CN208109685U - 一种高频磁光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及材料表面磁性测量领域，一种高频磁光谱仪，包括脉冲激光器、延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I、透镜座、物镜、样品、波导、样品台、信号发生器、示波器、探测器、偏置三通、放大器I、混频器、放大器II、模数转换器、计算机、原子力显微镜II、探针II、相敏检测器，对单个纳米结构进行测量，对样品表面磁化动态测量能达到亚微米量级空间分辨率，采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，采用两个不同原子力显微镜针尖分别进行接触模式原子力显微镜扫描以及近场时间分辨磁光克尔效应实验，采用频域方法来探测样品表面GHz频段的磁化动态。

Description

一种高频磁光谱仪

技术领域

本实用新型涉及材料表面磁性测量领域，尤其是一种能够对材料表面单个纳米结构的高频动态磁化进行测量的一种高频磁光谱仪。

背景技术

磁光克尔效应测量装置是材料表面磁性研究中的一种重要手段，其工作原理是基于由光与磁化介质间相互作用而引起的磁光克尔效应，其不仅能够进行单原子层厚度材料的磁性检测，而且可实现非接触式测量，在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方面的研究中都有重要应用。磁光克尔效应测量装置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变化引起的光强变化进行样品表面的磁化观测，因此其成像的效果极易受到光学元件限制，现有技术缺陷一：传统的使用显微镜物镜的聚焦克尔显微镜的空间分辨率由光学衍射极限所决定，因此无法得到纳米尺度的磁化动态特征；现有技术缺陷二：无法获得样品中较高频率的磁化动态信息，所述一种高频磁光谱仪能解决问题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种高频磁光谱仪，采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，并采用频域方法来探测样品表面GHz频段的磁化动态。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种高频磁光谱仪主要包括脉冲激光器、延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I、透镜座、物镜、样品、波导、样品台、信号发生器、示波器、光桥探测器、偏置三通、放大器I、混频器、放大器II、模数转换器、计算机、原子力显微镜II、探针II、相敏检测器、正弦信号发生器、入射光路及反射光路，所述光桥探测器的输入端具有一个45度角的偏振器，所述原子力显微镜II与原子力显微镜I结构相同，所述探针I位于原子力显微镜I下端，所述探针II位于原子力显微镜II下端，所述物镜位于透镜座下端，所述脉冲激光器、信号发生器、波导、示波器依次电缆连接，所述光桥探测器、偏置三通、放大器I、混频器、放大器II、模数转换器、计算机依次电缆连接，所述脉冲激光器发射的激光束依次经延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品表面产生的反射光依次经探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器，从而形成反射光路，所述反射光被分束器偏转至所述光桥探测器，所述透镜台为透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I、透镜座、原子力显微镜II分别位于透镜台下面、且均能够相对于透镜台的位置微调，当透镜台绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I或透镜座或原子力显微镜II置于样品(15)正上方，所述探针II为接触型原子力显微镜探针，波导位于样品台上，通过磁控溅射方法将样品直接接触地制备于波导上表面，所述探针I和探针II为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形均为圆台，所述圆台轴线垂直于水平面，所述探针I中具有圆台形通孔；所述探针I和探针II的所述外形圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为2微米，所述探针I中的所述圆台形通孔的上部开口直径为500纳米、下部开口直径为900纳米，所述透镜台直径为十厘米；所述波导长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆；所述样品长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米。

所述光桥探测器输出端与一个相敏检测器输入端相连，所述相敏检测器的参考频率设置为与所述信号发生器的输出频率一致，相敏检测器输出端连接偏置三通，正弦信号发生器输出端连接混频器输入端II。所述光桥探测器的输入端具有一个45度角的偏振器，反射光经过所述偏振器后光强为其中I₀是反射光到达所述偏振器时的光强，θ_k是克尔角。所述混频器具有输入端I和输入端II的两个信号输入端。当反射光强对样品磁化的依赖关系是线性的，能够估计光桥探测器中的由样品磁化导致的电流的交流分量δI≈I_DCθ_K0δm_z，其中θ_K0是样品在磁化饱和条件下的克尔角，δm_z是面外磁化的变化，I_DC是光桥探测器中的电流的直流分量。

本实用新型采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，即采用两个不同的原子力显微镜针尖分别进行接触模式原子力显微镜扫描以及近场时间分辨磁光克尔效应实验，并采用频域方法来探测样品表面GHz频段的磁化动态，具有较高空间灵敏度，较快的测试速度，装置结构简单，探针使用寿命长。

利用所述一种高频磁光谱仪进行测量的步骤为：

一.旋转透镜台使得原子力显微镜II位于样品正上方，采用探针II对波导上包含样品的区域进行扫描，以获得表面形貌图像，初步确定样品位置，当探针II位于样品边缘时，令探针II缩回，并记录原子力显微镜II中各位置参数；

二.旋转透镜台使得原子力显微镜I位于样品正上方，将步骤一中记录的各位置参数输入原子力显微镜I；

三.将探针I向样品表面逼近，然后采用探针I对样品所在区域进行扫描，扫描速度2nm/s，一旦探测到样品表面后即停止逼近，并向上回缩距离100nm，同时关闭原子力显微镜I的扫描反馈；

四.调整平面镜位置，使得激光束通过透镜台和原子力显微镜I射到探针I上；

五.脉冲激光器产生脉冲激光，周期小于100fs，重复率50MHz，波长700nm，信号发生器的触发波形与激光重复率同步；

六.信号发生器产生频率为1GHz的RF电流输出至波导用于激发样品；

七.在关闭原子力显微镜I的扫描反馈的状态下，设置探针I进行扫描；

八.从样品表面反射的光束依次经过探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器后进入光桥探测器，所述相敏检测器将进入光桥探测器的信号中的1GHz频率的极向克尔信号分离出来，并以电流形式输出；

九.所述相敏检测器输出的电流的交流分量经过放大器I放大30dB后，输入混频器的输入端I；

十.所述正弦信号发生器锁频至信号发生器，产生频率为f-Δf的参考信号，Δf＝3KH_z，所述参考信号输入混频器的输入端II；

十一.混频器输出的混频信号频率为Δf，所述混频信号被放大器II继续放大，最终由模数转换器进行采样；

十二.计算机记录由模数转换器输出的信号，并在Δf频率对该信号实施快速傅里叶变换，并与原子力显微镜I采集的样品位置数据相关联，从而得到样品表面的磁共振图像。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够对单个纳米结构进行测量，对样品表面的磁化动态的测量能达到亚微米量级的空间分辨率，具有较高空间灵敏度，装置简单，测试速度快。所述探针I和探针II为相同外缘尺寸的原子力显微镜探针，分别进行接触模式原子力显微镜扫描以及近场时间分辨磁光克尔效应实验，优点是无需使用探针I扫描大范围的样品表面，不会造成探针I中纳米尺度孔径的损坏而影响实验精度。

附图说明

下面结合本实用新型的图形进一步说明：

图1是本实用新型示意图；

图2是透镜台仰视图。

图中，1.脉冲激光器，2.延时器，3. 1/4波片，4.凹透镜，5.凸透镜I，6.平面镜，7.偏振片，8.分束器，9.凸透镜II，10.透镜台，11.原子力显微镜I，12.探针I，13.透镜座，14.物镜，15.样品，16.波导，17.样品台，18.信号发生器，19.示波器，20.光桥探测器，21.偏置三通，22.放大器I，23.混频器，24.放大器II，25.模数转换器，26.计算机，27.原子力显微镜II，28.探针II。

具体实施方式

如图1是本实用新型示意图，所述脉冲激光器1、信号发生器18、波导16、示波器19依次电缆连接，所述光桥探测器20、偏置三通21、放大器I 22、混频器23、放大器II 24、模数转换器25、计算机26依次电缆连接，所述脉冲激光器1发射的激光束依次经延时器2、1/4波片3、凹透镜4、凸透镜I 5、平面镜6、偏振片7、分束器8、凸透镜II 9、透镜台10、原子力显微镜I 11、探针I 12，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品15表面产生的反射光依次经探针I 12、原子力显微镜I 11、透镜台10、凸透镜II 9、分束器8，从而形成反射光路，所述反射光被分束器8偏转至所述光桥探测器20，所述探针II 28为接触型原子力显微镜探针，波导16位于样品台17上，通过磁控溅射方法将样品15直接接触地制备于波导16上表面，所述探针I 12和探针II 28为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形均为圆台，所述圆台轴线垂直于水平面，所述探针I 12中具有圆台形通孔；所述探针I 12和探针II 28的所述外形圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为2微米，所述探针I 12中的所述圆台形通孔的上部开口直径为500纳米、下部开口直径为900纳米，所述透镜台10直径为十厘米；所述波导16长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆；所述样品15长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米。

如图2是透镜台仰视图，所述原子力显微镜II 27与原子力显微镜I 11结构相同，所述探针I 12位于原子力显微镜I 11下端，所述探针II 28位于原子力显微镜II 27下端，所述物镜14位于透镜座13下端，所述探针I 12和探针II 28为相同外形尺寸的原子力显微镜探针，所述透镜台10为透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I 11、透镜座13、原子力显微镜II 27分别位于透镜台10下面、且均能够相对于透镜台10的位置微调，当透镜台10绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I 11或透镜座13或原子力显微镜II 27置于样品15正上方。

所述一种高频磁光谱仪主要包括脉冲激光器1、延时器2、1/4波片3、凹透镜4、凸透镜I 5、平面镜6、偏振片7、分束器8、凸透镜II 9、透镜台10、原子力显微镜I 11、探针I 12、透镜座13、物镜14、样品15、波导16、样品台17、信号发生器18、示波器19、光桥探测器20、偏置三通21、放大器I 22、混频器23、放大器II 24、模数转换器25、计算机26、原子力显微镜II27、探针II 28、相敏检测器、正弦信号发生器、入射光路及反射光路，所述光桥探测器的输入端具有一个45度角的偏振器，所述原子力显微镜II 27与原子力显微镜I 11结构相同，所述探针I 12位于原子力显微镜I 11下端，所述探针II 28位于原子力显微镜II 27下端，所述物镜14位于透镜座13下端，所述脉冲激光器1、信号发生器18、波导16、示波器19依次电缆连接，所述光桥探测器20、偏置三通21、放大器I 22、混频器23、放大器II 24、模数转换器25、计算机26依次电缆连接，所述脉冲激光器1发射的激光束依次经延时器2、1/4波片3、凹透镜4、凸透镜I 5、平面镜6、偏振片7、分束器8、凸透镜II 9、透镜台10、原子力显微镜I 11、探针I 12，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品15表面产生的反射光依次经探针I12、原子力显微镜I 11、透镜台10、凸透镜II 9、分束器8，从而形成反射光路，所述反射光被分束器8偏转至所述光桥探测器20，所述透镜台10为透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I 11、透镜座13、原子力显微镜II 27分别位于透镜台10下面、且均能够相对于透镜台10的位置微调，当透镜台10绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I 11或透镜座13或原子力显微镜II 27置于样品15正上方，所述探针II 28为接触型原子力显微镜探针，波导16位于样品台17上，通过磁控溅射方法将样品15直接接触地制备于波导16上表面，所述探针I 12和探针II 28为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形均为圆台，所述圆台轴线垂直于水平面，所述探针I 12中具有圆台形通孔；所述探针I 12和探针II 28的所述外形圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为2微米，所述探针I 12中的所述圆台形通孔的上部开口直径为500纳米、下部开口直径为900纳米，所述透镜台10直径为十厘米；所述波导16长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆；所述样品15长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米。

所述光桥探测器20输出端与一个相敏检测器输入端相连，所述相敏检测器的参考频率设置为与所述信号发生器18的输出频率一致，相敏检测器输出端连接偏置三通，正弦信号发生器输出端连接混频器输入端II。所述光桥探测器20的输入端具有一个45度角的偏振器，反射光经过所述偏振器后光强为其中I₀是反射光到达所述偏振器时的光强，θ_k是克尔角。所述混频器23具有输入端I和输入端II的两个信号输入端。当反射光强对样品磁化的依赖关系是线性的，能够估计光桥探测器20中的由样品磁化导致的电流的交流分量δI≈I_DCθ_K0δm_z，其中θ_K0是样品在磁化饱和条件下的克尔角，δm_z是面外磁化的变化，I_DC是光桥探测器中的电流的直流分量。

本实用新型采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，即采用两个不同的原子力显微镜针尖分别进行接触模式原子力显微镜扫描以及近场时间分辨磁光克尔效应实验，并采用频域方法来探测样品表面GHz频段的磁化动态，具有较高空间灵敏度，较快的测试速度，装置结构简单，探针使用寿命长。

Claims (6)

1.一种高频磁光谱仪，其特征是：主要包括脉冲激光器、延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I、透镜座、物镜、样品、波导、样品台、信号发生器、示波器、光桥探测器、偏置三通、放大器I、混频器、放大器II、模数转换器、计算机、原子力显微镜II、探针II、相敏检测器、正弦信号发生器、入射光路及反射光路，所述光桥探测器的输入端具有一个45度角的偏振器，所述混频器具有输入端I和输入端II，所述原子力显微镜II与原子力显微镜I结构相同，所述探针I位于原子力显微镜I下端，所述探针II位于原子力显微镜II下端，所述物镜位于透镜座下端，所述脉冲激光器、信号发生器、波导、示波器依次电缆连接，所述光桥探测器、偏置三通、放大器I、混频器、放大器II、模数转换器、计算机依次电缆连接，所述脉冲激光器发射的激光束依次经延时器、1/4波片、凹透镜、凸透镜I、平面镜、偏振片、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜I、探针I，从而形成入射光路，所述激光束照射到样品表面产生的反射光依次经探针I、原子力显微镜I、透镜台、凸透镜II、分束器，从而形成反射光路，所述反射光被分束器偏转至所述光桥探测器，所述透镜台为透光圆盘且具有中心轴，所述原子力显微镜I、透镜座、原子力显微镜II分别位于透镜台下面、且均能够相对于透镜台的位置微调，当透镜台绕其中心轴转动时，能够分别将原子力显微镜I或透镜座或原子力显微镜II置于样品正上方，所述探针II为接触型原子力显微镜探针，波导位于样品台上，通过磁控溅射方法将样品直接接触地制备于波导上表面，所述探针I和探针II为相同外形尺寸的原子力显微镜探针、且外形均为圆台，所述圆台轴线垂直于水平面，所述探针I中具有圆台形通孔，所述光桥探测器输出端与相敏检测器输入端相连，所述相敏检测器的参考频率设置为与所述信号发生器的输出频率一致，相敏检测器输出端连接偏置三通，正弦信号发生器输出端连接混频器输入端II。

2.根据权利要求1所述的一种高频磁光谱仪，其特征是：所述探针I和探针II的所述外形圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为2微米。

3.根据权利要求1所述的一种高频磁光谱仪，其特征是：所述探针I中的所述圆台形通孔的上部开口直径为500纳米、下部开口直径为900纳米。

4.根据权利要求1所述的一种高频磁光谱仪，其特征是：所述透镜台直径为十厘米。

5.根据权利要求1所述的一种高频磁光谱仪，其特征是：所述波导长为80微米、宽为50微米、厚度为150纳米，特征阻抗为50欧姆。

6.根据权利要求1所述的一种高频磁光谱仪，其特征是：所述样品长为10微米、宽为9微米、厚度为50纳米。