所述第一探测激光频移生成所述第二探测激光。
在优选的实施例中，根据所述共振样品杆的反射光生成所述待测样品的磁化强度，包括：
将所述共振样品杆的反射光转化为数字信号；
对所述数字信号进行半个周期的时间积分处理，得到共振杆的振幅变化参数；
根据所述振幅变化参数生成所述待测样品的磁化强度。
在优选的实施例中，所述方法还包括：
采集所述共振样品杆的反射光；
所述将所述共振样品杆的反射光转化为数字信号，包括：
对采集的所述反射光进行模数转换，得到所述数字信号。
其具体计算过程如下：
如图1所示为磁性样品的振动示意图，假定样品的磁化轴为x轴,磁矩为m(Hex)，Hex为偏置磁场，梯度磁场为h′x沿x轴方向，则样品的受力大小为
无论是否在共振频率f0，杆在做受迫振动时的振幅A与受力有如下关系：
其中m为杆和样品的总质量，f为振动频率。
再考虑多普勒激光测振仪的原理，如图2所示为外差式多普勒激光测振结构。假设He-Ne激光器的初始激光频率为fi，其中测试光经振动样品反射后进入光电探测器。根据多普勒频移原理可以得到反射光频率
考虑到v<<c，故多普勒频率
其中λ为激光波长。
对于参考束，在经过调制频率为fA的声光频移器后，频率被调制为fi-fA。两束激光最终均到达光电探测器上并发生干涉，假设信号光和参考光的电场分别为
其相干后的光强为
由于光电探测器接收到的信号与光强成正比，第一项直流项可用电容滤掉，第二项经放大和滤波处理后可以得到频率差Δfs＝fs1-fs2＝(fi+fD)-(fi-fA)＝fD+fA。设杆运动到最远端的时刻为t0，共振杆的振幅可以通过在这一半共振周期内对杆的速度积分得到，即
其中g0可以由梯度磁场求得，两个梯度磁场线圈通过串联反向通入频率为共振频率f0的电流来产生周期性梯度场。
最终可以得到磁性样品的磁矩为
本实例中通过最终在示波器上得到的干涉光频率和通入梯度线圈中的交流电大小可以得到磁性样品在不同偏置磁场下的磁矩变化，进而单位体积的磁矩变化即磁化强度也能得到。
可以看出，本发明在磁性样品于梯度磁场中受力共振的基础上，利用激光多普勒频移效应测量样品的振动速度和振幅，进而得到磁性材料的磁化强度随外加偏置磁场的变化。测量的理论精度可达10-9emu以上，抗噪声能力强，并且适用于多种复杂环境(外加光、电、热)下的测量。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种用于磁化强度测量的反射光生成组件，其特征在于，包括：
共振样品杆，其上固定有待测样品；
梯度磁场装置，包括一对相对设置的梯度磁场单元，两个梯度磁场单元用于产生梯度磁场，所述待测样品设于所述梯度磁场内；
光路器件，用于产生第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，所述第一探测激光和所述第二探测激光汇合后照射至所述共振样品杆；
光电探测器，接收所述共振样品杆的反射光；其中，可根据所述反射光对应的数字信号生成所述待测样品的磁化强度。
2.根据权利要求1所述的反射光生成组件，其特征在于，每个梯度磁场单元包括偏置磁场电磁铁和固定在所述偏置磁场电磁铁远离所述待测样品一侧表面的梯度磁场线圈；所述待测样品设于两个梯度磁场单元之间。
3.根据权利要求1所述的反射光生成组件，其特征在于，所述光路器件包括：
激光器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、平面反射镜以及声光频移器；
所述激光器用于产生所述第一探测激光；
所述第一探测激光经过所述第一分光器形成第一分光和第二分光；所述第一分光进入所述第二分光器后分成两束，其中一束照射所述共振样品杆，另一束进入所述第三分光器，所述第二分光经所述平面反射镜反射至声光频移器，所述第三分光器将所述第一分光的所述另一束和所述第二分光照射至所述光电探测器。
4.一种磁性测量系统，其特征在于，包括：反射光生成组件、信号采集装置以及信号处理装置；
所述反射光生成组件包括：共振样品杆，其上固定有待测样品；
梯度磁场装置，包括一对相对设置的梯度磁场单元，两个梯度磁场单元用于产生梯度磁场，所述待测样品设于所述梯度磁场内；
光路器件，用于产生第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，所述第一探测激光和所述第二探测激光汇合后照射至所述共振样品杆；
光电探测器，接收所述共振样品杆的反射光；
所述信号采集装置采集所述光电探测器接收的反射光，并转化为数字信号发送至信号处理装置；
所述信号处理装置根据所述数字信号生成所述待测样品的磁化强度。
5.根据权利要求4所述的磁性测量系统，其特征在于，每个梯度磁场单元包括偏置磁场电磁铁和固定在所述偏置磁场电磁铁远离所述待测样品一侧表面的梯度磁场线圈；所述待测样品设于两个梯度磁场单元之间。
6.根据权利要求4所述的磁性测量系统，其特征在于，所述光路器件包括：
激光器、第一分光器、第二分光器、第三分光器、平面反射镜以及声光频移器；
所述激光器用于产生所述第一探测激光；
所述第一探测激光经过所述第一分光器形成第一分光和第二分光；所述第一分光进入所述第二分光器后分成两束，其中一束照射所述共振样品杆，另一束进入所述第三分光器，所述第二分光经所述平面反射镜反射至声光频移器，所述第三分光器将所述第一分光的所述另一束和所述第二分光照射至所述光电探测器。
7.一种磁性测量方法，其特征在于，包括：
将一待测样品放置在一共振样品杆上，并将该待测样品置于一梯度磁场内；
汇合第一探测激光和对第一探测激光频移后的第二探测激光，并照射至所述共振样品杆；
根据所述共振样品杆的反射光生成所述待测样品的磁化强度。
8.根据权利要求7所述的磁性测量方法，其特征在于，还包括：
对所述第一探测激光频移生成所述第二探测激光。
9.根据权利要求7所述的磁性测量方法，其特征在于，根据所述共振样品杆的反射光生成所述待测样品的磁化强度，包括：
将所述共振样品杆的反射光转化为数字信号；
对所述数字信号进行半个周期的时间积分处理，得到共振杆的振幅变化参数；
根据所述振幅变化参数生成所述待测样品的磁化强度。
10.根据权利要求9所述的磁性测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
采集所述共振样品杆的反射光；
所述将所述共振样品杆的反射光转化为数字信号，包括：
对采集的所述反射光进行模数转换，得到所述数字信号。
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