CN1213084A - 一种磁光克尔仪及其设计方法 - Google Patents

Abstract

已有的磁光克尔效应的测量设计方法均采用单只探测器,只能对材料的单区域进行单次测量。如要对材料的微区进行高密度的数据扫描测量,则测量的效率较低,不易实用。本发明采用了具有一定像素范围数目的CCD探测器,通过旋转检偏器,在不同检偏角位置连续获得完整的CCD信号,并通过快速富利埃分析,不仅可获得宏区的克尔效应,而且可获得高分辨率的微区分布的克尔效应,形成凝视式磁光克尔图象。采用本发明制造的凝视式磁光克尔仪,可提高效率5千至5万倍,并快速、准确获得各种磁结构。

Description

一种磁光克尔仪及其设计方法

本发明属于光学电子仪器。

磁光克尔效应在现代高密度数据记录仪中已有重要的应用，并已有商业化产品，其特点是数据存储密度高，并可重复读写。同时，对材料磁光克尔效应原理的研究，有助于对材料的光学和磁光性质的深刻认识和理解。[参考文献：(1).J.C.Suits,Rev.Sci.Instrum.42,19(1971)；(2).J.W.D.Martens,W.L.Peeters,and P.Q.Nederpel,J.Appl.Phys.55,1100(1984)；(3).M.Mansuripur,F.Zhou,and J.K.Erwin,Appl.Opt.,29,1308(1990)；L.Y.Chen,S.M.Zhou,Y.X.Zheng,Y.Cheng,Y.M.Yang,Y.H.Qian,C.H.Shang,and Y.J.Wang,Opt:Eng.36,3188(1997)]。但在以往的研究和应用中，都采用单探测器对材料的单区域特性进行了测量，具有如下的程式：

光源→起偏器P→样品(在磁场中)→检偏器A(旋转)→探测器D_x→数据富利埃变换→计算→磁光克尔参数

其中，起偏器P被固定，其方位角与入射面垂直，而检偏器作连续旋转。通过对检偏角A作富利埃变换分析后，所得到光强信号为：I=I₀+I₁cos(2A)+I₂sin(2A)=I₀+I_Acos(2A+θ)式中，I₀、I₁和I₂可通过富利埃变换分析得到： $I_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i,I_1=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\cos \left({2A}_i\right),I_2=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\sin \left(2A_i\right)$ 从而可得到克尔旋转角：θ_k=-I₂/2I₁

由于采用了富利埃分析的方法，在测量中具有速度快、精度高、动态范围大和较易实现自动化测量的优点。

但在上述方法中，通常采用单探测器，如光电倍增管来获得磁光克尔信号，因此，只能对材料单一区域的磁光信号作测量，如需要对材料的微区磁光特性作扫描测量，则需要移动磁场中样品，这对于高密度的微区数据测量来说速度慢，且很不实用。

本发明的目的是发明一种既能测量材料单一区域，又能测量材料微区磁光特性的磁光克尔仪及其设计方法。

本发明的设计为如下的程式：

光源→起偏器P→样品(在磁场中)→检偏器A(旋转)→探测器D_x→数据富利埃变换→计算→磁光克尔参数

在实验中，采用一个高稳定的HeNe激光光源，或其他单色光源，经扩束镜扩束，光斑直径为10mm，大致等于CCD的总面积，并为平行光。CCD是商业用产品，可根据需要选择不同尺寸型号。光源通过一个起偏器，其方位角固定在与入射面垂直位置。出射的线偏振光束以通常45°入射角(也可选用其他入射角)到样品上。样品被置于磁场中，磁场平行于样品表面。光被反射后再经过检偏器A由探测器接收。探测器D_x为具有(750×380)～(8000×8000)像素数目的CCD探测器。检偏器连续作正时针或逆时针方式旋转，当检偏器每旋转A_i角度时，对上述范围像素的xy位置进行A/D转换数据采集，得到与A_i角和上述范围像素位置对应的光强I_xyi。最后对所有的信号作快速富利埃分析和处理，并计算出相应的克尔旋转角。对应于每一个xy象素由检偏角A_xy旋转的变化而测量到的光强为：I_xy=I_xy0+I_xy1cos(2A_xy)+1_xy2sin(2A_xy)=I_xy0+I_xyAcos(2A_xy+θ_xy)由微区富利埃分析，得到： $I_{\mathrm{xyo}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{xyi}},$ $I_{\mathrm{xy}1}=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{xyi}}\cos \left({2A}_{\mathrm{xyi}}\right),$ $I_{\mathrm{xy}2}=\frac{2}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{xyi}}\sin \left({2A}_{\mathrm{xyi}}\right).$ 于是可得到每一个xy象素位置的克尔旋转角：θ_kxy＝-I_xy2/2I_xy1

由于光源为高度平行的激光束，每一象素(9x9μm)测量到的信号即反映了与此相对应的样品微区尺寸的克尔信号和特征。同时，对应于每个A_i角所获得的(750×380)～(8000×8000)像素的光强的平均时间约为≤1秒，在检偏器的一个旋转周期中，完成100次采样，即 $\underset{i=1}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{360}^o,$ 约需要100秒钟，约合1.7分钟。以采用1000×1000像素的CCD探测器为例，与传统单探测器测量的方法相比，实现一百万个象元测量，可提高效率5千(1000次采样)至5万倍(100次采样)，并可迅速获得微区克尔信号的凝视式分布图，这是用传统方法难以做到的。

本发明的设计方法在实施例中已详细描述，需要说明的是所用探测器CCD可用商业产品，其在(750×380)～(8000×8000)像素范围均可市场购得，视待测样品微区多少确定其像素标准，并将激光光源扩束至光斑直径与探测器CCD总面积相等；出射的线偏振光束以常规范围的入射角到样品上，一般以45°入射角即可。起偏器和检偏器的通光孔径在常规10-20mm为宜，每当检偏器旋转一个角度A_i时，对一定像素CCD范围的xy位置进行12位A/D转换数据采集，得到对应的光强I_xyi，当完成所有A_i角的光强测量后，通过前述富利埃分析、处理，得到相应的克尔旋转角。

由于克尔磁光效应正比于材料的磁化强度，因此，由材料微区磁化变换引起的信号都可被这种测量方法反映出来，包括微区磁畴、微区磁记录、微区磁光器件和微区磁头等磁性材料和器件的微区特性及分布都可被迅速测量出来。与现有技术相比，对一块样品单区域的磁光克尔信号进行单次测量的平均时间≥5秒钟，则对该样品1000×1000个微区进行扫描测量，采用现有技术的方法，至少需要5×10⁶秒，约为58天，合两个月的时间，这在实际操作中是不实用的，并且，这种测量是在对样品表面无接触和非破坏的条件下进行的。微区的极限空间分辨率受到波长限制。当采用短波长激光器后，空间分辨率还可进一步提高。这些都是本发明设计的优点。

本发明的实施例如下：

采用一个光强稳定性为0.1％的HeNe激光光源，632.8nm波长，1mw功率，出射光斑直径为1mm，经10倍扩束镜扩束，光斑直径达10mm，大致等于1000×1000CCD探测面的总面积(每个象素的面积约为10×10μm)，并为平行光。光源通过一个起偏器，其方位角固定在与入射面垂直位置。出射的线偏振光束以45°入射角到样品上。样品被置于磁场中，磁场平行于样品表面。光被反射后再经过检偏器A。起偏器和检偏器的通光孔径为20mm。检偏器由高精度细分步进马达控制旋转。由检偏器出射的光由探测器接收。探测器D_x为具有1000×1000像素的CCD探测器。当检偏器每旋转A_i角度时，对1000×1000像素的xy位置进行12位A/D转换数据采集，得到与A_i角和1000×1000像素位置对应的光强I_xyi。当完成对所有A_i角的光强I_xyi测量后，通过高速微机对所有的信号作快速富利埃分析和处理，并计算出相应的克尔旋转角，进而快速获得1000×1000像素的克尔角。由富利埃分析得到每个象素的克尔角的分辨率可达到0.01°。

利用本方法设计的凝视式磁光克尔效应测量装置特点为：可对由磁光克尔效应反映的各种磁性材料的磁特性进行非接触和非破坏性测量，可快速、准确获得各种磁结构，包括微区磁畴、微区磁记录、微区磁光器件和微区磁头等磁性材料和器件的凝视式微区特性及分布图，每个象素的克尔角的分辨率可达到0.01°。采用HeNe激光器，微区的空间极限分辨率可达～0.6μm，并可随波长的缩短进一步提高。

Claims (2)

1、一种磁光克尔仪，有光源，起偏器P，样品，检偏器，探测器组成，光源通过固定的起偏器，其方位角与入射面垂直，其特征在于检偏器A作连续旋转，经过检偏器A的光是探测器接受，探测器是有(750×380)～(8000×8000)像素数目范围的CCD探测器。

2、一种磁光克尔仪的设计方法，其特征在于稳定的激光光源扩束至光斑直径与探测器CCD总面积相等，该光源通过起偏器，其方位角固定在与入射角垂直位置，出射的线偏振光束以通常的入射角到样品上，样品置于平行于其表面的磁场中，光被反射后经检偏器由(750×380)～(8000×8000)像素数目范围的CCD探测器接受，检偏器A是连续旋转的，检偏器每旋转A_i角度时，对上述范围像素的xy位置进行A/D转换数据采集，得到对应的光强I_xyi，然后对信号作富利埃分析、处理、计算出克尔旋转角。