CN208172225U - 一种双光束磁光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及物理测量技术领域，一种双光束磁光谱仪，包括计算机、激光器I、偏振片I、激光器II、偏振片II、凸透镜I、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、样品台、磁体、信号发生器、示波器、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜I、探测器I、探测器II、沃拉斯顿棱镜II、探测器III、探测器IV，所述探针中沿圆台轴线方向具有通孔I、通孔II和通孔III，所述通孔II为沿探针圆台轴线方向，所述通孔I和通孔III的轴线分别与所述通孔II轴线成正负45度角，激光束I以45度角入射，激光束II垂直入射，分别采用两组探测器记录反射光光强，分析反射光强的差值，无需改变装置结构便能够同时测量样品的二次磁光克尔效应信号及纵向磁光克尔效应信号。

Description

一种双光束磁光谱仪

技术领域

本实用新型涉及物理测量技术领域，尤其是一种用于研究材料表面单个纳米结构的二次磁光克尔效应的一种双光束磁光谱仪。

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。近些年，在一些磁性样品中观测到了二次磁光克尔效应，对二次磁光克尔效应的探测与传统的磁光克尔效应测量不同，现有技术缺陷二：装置测量得到的二次磁光克尔效应数据需要与传统的磁光克尔效应数据进行对比以校准，因此在现有技术中需要在同一个实验过程中改变测试装置的结构以完成实验，步骤较为复杂，所述一种双光束磁光谱仪能解决问题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型目的是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，本实用新型装置中两束激光同时照射在样品表面，其中激光束I以45度角入射，激光束II垂直入射，并被样品反射，分别采用两组探测器记录反射光光强，通过分析光强差值，对二次磁光克尔效应信号进行校准，得到样品表面磁化信息。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种双光束磁光谱仪主要包括计算机、激光器I、偏振片I、激光器II、偏振片II、凸透镜I、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、样品台、磁体、信号发生器、示波器、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜I、探测器I、探测器II、沃拉斯顿棱镜II、探测器III、探测器IV，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面、zx平面与水平面垂直，探针位于原子力显微镜下端，样品位于样品台上，所述样品、样品台、磁体依次位于探针下方，所述探针为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为1.5微米，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述透镜台透光，所述探针中在zx平面内具有通孔I、通孔II和通孔III，所述通孔II的轴线沿所述圆台轴线方向，所述通孔I和通孔III的轴线分别位于所述通孔II轴线的两侧、且均与所述通孔II轴线成45度角；激光器I发出激光束I，所述激光束I能够依次经偏振片I、凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、通孔I，并照射到样品上，从样品反射的光能够依次经通孔III、原子力显微镜、透镜台、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜I，然后分成两束正交的偏正光并分别进入探测器I和探测器II，探测器I和探测器II均电缆连接计算机，信号发生器和示波器分别电缆连接磁体；激光器II发出激光束II，所述激光束II能够依次经偏振片II、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、通孔II，并照射到样品上，从样品反射的光能够依次经通孔II、原子力显微镜、透镜台、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜II，然后分成两束正交的偏振光并分别进入探测器III和探测器IV，探测器III和探测器IV均电缆连接计算机，样品台能够三维移动并能够在xy平面内绕其中心轴旋转。所述探针中的通孔I、通孔II和通孔III的直径均为200纳米。

本实用新型装置采用高精度的定位装置同时将两束激光以不同入射角照射在样品表面以研究纳米尺度的磁化性质，通过分析从样品发出的反射光强的差值，无需改变装置的结构便能够同时测量样品的二次磁光克尔效应信号及纵向磁光克尔效应信号。

利用所述一种双光束磁光谱仪进行测量的步骤为：

一.通过原子力显微镜使得探针逼近样品表面，令探针在二微米范围内扫描，扫描速度2nm/s，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

二.探针向上回缩距离50nm，并关闭原子力显微镜的扫描反馈；

三.调整激光器I的位置，使得激光器I发出的激光束I进入探针的通孔I，调整激光器II的位置使得激光器II发出的激光束II进入探针的通孔II，激光波长均为600nm；

四.激光束II经过偏振片II后形成S偏振光，再经过分束器后垂直照射于样品表面，经样品表面反射后，反射光经过沃拉斯顿棱镜II后分成两束正交的偏振光分别进入探测器III和探测器IV，在垂直入射的情况下，纵向磁光克尔效应对于克尔旋转的贡献为零，此时只有二次磁光克尔效应被测量；

五.探测器III和探测器IV测量的光强分别为I₁和I₂，对于I₁-I₂约为0时，归一化后的差分信号(I₁-I₂)/(I₁+I₂)与克尔旋转成正比，通过调整沃拉斯顿棱镜II的位置来使得I₁-I₂的差值最小，在此条件下得到以磁场强度为自变量的克尔旋转回线；

六.激光束I经过偏振片后形成S偏振光，并依次经过凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、探针以45度角入射样品表面，经样品表面反射后，反射光中包含了二次磁光克尔效应和纵向磁光克尔效应的信号，反射光经过沃拉斯顿棱镜I后分成两束正交的偏振光分别进入探测器I和探测器II；

七.探测器I和探测器II测量的光强分别为I₃和I₄，对于I₃-I₄约为0时，归一化后的差分信号(I₃-I₄)/(I₃+I₄)与克尔旋转成正比，通过调整沃拉斯顿棱镜I的位置来使得I₃-I₄的差值最小，在此条件下得到以磁场强度为自变量的克尔旋转回线；

八.比较步骤五和步骤七中得到的曲线数据，以此来校准二次磁光克尔效应数据与纵向磁光克尔效应数据；

九.在xy平面内旋转样品台，旋转角为α，范围从0到180度，以1度为步进，在每个旋转角α测量克尔旋转，并将所得数据画成曲线，最终得到纵坐标为克尔信号，横坐标为旋转角α的数据曲线；

十.综上，激光束I与激光束II同时作用在样品表面时，能够同时得到二次磁光克尔效应以及纵向磁光克尔效应信号。

本实用新型装置的原理解释如下，通常产生克尔旋转的三原因：纵向磁光克尔效应分量，与样品中沿入射光方向的面内磁化M_L成正比；极向磁光克尔效应，与样品中面外磁化方向磁化M_p成正比；二次磁光克尔效应分量，与样品中磁化分量的二阶项成正比。本发明装置中两束激光同时照射在样品表面，其中激光束I以45度角入射，激光束II垂直入射，并被样品反射，分别采用两组探测器记录反射光光强，通过分析光强差值，得到样品表面磁化信息。对于面内磁化的薄膜样品，上述这些分量为M_L M_T和其中M_T是面内分量中与入射面垂直的分量部分，M_T本身不会导致克尔旋转，而是引起测量光的振幅变化。在磁性薄膜中，退磁场通常迫使磁化保持在样品面内，在这样的条件下，极向磁光克尔效应的贡献可以被忽略。磁光克尔效应对M_L的灵敏度与sinθ成正比，θ为光入射角。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够对具有二次磁光克尔效应的纳米尺度样品的结构特性、电子特性进行校准，对于二次磁光克尔效应以及纵向磁光克尔效应信号都较敏感，并且能够简单、定量的确定样品磁化饱和状态时的二次磁光克尔效应，而无需改变装置的结构。

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。

图中，1.计算机，2.激光器I，3.偏振片I，4.激光器II，5.偏振片II，6.凸透镜I，7.分束器，8.凸透镜II，9.透镜台，10.原子力显微镜，11.探针，12.样品，13.样品台，14.磁体，15.信号发生器，16.示波器，17.凸透镜III，18.沃拉斯顿棱镜I，19.探测器I，20.探测器II，21.沃拉斯顿棱镜II，22.探测器III，23.探测器IV。

具体实施方式

如图1是本实用新型示意图，左下角具有xyz三维方向标，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面、zx平面与水平面垂直，所述一种双光束磁光谱仪主要包括计算机1、激光器I 2、偏振片I 3、激光器II 4、偏振片II 5、凸透镜I 6、分束器7、凸透镜II 8、透镜台9、原子力显微镜10、探针11、样品12、样品台13、磁体14、信号发生器15、示波器16、凸透镜III17、沃拉斯顿棱镜I 18、探测器I 19、探测器II20、沃拉斯顿棱镜II 21、探测器III22、探测器IV23，探针11位于原子力显微镜10下端，样品12位于样品台13上，所述样品12、样品台13、磁体14依次位于探针11下方，所述探针11为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为1.5微米，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述透镜台9透光，所述探针11中在zx平面内具有通孔I、通孔II和通孔III，所述通孔II的轴线沿所述圆台轴线方向，所述通孔I和通孔III的轴线分别位于所述通孔II轴线的两侧、且均与所述通孔II轴线成45度角；激光器I发出激光束I，所述激光束I能够依次经偏振片I 3、凸透镜I 6、透镜台9、原子力显微镜10、通孔I，并照射到样品12上，从样品12反射的光能够依次经通孔III、原子力显微镜10、透镜台9、凸透镜III17、沃拉斯顿棱镜I 18，然后分成两束正交的偏正光并分别进入探测器I 19和探测器II 20，探测器I 19和探测器II 20均电缆连接计算机1，信号发生器15和示波器16分别电缆连接磁体14；激光器II发出激光束II，所述激光束II能够依次经偏振片II 5、分束器7、凸透镜II8、透镜台9、原子力显微镜10、通孔II，并照射到样品12上，从样品12反射的光能够依次经通孔II、原子力显微镜10、透镜台9、凸透镜III17、沃拉斯顿棱镜II 21，然后分成两束正交的偏振光并分别进入探测器III22和探测器IV23，探测器III22和探测器IV23均电缆连接计算机1，样品台13能够三维移动并能够在xy平面内绕其中心轴旋转。所述探针11中的通孔I、通孔II和通孔III的直径均为200纳米。

本实用新型装置采用高精度的定位装置同时将两束激光以不同入射角照射在样品表面以研究纳米尺度的磁化性质，通过分析从样品发出的反射光强的差值，无需改变装置的结构便能够同时测量样品的二次磁光克尔效应信号及纵向磁光克尔效应信号。

Claims (2)

1.一种双光束磁光谱仪，主要包括计算机、激光器I、偏振片I、激光器II、偏振片II、凸透镜I、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、样品台、磁体、信号发生器、示波器、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜I、探测器I、探测器II、沃拉斯顿棱镜II、探测器III、探测器IV，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面、zx平面与水平面垂直，探针位于原子力显微镜下端，样品位于样品台上，所述样品、样品台、磁体依次位于探针下方，所述探针为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为1.5微米，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述透镜台透光，

其特征是：所述探针中在zx平面内具有通孔I、通孔II和通孔III，所述通孔II的轴线沿所述圆台轴线方向，所述通孔I和通孔III的轴线分别位于所述通孔II轴线的两侧、且均与所述通孔II轴线成45度角；激光器I发出激光束I，所述激光束I能够依次经偏振片I、凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、通孔I，并照射到样品上，从样品反射的光能够依次经通孔III、原子力显微镜、透镜台、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜I，然后分成两束正交的偏正光并分别进入探测器I和探测器II，探测器I和探测器II均电缆连接计算机，信号发生器和示波器分别电缆连接磁体；激光器II发出激光束II，所述激光束II能够依次经偏振片II、分束器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、通孔II，并照射到样品上，从样品反射的光能够依次经通孔II、原子力显微镜、透镜台、凸透镜III、沃拉斯顿棱镜II，然后分成两束正交的偏振光并分别进入探测器III和探测器IV，探测器III和探测器IV均电缆连接计算机，样品台能够三维移动并能够在xy平面内绕其中心轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种双光束磁光谱仪，其特征是：所述探针中的通孔I、通孔II和通孔III的直径均为200纳米。