CN113567351B - 基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法，该测量系统包括用于提供光束的发光装置、用于制备平面偏振光的偏振态制备器、用于提供磁场的电磁场发生装置、用于使光束两个相互垂直的偏振分量产生π/2相位差的相位调节装置，用于调节光束两个相互垂直的偏振分量相位差的时间延迟装置、用于将光束投影到确定的偏振态的偏振态检测器以及用于探测和处理光谱分布的光电探测器。利用前述测量系统，可对磁光旋转角和磁光椭偏率进行参数分离，进而实现磁光旋转角和磁光椭偏率的高精度测量。

Description

基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，涉及复磁光角测量仪器，具体涉及一种基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法。

背景技术

随着磁光器件如磁光存储器件、磁光传感器件、自旋电子器件等在信息、医疗、国防等技术领域的广泛应用，对高性能磁性材料，以及高精度、高灵敏磁光测量技术的需求日益迫切。基于磁光克尔效应的磁光表征技术通过测量光与磁光材料相互作用产生的新的光学现象实现对磁光材料器件的无损检测，而且磁光表征技术具有高测试精度、高灵敏度、高时间分辨率和高空间分辨率以及高强的磁场兼容性等优点，已成为磁性材料性能研究和应用研究常用的先进测量技术。

将线偏振光(由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光所组成)入射于磁性材料反射后，由于左旋圆偏振光与右旋圆偏振光在样品中传播速率不同而产生相位差，再加上左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收程度不同而造成振幅不相同，经过样品反射后，转为椭圆偏振光的现象，称为磁光克尔效应。椭圆偏振光相对于入射的线偏振光(以椭圆的长轴为标志)的偏振面方向有一定的偏转，偏转的角度为磁光旋转角，短轴与长轴的比为磁光椭偏率。可用复磁光角

来描述磁光克尔效应，其中，θ称之为磁光旋转角，ε则称之为磁光椭偏率。

高精度的检测磁光效应在磁学和自旋电子器件领域具有重要意义。目前，对磁光克尔效应的物理测量方法以测量光强变化为主，例如消光和光度式MOKE磁强计，其依赖于机械部件的精密旋转，即对起偏器、补偿器、检偏器等光学器件旋转的精密控制和测量。然而磁光角一般都很小，特别是二维材料、反铁磁材料等新型磁性材料，以及纵向克尔效应更微弱，对测量技术提出了更高的要求。依赖对机械部件旋转的精准调节和测量已很难有提升空间。同时，磁光角具有两个自由度，即磁光旋转角和磁光椭偏率，两者同时存在，共同影响探测器接收到的光场强度，如何从探测结果直接获得磁光旋转角和磁光椭偏率还没有现成的技术。此外，光源的稳定性、平台的机械振动以及探测器的噪声都会影响测量精度，使现有磁光克尔效应的测量精度受到极大的限制。

因此，如何进一步提高磁光克尔效应的测量精度，对推动磁学、自旋电子学的前沿理论和应用研究具有重要的价值与意义。

发明内容

针对现有技术中经典的磁光效应测量技术无法对磁光旋转角和磁光椭偏率进行分离同时高精确测量，限制了磁光效应测量精度的问题，本发明的目的是突破现有磁光效应测量技术的精度极限，提供一种基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法，通过该测量系统可对磁光旋转角和磁光椭偏率进行参数分离，进而实现同时对磁光旋转角和磁光椭偏率的高精度测量。该测量系统对光场强度波动不敏感，对噪声的抑制能力较强，也可作为一种实时、无标记的高灵敏度磁效应测量技术，在物理、化学、生物及工程技术等领域有广泛应用前景。

为达到上述目的，本发明提供的一种基于量子弱测量的复磁光角测量系统，包括用于提供光束的发光装置、用于制备平面偏振光的偏振态制备器、用于提供磁场的电磁场发生装置、用于使光束两个相互垂直的偏振分量产生π/2相位差的相位调节装置，用于调节光束两个相互垂直的偏振分量相位差的时间延迟装置、用于将光束投影到确定的偏振态的偏振态检测器以及用于探测和处理光谱分布的光电探测器；

当测量磁光椭偏率时，待测样品放置于电磁场发生装置产生的磁场内，由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成平面偏振光并入射到待测样品表面，在待测样品表面发生反射或透射产生磁光效应，反射光或透射光依次经时间延迟装置、偏振态检测器后由光电探测器接收；所述偏振态制备器输出光的偏振态与偏振态检测器输出光的偏振态正交；

当测量磁光旋转角时，待测样品放置于电磁场发生装置产生的磁场内，由发光装置发出的光束经偏振态制备器变成平面偏振光并入射到待测样品表面，在待测样品表面发生反射或透射产生磁光效应，反射光或透射光依次经相位调节装置、时间延迟装置、偏振态检测器后由光电探测器接收；所述偏振态制备器输出光的偏振态与偏振态检测器输出光的偏振态正交。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统，所述发光装置包括依次布设的光源发生器和光强衰减器；光源发生器用于提供偏振光源，优选为低相干光源，可以为激光二极管、脉冲激光器、发光二极管、白光发生器或量子光源发生器；所述光强衰减器用于对由光源发生器发出的光功率进行衰减，适当地调节衰减系数，保证光电探测器工作在非饱和状态。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统，经磁性样品表面反射或透射的光束偏振态为测量系统的前选择量子态，待测的复磁光角为前选择量子态参数。所述偏振态制备器主要用于构造合适的前选择量子态，将发光装置发出的光束调整为水平或垂直平面偏振光(平面偏振光也称线偏振光)，以使平面偏振光束入射到样品界面，经该界面发射后形成椭圆偏振光。复磁光角的大小与入射光束的偏振态相关，将偏振态制备器的偏振方向置于指定方向就可以完成在此偏振态下的复磁光角的测量。所述偏振态制备器可以为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统，经过样品表面反射或透射得到的椭圆偏振光可分解为垂直于磁场和平行于磁场两个相互垂直的偏振分量，相位调节装置的主要作用是在两个本征态之间产生π/2的相位差，相位调节装置优选采用四分之一波片。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统，所述时间延迟装置的主要功能是使从偏振态制备器出射的光束在垂直于磁场和平行于磁场两个偏振分量之间产生一个合适的相位差，保障在未加载磁场的情况下，光电探测器能够接收到双峰形光谱分布，优选为对称的双峰形光谱分布。即通过时间延迟装置调节两个相互垂直偏振分量的相位差，充当量子弱测量系统中磁光耦合强度的调节参数，从而使测量系统工作在最佳状态。所述时间延迟装置可以为相位补偿器或波片的组合。本发明优选采用波片的组合，具体可以采用由快轴相互垂直的两个二分之一波片组成，且快轴方向与偏振态制备器的起振方向呈45度角。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统，所述偏振态检测器用于将从样品反射或透射的光束投影到确定的偏振态，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检测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，所述偏振态检测器可以为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片，偏振态制备器和偏振态检测器具体采用的实施方式可以相同或不同。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统，所述光电探测器为能够对光谱分布进行探测和分析的装置，通过计算光谱频率重心的变化从而获得复磁光角的值。光电探测器可以为用于实现弱光探测的光谱仪或单色仪等。

本发明还提供了一种基于量子弱测量的复磁光角测量方法，该方法使用上述基于量子弱测量的复磁光角测量系统进行复磁光角测量，包括以下步骤：

步骤1、初态设定

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，在磁场为零的条件下，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平面偏振光入射到待测样品表面，经样品表面反射或透射的光依次经过时间延迟装置和偏振态检测器后被光电探测器接收；调节偏振态检测器，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态检测器出来的光束偏振态正交，调节时间延迟装置使光电探测器输出呈双峰形状的光谱分布；

步骤2、计算磁光椭偏率ε

启动电磁场产生装置，调整磁强度至设定值，在此测量状态下，根据以下公式计算得到磁光椭偏率ε：

τ为时间延迟，ω₀为入射光的中心频率，<δω>_ε为磁场达到设定磁场值时，由光电探测器得到的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量；

步骤3、计算磁光旋转角θ

保持测量系统的其它器件布置顺序和位置不变，在待测样品和时间延迟装置之间插入相位调节装置，在磁场为零的条件下，重新调节时间延迟装置使光电探测器输出呈双峰形状的光谱分布后，再调整磁强度至设定值，根据以下公式计算得到磁光旋转角θ：

<δω>_θ为插设相位调节装置后磁场达到给定磁场值时，由光电探测器得到的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量方法，步骤1的目的在于实现对弱测量光路部分的调整，调节偏振态检测器，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；调节时间延迟装置，通过调节时间延迟大小来改变磁光耦合强度的大小，从而将测量系统的工作点设置于最灵敏的工作状态，即输出光谱分布呈对称的双峰形状。可以通过改变加载于样品的磁场方向和大小，测量不同磁场强度下横向、极向、纵向的复磁光角，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，即采用纵向克尔或横向克尔方向对材料磁性进行测量。步骤2和步骤3中的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量可由光电探测器直接读取。

上述基于量子弱测量的复磁光角测量方法，步骤2计算磁光椭偏率ε和步骤3计算磁光旋转角θ的顺序可以根据需要进行交换。当先计算磁光旋转角θ时，则在步骤1中，需要使经样品表面反射或透射的光依次经过相位调节装置、时间延迟装置和偏振态检测器后被光电探测器接收后，调节偏振态检测器，使从偏振态制备器出来的光束偏振态与偏振态检测器出来的光束偏振态正交，调节时间延迟装置使光电探测器输出呈双峰形状的光谱分布，再调节磁场强度并依据相应公式计算磁光旋转角θ。磁光旋转角θ计算完成后，去掉相位调节装置，在磁场为零的条件下，重新调节时间延迟装置使光电探测器输出呈双峰形状的光谱分布，再调节磁场强度并依据相应公式计算磁光旋转角θ。

值得说明的是，本发明提供的复磁光角测量系统及方法既适用于磁光克尔效应(反射法)中复磁光角的测量也适用于磁光法拉第效应(透射法)中复磁光角的测量。

以测量磁光克尔效应中的复磁光角为例，对本发明提供的基于量子弱测量的复磁光角测量装置及方法的基本原理加以说明：发光装置和偏振态制备器构成初态制备系统，构建测量合适的前选择量子态；电磁场发生装置、相位调节装置、时间延迟装置、偏振态检测器构成磁光耦合系统，构建合适的后选择量子态；光电探测器构成探测系统，对光谱分布进行探测和处理。从初态制备系统发出一束平面偏振光，入射到置于磁场中的待测样品表面，经样品表面反射产生磁光克尔效应，平面偏振光转变为椭圆偏振光，用复磁光角

表示这种效应，其中，θ称之为磁光旋转角，ε称之为磁光椭偏率。经待测样品表面反射后的偏振态为量子弱测量系统的前选择量子态，该量子态可以分解为垂直于磁场和平行于磁场两个相互垂直的偏振分量，经过时间延迟装置后(不经过相位调节装置)，这两个本征态之间引入了一个额外稳定的时间延迟，也即在量子弱测量系统中引入了一个预设的耦合强度，通过调节时间延迟大小来改变耦合强度的大小，从而将测量系统的工作点设置于最灵敏的工作状态，即输出光谱分布呈双峰形状。在此测量状态下，光谱重心移动对磁光信号的变化最灵敏，能极大的提高测量的灵敏度与精度。设时间延迟为τ，入射光的中心频率为ω₀，光束通过偏振态检测器后，其光谱的频率重心移动如式(1)所示：

从式(1)可知，由于光谱的中心频率ω₀和预设的时间延迟τ为固定的已知量，因此光谱的频率重心移动大小仅与磁光椭偏率ε有关。通过光电探测器读取光谱的频率重心移动量就可以得到磁光椭偏率的大小。

对于磁光旋转角的测量，只需要在待测样品和时间延迟装置之间插入一个相位调节装置(通常可采用四分之一波片)，量子弱测量的前选择量子态的两个本征态之间产生π/2的相位差，使θ和ε的位置互换，即i(θ+iε)＝iθ-ε，测量系统的其它器件的位置和顺序保持不变。此情况下，光谱的频率重心移动为：

由式(2)可知，由于光谱的中心频率ω₀和预设的时间延迟τ为固定的已知量，因此光谱的频率重心移动大小仅与磁光旋转角θ有关。通过光电探测器读取光谱的频率重心移动就可以得到磁光旋转角θ大小，即根据公式(1)和(2)就可以精确测量复磁光角的大小。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的测量系统及方法，基于设置的相位调节装置和时间延迟装置，以频率重心移动为指针，在椭圆偏振光两个相互垂直的偏振分量这两个本征态之间引入一个额外稳定的时间延迟，通过光谱即实现了复磁光角两个参数——磁光椭偏率和磁光旋转角的分离测量，且具有很高的灵敏度。

2、本发明提供的测量系统及方法，在测量光路中，以复磁光角作为量子弱测量系统的前选择量子态参数，利用弱值放大效应，将光谱的频率重心移动量进行放大，通过测量放大后的频率重心移动量来实现对微小复磁光角的高精度测量，是一种高灵敏度、高精度的磁光效应测量技术，具有良好的应用前景。

3、本发明提供的测量系统及方法，是一种新型的无损的直接量子态测量方式，专注于可观测物理量(磁光旋转角、磁光椭偏率)本身引起的量子态改变，而对外界的干扰不敏感，使其在测量过程中引入的扰动非常小，可在正常状态下实现对非常微小的复磁光角的高精度、高灵敏度的测量，该测量方法有望在单分子层面(如二维材料)实现对磁光效应的精确测定；其也可作为一种实时、无标记的高灵敏度磁效应测量技术，在物理、化学、生物及工程技术等领域均有广泛应用前景。

附图说明

图1是实施例1中用于测量磁光椭偏率的基于量子弱测量的复磁光角测量装置(适用于磁光克尔效应(反射法)中复磁光角测量)的示意图；

图2是本发明用于测量磁光旋转角的基于量子弱测量的复磁光角测量装置(适用于磁光克尔效应(反射法)中复磁光角测量)的示意图；

图3是实施例2中用于测量磁光椭偏率的基于量子弱测量的复磁光角测量装置(适用于磁光法拉第效应(透射法)中复磁光角测量)的示意图；

图4是本发明用于测量磁光旋转角的基于量子弱测量的复磁光角测量装置(适用于磁光法拉第效应(透射法)中复磁光角测量)的示意图；

图5是实施例3中所测量复磁光角的实验数据。

附图标记说明：1、光源发生器；2、光强衰减器；3、偏振态制备器；4、相位调节装置；5、时间延迟装置；6、偏振态检测器；7、光电探测器；8、电磁场发生装置；9、待测样品。

具体实施方式

以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。

实施例1

本实施例提供的基于量子弱测量的复磁光角测量装置，该测量装置适用于磁光克尔效应(反射法)中复磁光角的测量，如图1及图2所示，包括发光装置、偏振态制备器3、电磁场发生装置8、相位调节装置4、时间延迟装置5、偏振态检测器6以及光电探测器7。

发光装置用于提供光束，包括依次布设的光源发生器1和光强衰减器2。光源发生器1主要用于提供偏振光源，本实施例中，光源发生器1可发出中心波长为633nm、频谱宽度为10nm的准直光束。光强衰减器2用于对由光源发生器1发出的光功率进行衰减，适当调节衰减系数，保证光电探测器7工作在非饱和状态。

偏振态制备器3用于制备平面偏振光，具体制备成水平偏振态|H>。电磁场发生装置8用于提供磁场，使测量系统可测量不同磁强度下的磁光旋转角θ和磁光旋椭偏率ε。

相位调节装置4用于使光束两个相互垂直的偏振分量产生π/2相位差，采用四分之一波片。

时间延迟装置5用于调节光束两个相互垂直的偏振分量相位差，具体由快轴相互垂直的两个二分之一波片组成，且快轴方向与偏振态制备器3的起振方向呈45度角。在实验过程中，需要把测量系统调节到最佳工作区，具体方法是让其中一个二分之一波片固定不动，另外一个二分之波片绕竖直轴旋转一定的角度，并在未加磁场的情况下观察光电探测器7上接收到的光谱分布变化，当光谱呈现对称的双峰时，固定旋转的二分之一波片角度，此时的频率重心的移动为零，记录下其旋转角度α，通过公式

确定时间延迟τ的大小，其中，h是真零级半波片的厚度，n是半波片的折射率，c是光速，Δn是寻常光(o光)与垂直于o光振动的光(e光)的折射率差。

需要说明的是，当采用其它器件作为时间延迟装置时，可根据本领域常用方法确定时间延迟τ。如当采用相位补偿器(如巴比涅补偿器、液晶相位补偿器等)时，可根据补偿器补偿的相位φ计算出相应的时间延迟τ，具体算法为：

c是光速，λ₀为入射光的中心波长。

偏振态检测器6用于将光束投影到确定的偏振态，具体是将出射光被投影到垂直偏振态|V〉。光电探测器7用于探测和处理光谱分布，光束进入光电探测器7后，光电探测器7进行光谱分布的记录和频率重心移动的计算。

当测量磁光椭偏率时，待测样品9放置于电磁场发生装置8产生的磁场内，由光源发生器1发出中心波长为633nm频谱宽度为10nm的准直光束，经光强衰减器2进行光频率衰减后，再经偏振态制备器3制备成水平偏振态|H>入射到待测样品9表面，在待测样品9表面发生反射产生磁光克尔效应，从样品表面反射的光依次经过时间延迟装置5后，再经偏振态检测器6将出射光被投影到垂直偏振态|V>，最后进入光电探测器7进行光谱分布的记录和频率重心移动的计算。

当测量磁光旋转角时，待测样品9放置于电磁场发生装置8产生的磁场内，由光源发生器1发出中心波长为633nm频谱宽度为10nm的准直光束，经光强衰减器2进行光频率衰减后，再经偏振态制备器3制备成水平偏振态|H＞入射到待测样品9表面，在待测样品9表面发生反射产生磁光克尔效应，从样品表面反射的光依次经过相位调节装置4、时间延迟装置5后，再经偏振态检测器6将出射光被投影到垂直偏振态|V＞，最后进入光电探测器7进行光谱分布的记录和频率重心移动的计算。

实施例2

本实施例提供的基于量子弱测量的复磁光角测量装置，该测量装置适用于磁光法拉第效应(透射法)中复磁光角的测量，如图3及图4所示，包括发光装置、偏振态制备器3、电磁场发生装置8、相位调节装置4、时间延迟装置5、偏振态检测器6以及光电探测器7。

发光装置用于提供光束，包括依次布设的光源发生器1和光强衰减器2。光源发生器1主要用于提供偏振光源，本实施例中，光源发生器1可发出中心波长为633nm、频谱宽度为10nm的准直光束。光强衰减器2用于对由光源发生器1发出的光功率进行衰减，适当调节衰减系数，保证光电探测器7工作在非饱和状态。

偏振态制备器3用于制备平面偏振光，具体制备成水平偏振态|H＞。电磁场发生装置8用于提供磁场，使测量系统可测量不同磁强度下的磁光旋转角θ和磁光旋椭偏率ε。

相位调节装置4用于使光束两个相互垂直的偏振分量产生π/2相位差，采用四分之一波片。

时间延迟装置5用于调节光束两个相互垂直的偏振分量相位差，具体由快轴相互垂直的两个二分之一波片组成，且快轴方向与偏振态制备器3的起振方向呈45度角。在实验过程中，需要把测量系统调节到最佳工作区，具体方法是让其中一个二分之一波片固定不动，另外一个二分之波片绕竖直轴旋转一定的角度，并在未加磁场的情况下观察光电探测器7上接收到的光谱分布变化，当光谱呈现对称的双峰时，固定旋转的二分之一波片角度，此时的频率重心的移动为零，记录下其旋转角度α，通过公式

确定时间延迟τ的大小，其中，h是真零级半波片的厚度，n是半波片的折射率，c是光速，Δn是寻常光(o光)与垂直于o光振动的光(e光)的折射率差。

偏振态检测器6用于将光束投影到确定的偏振态，具体是将出射光被投影到垂直偏振态|V＞。光电探测器7用于探测和处理光谱分布，光束进入光电探测器7后，光电探测器7进行光谱分布的记录和频率重心移动的计算。

当测量磁光椭偏率时，待测样品9放置于电磁场发生装置8产生的磁场内，由光源发生器1发出中心波长为633nm频谱宽度为10nm的准直光束，经光强衰减器2进行光频率衰减后，再经偏振态制备器3制备成水平偏振态|H>入射到待测样品9表面，光束穿过待测样品9产生磁光法拉第效应，从样品透射的光依次经过时间延迟装置5后，再经偏振态检测器6将出射光被投影到垂直偏振态|V>，最后进入光电探测器7进行光谱分布的记录和频率重心移动的计算。

当测量磁光旋转角时，待测样品9放置于电磁场发生装置8产生的磁场内，由光源发生器1发出中心波长为633nm频谱宽度为10nm的准直光束，经光强衰减器2进行光频率衰减后，再经偏振态制备器3制备成水平偏振态|H>入射到待测样品9表面，光束穿过待测样品9产生磁光法拉第效应，从样品透射的光依次经过相位调节装置4、时间延迟装置5后，再经偏振态检测器6将出射光被投影到垂直偏振态|V>，最后进入光电探测器7进行光谱分布的记录和频率重心移动的计算。

实施例3

本实施例提供的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，基于实施例1所提供的测量装置进行测量，具体包括以下步骤：

步骤1、初态设定

将待测样品9按照设定方向放置于电磁场产生装置的工作腔内，在磁场为零的条件下，启动发光装置，由发光装置发出中心波长为633nm，频谱宽度为10nm的准直光束，光束经偏振态制备器3变成水平偏振态|H>的平面偏振光入射到待测样品9表面，经样品表面反射的平面偏振光转变为椭圆偏振光，反射光经过时间延迟装置5后，再经偏振态检测器6将出射光投影到垂直偏振态|V>，调节时间延迟装置5使光电探测器7上输出呈对称的双峰形状的光谱分布；

步骤2、计算磁光椭偏率ε

启动电磁场产生装置，调整磁场大小将磁强度从0T增加到0.7T，在此测量状态下，根据以下公式计算得到磁光椭偏率ε：

ε为磁光椭偏率，τ为时间延迟，ω₀为入射光的中心频率，<δω>_ε为磁场达到设定磁场值时，由光电探测器得到的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量；

步骤3、计算磁光旋转角θ

磁光椭偏率ε测量完毕后，保持测量系统的其它器件布置顺序和位置不变，在待测样品9和时间延迟装置5之间插设相位调节装置4，即插入四分之一波片。在磁场为零的条件下，重新调节时间延迟装置5使光电探测器7上输出呈对称的双峰形状的光谱分布后，再启动电磁场产生装置，调整磁场大小将磁强度从0T增加到0.7T，根据以下公式计算得到磁光旋转角θ：

θ为磁光旋转角，<δω>_θ为插设相位调节装置4后磁场达到给定磁场值时，由光电探测器7得到的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量。

步骤2和步骤3中，时间延迟τ的大小请参见实施例1中的计算公式进行计算。

如图5所示，为本实施例在进行复磁光角的测量观察到的光谱分布。由图中可以看出，随着磁强度的增加，右峰增强，左峰减弱。不同磁强度下θ和ε值可通过公式(1)和(2)的频率重心移动来确定。

图5中，点代表着实验数据，而线是根据测量的数据拟合的曲线。从图5可以发现，频率重心移动、θ和ε都随磁场强度的增加而增加，然后在B＝0.55T左右保持不变，因此可以得到待测磁性薄膜的饱和磁场强度为0.55T，饱和磁场强度下的磁光旋转角θ和磁光椭偏率ε分别为0.00209rad和0.0034rad。

需要说明的是，本实施例给出的是测量材料反射光时的磁光旋转角和磁光椭偏率的方法，如果测量透射光的磁光旋转角和磁光椭偏率，则把上述光路调整成透射光的工作模式，其测量方法不变。

测量精度取决于测量的灵敏度和测量的不确定度。在本发明提供的基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法中，频率重心移动对磁光旋转角和磁光椭偏率的变化极其灵敏，灵敏度约为10³THz/rad，所用的便携式式光谱仪的频谱不确定度约为10^-3THz。因此，在以频率为指针的量子弱测量条件下，复磁光角的精度可以达到10^-6rad，比相同条件下的标准磁光旋转角测量方法获得的测量精度提高了两个数量级。通过改进光谱分布探测器的光谱分辨率和采用低噪声光谱探测器，可进一步大幅度的提升复磁光角的测量精度和灵敏度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述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)

1.一种基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：该方法使用基于量子弱测量的复磁光角测量系统进行复磁光角测量，所述基于量子弱测量的复磁光角测量系统包括用于提供光束的发光装置、用于制备平面偏振光的偏振态制备器(3)、用于提供磁场的电磁场发生装置(8)、用于使光束两个相互垂直的偏振分量产生π/2相位差的相位调节装置(4)、用于调节光束两个相互垂直的偏振分量相位差的时间延迟装置(5)、用于将光束投影到确定的偏振态的偏振态检测器(6)以及用于探测光谱分布的光电探测器(7)；

当测量磁光椭偏率时，待测样品(9)放置于电磁场发生装置(8)产生的磁场内，由发光装置发出的光束经偏振态制备器(3)变成平面偏振光并入射到待测样品(9)表面，在待测样品(9)表面发生反射或透射产生磁光效应，反射光或透射光依次经时间延迟装置(5)、偏振态检测器(6)后由光电探测器(7)接收；所述偏振态制备器(3)输出光的偏振态与偏振态检测器(6)输出光的偏振态正交；

当测量磁光旋转角时，待测样品(9)放置于电磁场发生装置(8)产生的磁场内，由发光装置发出的光束经偏振态制备器(3)变成平面偏振光并入射到待测样品(9)表面，在待测样品(9)表面发生反射或透射产生磁光效应，反射光或透射光依次经相位调节装置(4)、时间延迟装置(5)、偏振态检测器(6)后由光电探测器(7)接收；所述偏振态制备器(3)输出光的偏振态与偏振态检测器(6)输出光的偏振态正交；

该方法包括以下步骤：

步骤1、初态设定

将待测样品(9)按照设定方向放置于电磁场产生装置的工作腔内，在磁场为零的条件下，启动发光装置，由发光装置发出的光束经偏振态制备器(3)变成平面偏振光入射到待测样品(9)表面，经样品表面反射或透射的光依次经过时间延迟装置(5)和偏振态检测器(6)后被光电探测器(7)接收；调节偏振态检测器(6)，使从偏振态制备器(3)出来的光束偏振态与偏振态检测器(6)出来的光束偏振态正交，调节时间延迟装置(5)使光电探测器(7)输出呈双峰形状的光谱分布；

步骤2、计算磁光椭偏率ε

启动电磁场产生装置，调整磁强度至设定值，在此测量状态下，根据以下公式计算得到磁光椭偏率ε：

τ为时间延迟，ω₀为入射光的中心频率，〈δω〉_ε为磁场达到设定磁场值时，由光电探测器(7)得到的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量；

步骤3、计算磁光旋转角θ

保持测量系统的其它器件布置顺序和位置不变，在待测样品(9)和时间延迟装置(5)之间插入相位调节装置(4)，在磁场为零的条件下，重新调节时间延迟装置(5)使光电探测器(7)输出呈双峰形状的光谱分布后，再调整磁强度至设定值，根据以下公式计算得到磁光旋转角θ：

<δω>_θ为插设相位调节装置(4)后磁场达到给定磁场值时，由光电探测器(7)得到的相对于零磁场条件下的光谱频率重心移动量。

2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：所述发光装置包括依次布设的用于提供偏振光源的光源发生器(1)、用于对由光源发生器(1)发出的光功率进行衰减的光强衰减器(2)。

3.根据权利要求2所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：所述光源发生器(1)为激光二极管、脉冲激光器、发光二极管、白光发生器或量子光源发生器。

4.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法 ，其特征在于：所述相位调节装置(4)为四分之一波片。

5.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：所述时间延迟装置(5)为相位补偿器或波片的组合。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：所述偏振态制备器(3)和偏振态检测器(6)均为格兰激光偏振镜、沃拉斯顿棱镜或偏振片。

7.根据权利要求1-5任一所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：所述光电探测器(7)为用于实现弱光探测的光谱仪、单色仪。

8.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的复磁光角测量方法，其特征在于：步骤1和步骤3中，通过调节时间延迟装置，得到对称的双峰形光谱分布。

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