CN113310907B - 一种磁性椭偏测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量相关技术领域，其公开了一种磁性椭偏测量装置，装置包括椭偏测量模块、磁场加载模块以及样品台，椭偏测量模块用于对样品进行光学测量，磁场加载模块包括水平磁场加载模块以及竖直磁场加载模块，其中，水平磁场加载模块包括水平移动组件、第一永久磁铁磁极对、旋转台，旋转台用于带动水平移动组件在水平面内旋转，水平移动组件用于使第一永久磁铁磁极对中的两磁铁相向或向背运动；竖直磁场加载模块包括竖直移动组件以及第二永久磁铁磁极对，竖直移动组件使得第二永久磁铁磁极对的两磁铁相对样品台相向或相背运动。本申请可以对不同磁场强度和不同模式磁场下的待测样品开展椭偏参数和穆勒矩阵测量。

Description

一种磁性椭偏测量装置

技术领域

本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种磁性椭偏测量装置。

背景技术

当存在外界磁场加载时，磁性材料的磁化强度、磁化方向、磁化耦合系数与介电张量会发生改变，从而此磁性材料的光学特性会发生改变，这种利用磁控调控材料光学竖向的物理现象通常被称为磁光效应。目前，利用磁性材料的磁光效应特性开发了诸如磁光存储、磁光隔离、磁光开关、磁光调制、自旋电子、磁性感知等磁学器件，并且广泛应用于半导体、能源、医疗和国防科技等领域。而深入认知与透彻理解磁性材料的磁光特性，能够为磁学器件的设计、优化与制造提供必要的理论与实验支撑，因此，准确表征磁性材料的磁光特性具有十分重要的研究意义。

目前，表征磁性材料的磁光特性主要有如下方式：磁光克尔效应磁强计、振动样品磁强计与超导量子干涉器件磁强计。以上装置均是磁学现象研究的重要仪器，然而这些仪器仅能测量出部分磁光特性，如磁矩等，无法获取与磁性样品磁光特性有关的更丰富信息。然而，当椭偏测量方法的基础上集成磁场加载装置，能实现磁光克尔效应与磁光法拉第效应的表征，但这些方法无法实现任意磁场方位下与任意磁场强度下材料磁光特性的测量，并且所获取信息也比较有限。因此，本领域亟需提出一种能够实现不同磁场加载配置下样品椭偏参数与穆勒矩阵测量的装置与方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁光椭偏测量装置，可以对不同磁场强度和不同模式磁场下的待测样品开展椭偏参数和穆勒矩阵测量，获得任意磁场方位和强度下待测样品光学常数、磁光耦合系数、磁光克尔角和椭率角等参数的测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁光椭偏测量装置，所述装置包括椭偏测量模块、磁场加载模块以及样品台，其中：所述椭偏测量模块包括入射起偏光路和反射检偏光路，入射起偏光路上的测量光经所述样品台上的待测样品反射后进入所述反射检偏光路，其中，所述入射起偏光路沿光路方向依次布置有光源、准直透镜以及偏振态发生组件，所述反射检偏光路沿光路方向依次布置有偏振态探测组件、会聚透镜以及光谱仪；所述磁场加载模块包括水平磁场加载模块以及竖直磁场加载模块，其中，所述水平磁场加载模块包括水平移动组件、第一永久磁铁磁极对、旋转台，所述水平移动组件设于平行设于所述样品台两侧，所述旋转台用于带动所述水平移动组件在水平面内旋转，第一永久磁铁磁极对中的两磁铁设于所述样品台的两侧并分别设于所述水平移动组件上，用于相向或向背运动或在水平移动组件的带动下旋转运动；所述竖直磁场加载模块包括竖直移动组件以及第二永久磁铁磁极对，所述竖直移动组件垂直于所述样品台平面，所述第二永久磁铁磁极对的两磁铁设于所述样品台的上下侧并分别设于所述竖直移动组件上，用于使得所述第二永久磁铁磁极对的两磁铁相对所述样品台上的样品相向或相背运动。

优选地，所述第一永久磁铁磁极对中的两磁铁对称设于所述样品台的两侧，且所述样品台上的待测样品位于所述第一永久磁铁磁极对产生的磁场中间。

优选地，所述水平移动组件包括第一双向丝杠和设于所述第一双向丝杠两端的第一基座，所述第一永久磁铁磁极对中的两磁铁分别设于所述第一基座上。

优选地，所述水平移动组件还包括间距控制单元，用于控制所述第一永久磁铁磁极对中的两磁铁与样品之间的距离。

优选地，所述第二永久磁铁磁极对的两磁铁对称设于所述样品台的上下侧，且所述样品台上的待测样品位于所述第二永久磁铁磁极对产生的磁场中间。

优选地，所述竖直移动组件包括第二双向丝杠和设于所述第二双向丝杠两端的第二基座，所述第二永久磁铁磁极对的两磁铁分别设于所述第二基座上。

优选地，所述竖直移动组件还包括间距控制单元，用于控制所述第二永久磁铁磁极对中的两磁铁与样品之间的距离。

优选地，所述偏振态发生组件包括起偏器与一对光弹调制器，所述偏振态探测组件包括一对光弹调制器和检偏器。

优选地，所述光源产生光的波长为200nm～1700nm。

优选地，所述入射起偏光路和反射检偏光路还包括微透镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种磁光椭偏测量装置具有如下有益效果：

1.通过设置可旋转横向磁场加载装置可以为待测样品提供不同角度磁场，通过调节横向磁场加载装置及竖直磁场加载装置中磁铁的距离可以为待测样品提供不同大小的磁场强度，进而对不同磁场强度和不同模式磁场下的待测样品开展椭偏参数和穆勒矩阵测量，获得任意磁场方位和强度下待测样品光学常数、磁光耦合系数、磁光克尔角和椭率角等参数的测量。

2.第一永久磁铁磁极对和第二永久磁铁磁极对中的两磁铁对称设于所述样品台的两侧，可以使得待测样品位于均匀的磁场中，避免磁场偏差带来的干扰，测量更加均匀，影响因素更加单一。

3.水平移动组件和竖直移动组件优选为双向丝杠，可以实现两端的磁铁相向或相背的同时运行，双向丝杠的行程精准控制，双向丝杠上具有螺纹可以通过控制移动的螺纹数实现移动距离的精准控制，结构更加简单，功能更加丰富。

4.磁铁与基座为可拆卸连接，易于扩展，可以通过改变不同大小的磁铁更换不同的磁铁大小，可以更加测量需要更好任意形式的光源，还可以通过在入射起偏光路和反射检偏光路上设置微透镜以实现对样品微区内的磁光响应特性进行测量。

附图说明

图1是椭偏测量模块和水平磁场加载模块的结构示意图；

图2是椭偏测量模块和竖直磁场加载模块的主视图；

图3是椭偏测量模块和竖直磁场加载模块的左视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-椭偏测量模块：

111-光源；112-准直透镜；113-偏振态发生组件；121-偏振态探测组件；122-会聚透镜；123-光谱仪；

200-磁场加载模块：

210-水平磁场加载模块；211-水平移动组件；212a、212b-第一永久磁铁磁极对；213-旋转台；211a-第一双向丝杠；211b-第一基座；

220-竖直磁场加载模块；221-竖直移动组件；222a、222b-第二永久磁铁磁极对；223-竖直安装板；221a-第二双向丝杠；221b-第二基座；

300-样品台：

310-样品。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种磁光椭偏测量装置，所述装置包括椭偏测量模块100、磁场加载模块200以及样品台300。其中，磁场加载模块200可以对样品施加横向磁场加载、竖向磁场加载、任意水平方位角磁场加载与极向磁场加载，并可以不断改变磁场强度大小，椭偏测量模块100可以对承受不同强度和不同模式的磁场加载的样品开展椭偏参数与穆勒矩阵测量，随后通过对椭偏参数与穆勒矩阵开展分析以获得待测样品的光学常数、磁光耦合系数、磁光克尔角与椭率角等。

通过在磁场加载模块中引入水平移动组件和竖直移动组件可调节磁极之间的间距，进而改变磁场的磁感应强度，最终确保测量装置能够实现不同强度磁场加载下材料磁光克尔椭偏测量。通过在水平磁场加载模式的磁场加载模块中引入旋转台，可改变磁场方向与椭偏测量入射面之间的夹角，该夹角可在0°～90°范围内任意变化：当磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角为0°时，测量装置能够实现纵向磁光克尔椭偏测量；当磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角为90°时，测量装置能够实现横向磁光克尔椭偏测量；当磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角介于0°～90°之间时，测量装置能够实现任意方位角下磁光克尔椭偏测量。而将水平磁场加载模块换成竖直磁场加载模块，并利用竖直移动组件调节磁极之间的间距，从而可实现不同强度磁场加载下极向磁光克尔椭偏测量。

以下将对该磁光椭偏测量装置的部件进行详细介绍。

椭偏测量模块100包括入射起偏光路和反射检偏光路，入射起偏光路用于发出椭圆偏振光，照射在放置于样品台的待测样品表面，所述反射检偏光路用于将待测样品310反射的偏振光进行检测，以此获得该反射光的偏振态信息。如图1所示，所述入射起偏光路沿光路方向依次布置有光源111、准直透镜112以及偏振态发生组件113，所述反射检偏光路沿光路方向依次布置有偏振态探测组件121、会聚透镜122以及光谱仪123。

本实施例中，光源111为波长为200nm～1700nm的宽光谱光源，当然不限于此，例如，可以将光源替换为能够辐照中红外波长光束的红外光源，则整个一起装置能够测量材料在红外光谱范围内的磁光响应特性。准直透镜112位于光源111的后方，用于将发散光束准直成平行光束。所述偏振态发生组件113位于准直透镜112的后方，其包括起偏器与一对光弹调制器，用于产生随时间变化的偏振光束。偏振态探测组件121包括一对光弹调制器和检偏器，用于对反射光束的偏振态进行调制与解调。会聚透镜122位于偏振态探测组件121后方，用于将反射光束会聚至光谱仪123中进行处理分析。还可以在椭偏测量模块的入射起偏光路与反射检偏光路中引入微透镜对，则整个测量装置能够实现样品微区内的磁光响应特性。

如图2和图3所示，所述磁场加载模块200包括水平磁场加载模块210以及竖直磁场加载模块220。

所述水平磁场加载模块210包括水平移动组件211、第一永久磁铁磁极对212a、212b、旋转台213，所述水平移动组件211对称设于平行设于所述样品台230两侧，所述旋转台213用于带动所述水平移动组件211在水平面内旋转，那么第一永久磁铁磁极对212a、212b的连线既可以垂直于椭偏测量入射面也可以平行于椭偏测量入射面，甚至还可以与椭偏测量入射面之间形成任意夹角，从而确保椭偏测量模块实现纵向磁光克尔椭偏测量，也可以实现横向磁光克尔椭偏测量，甚至还能确保椭偏测量模块实现非常规方位角磁光克尔椭偏测量。

第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁设于所述样品台300的两侧并分别设于所述水平移动组件211上，用于沿所述丝杠相向或向背运动或在水平移动组件211的带动下旋转运动。

进一步优选的，所述第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁对称设于所述样品台300的两侧，且所述样品台300上的待测样品位于所述第一永久磁铁磁极对212a、212b产生的磁场中间。第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁在驱动过程中始终均匀地靠近或远离样品，始终是关于样品呈中心对称分布。

进一步优选的，所述水平移动组件211包括第一双向丝杠211a和设于所述第一双向丝杠211a两端的第一基座211b，所述第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁分别设于所述第一基座211b上。第一双向丝杠211a贯穿样品台300的中心，但不会带动样品台300转动，第一双向丝杠211a通过自身旋转带动第一基座211b发生运动，从而第一基座211b会相互靠近或远离，相应地，第一永久磁铁磁极对212a、212b所产生的磁场会在增强或者减弱。

所述水平移动组件211还包括间距控制单元，用于精准控制所述第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁与样品之间的距离。所述第一双向丝杠211a或第一基座211b上还可以设置刻度标尺，用于评估永久磁铁磁极对212a、212b之间的间距、永久磁铁磁极212a、212b和样品之间的间距；借助于特斯拉计可标定永久磁铁磁极对212a、212b处于不同间距时所产生的磁场强度。

在水平磁场加载模块210中样品上下表面与第一永久磁铁磁极对212a、212b所产生磁场与磁感线是粗略平行的。

所述竖直磁场加载模块220包括竖直移动组件221以及第二永久磁铁磁极对222a、222b，所述竖直移动组件221垂直于所述样品台300平面，所述第二永久磁铁磁极对222a、222b的两磁铁设于所述样品台300的上下侧并分别设于所述竖直移动组件221上，用于使得所述第二永久磁铁磁极对222a、222b的两磁铁相对所述样品台300上的样品相向或相背运动。

所述竖直磁场加载模块220还包括竖直安装板223，所述竖直安装板223外形呈“C”字形，在竖直面内支撑竖直移动组件221。

所述第二永久磁铁磁极对222a、222b的两磁铁对称设于所述样品台300的上下侧，且所述样品台300上的待测样品位于所述第二永久磁铁磁极对222a、222b产生的磁场中间。

所述竖直移动组件221包括第二双向丝杠221a和设于所述第二双向丝杠221a两端的第二基座221b，所述第二永久磁铁磁极对222a、222b的两磁铁分别设于所述第二基座221b上。所述第二双向丝杠221a通过自身旋转带动第二基座221b发生运动，从而两第二基座221b会相互靠近或者远离，相应的第二永久磁铁磁极对222a、222b所产生的磁场会在增强或者减弱。由第二永久磁铁磁极对222a、222b所产生的磁场与磁感线能够粗略地垂直于样品。

所述竖直移动组件221还包括间距控制单元，用于精准控制所述第二永久磁铁磁极对222a、222b中的两磁铁与样品之间的距离。所述第二双向丝杠221a或竖直安装板223还可以设置刻度标尺，用于评估第二永久磁铁磁极对222a、222b之间的间距、第二永久磁铁磁极对222a、222b和样品之间的间距；借助于特斯拉计可标定第二永久磁铁磁极对222a、222b处于不同间距时所产生的磁场强度。

该磁光椭偏测量装置能够适用于各种磁性纳米薄膜材料，包括磁性金属与合金薄膜、磁性铁氧体薄膜、磁性半导体、磁性半金属等。

该磁光椭偏测量装置的使用方法如下：

S1：开启椭偏测量模块100测量未加载磁场时样品的椭偏参数与穆勒矩阵；

S2：不断调节第一永久磁铁磁极对212a、212b和第二永久磁铁磁极对222a、222b中磁铁的距离利用椭偏测量模块100测量样品对应的椭偏参数与穆勒矩阵；

例如，利用第一双向丝杠211a将第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁之间间距调节至最大值，获得最低的磁场强度，并利用椭偏测量模块100测量待测样品的椭偏参数与穆勒矩阵。

利用第一双向丝杠211a不断改变第一永久磁铁磁极对212a、212b中的两磁铁之间的间距，获取不同磁场强度的磁场，并利用椭偏测量模块测量待测样品310在各个磁场下的椭偏参数与穆勒矩阵。第二永久磁铁磁极对222a、222b的两磁铁之间的间距同理。

S3：旋转旋转台使磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角分别为0°、90°以及任意角度，分别获得纵向磁光克尔椭偏参数与穆勒矩阵、横向磁光克尔椭偏参数与穆勒矩阵以及任意方位下磁光克尔椭偏参数与穆勒矩阵；

例如，在水平磁场加载模块210中，利用旋转台213带动水平磁场加载模块210旋转，使磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角为0°，从而构成纵向磁光克尔椭偏测量配置，此时利用第一双向丝杠211a不断改变第一永久磁铁磁极对212a、212b的两磁铁之间的间距，即可利用椭偏测量模块测量不同磁场强度加载下的纵向磁光克尔椭偏参数与穆勒矩阵；

在水平磁场加载模块210中，利用旋转台213带动水平磁场加载模块210旋转，使磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角为90°，从而构成横向磁光克尔椭偏测量配置，此时利用第一双向丝杠211a不断改变第一永久磁铁磁极对212a、212b的两磁铁之间的间距，即可利用椭偏测量模块测量不同磁场强度加载下的横向磁光克尔椭偏参数与穆勒矩阵；

在水平磁场加载模块210中，利用旋转台213带动水平磁场加载模块210旋转，使磁场方向与椭偏测量入射面之间夹角为0°～90°范围内的任意值，从而构成任意方位下磁光克尔椭偏测量配置，此时利用第一双向丝杠211a不断改变第一永久磁铁磁极对212a、212b的两磁铁之间的间距，即可利用椭偏测量模块测量不同磁场强度加载下的任意方位下磁光克尔椭偏参数与穆勒矩阵。

S4：利用上述无磁场加载下的椭偏参数与穆勒矩阵、不同强度磁场加载下的椭偏参数与穆勒矩阵，对它们进行反演拟合分析，即可获得待测样品在不同强度磁场下的光学常数、磁光耦合系数、磁光克尔角与椭率角。

综上所述，本申请可以对不同磁场强度和不同模式磁场下的待测样品开展椭偏参数和穆勒矩阵测量，获得任意磁场方位和强度下待测样品光学常数、磁光耦合系数、磁光克尔角和椭率角等参数的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁光椭偏测量装置，其特征在于，所述装置包括椭偏测量模块(100)、磁场加载模块(200)以及样品台(300)，其中：

所述椭偏测量模块(100)包括入射起偏光路和反射检偏光路，入射起偏光路上的测量光经所述样品台(300)上的待测样品反射后进入所述反射检偏光路，其中，所述入射起偏光路沿光路方向依次布置有光源(111)、准直透镜(112)以及偏振态发生组件(113)，所述反射检偏光路沿光路方向依次布置有偏振态探测组件(121)、会聚透镜(122)以及光谱仪(123)；

所述磁场加载模块(200)包括水平磁场加载模块(210)以及竖直磁场加载模块(220)，其中，所述水平磁场加载模块(210)包括水平移动组件(211)、第一永久磁铁磁极对(212a、212b)、旋转台(213)，所述水平移动组件(211)对称设于平行设于所述样品台(300)两侧，所述旋转台(213)用于带动所述水平移动组件(211)在水平面内旋转，第一永久磁铁磁极对(212a、212b)中的两磁铁设于所述样品台(300)的两侧并分别设于所述水平移动组件(211)上，使两磁铁相向或向背运动；所述竖直磁场加载模块(220)包括竖直移动组件(221)以及第二永久磁铁磁极对(222a、222b)，所述竖直移动组件(221)垂直于所述样品台(300)平面，所述第二永久磁铁磁极对(222a、222b)的两磁铁设于所述样品台(300)的上下侧并分别设于所述竖直移动组件(221)上，使得所述第二永久磁铁磁极对(222a、222b)的两磁铁相对所述样品台(300)上的样品相向或相背运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一永久磁铁磁极对(212a、212b)中的两磁铁对称设于所述样品台(300)的两侧，且所述样品台(300)上的待测样品位于所述第一永久磁铁磁极对(212a、212b)产生的磁场中间。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述水平移动组件(211)包括第一双向丝杠(211a)和设于所述第一双向丝杠(211a)两端的第一基座(211b)，所述第一永久磁铁磁极对(212a、212b)中的两磁铁分别设于所述第一基座(211b)上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述水平移动组件(211)还包括间距控制单元，用于控制所述第一永久磁铁磁极对(212a、212b)中的两磁铁与样品之间的距离。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二永久磁铁磁极对(222a、222b)的两磁铁对称设于所述样品台(300)的上下侧，且所述样品台(300)上的待测样品位于所述第二永久磁铁磁极对(222a、222b)产生的磁场中间。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述竖直移动组件(221)包括第二双向丝杠(221a)和设于所述第二双向丝杠(221a)两端的第二基座(221b)，所述第二永久磁铁磁极对(222a、222b)的两磁铁分别设于所述第二基座(221b)上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述竖直移动组件(221)还包括间距控制单元，用于控制所述第二永久磁铁磁极对(222a、222b)中的两磁铁与样品之间的距离。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振态发生组件(113)包括起偏器与一对光弹调制器，所述偏振态探测组件(121)包括一对光弹调制器和检偏器。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源产生光的波长为200nm～1700nm。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射起偏光路和反射检偏光路还包括微透镜。

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