CN2886552Y - 表面磁光克尔效应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种表面磁光克尔效应装置。由激光器、偏振棱镜、分光镜、探测器、运算放大器、单片机、计算机组成，在现有表面磁光克尔效应装置的光路系统中，在偏振棱镜和样品之间设置一个分光镜，且在该分光镜与控制计算机之间设置一个探测器，该分光镜将偏振棱镜出射的光分为两束，一束对准探测器，另一束对准样品。计算机经D/A卡控制磁场电源和继电器进行磁场扫描。数据由A/D卡采入，经运算后作图显示，从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程。本实用新型可测量5nm厚坡莫合金薄膜；测量小至2.8μm高汇聚激光斑的纳米结构磁性薄膜；结构简单，操作简便。

Description

表面磁光克尔效应装置

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种表面磁光克尔效应装置。

背景技术

1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转，随后他加磁场于金属表面上做光反射的实验，但由于金属表面并不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader两位学者进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并且提出了以SMOKE来作为表面磁光克尔效应(surfacemagneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法的磁性解析灵敏度可以达到一个原子层厚度，并且仪器可以配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。

表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物理领域中的一个极其重要的研究热点。而表面磁光克尔效应(SMOKE)作为一种非常重要的超薄膜磁性原位测量的实验手段，正越来越多的受到重视，并且已经被广泛用于磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究。

由于SMOKE要求能够达到单原子层磁性检测的灵敏度，即相当于能够测量到千分之一度的克尔旋转角。因此，对于光源和检测手段提出了很高的要求。目前国际上比较常见的是用功率输出很稳定的偏振激光器。Bader等人采用的高稳定度偏振激光器，其稳定度小于0.1％。也有用Wollaston棱镜分光的方法，降低对激光功率稳定度的要求。Chappert等人的方案是将从样品出射的光经过Wollaston棱镜分为s和p偏振光，在经过测量它们的比值来消除光强不稳定所造成的影响。但是这种方法的背景信号非常大，对探测器以及后级放大器的要求很高。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种操作方便、结构简单的表面磁光克尔效应装置。

本实用新型提出的表面磁光克尔效应装置，是在现有表面磁光克尔效应装置的光路系统中，在偏振棱镜2和样品5之间设置一个分光镜3，且在该分光镜3与控制计算机10之间设置一个探测器4，该分光镜3将偏振棱镜2出射的光分为两束，一束对准探测器4，另一束对准样品5。

现有的表面磁光克尔效应装置结构如图2所示，它由激光器1、偏振棱镜、探测器4、运算放大器8、单片机9、计算机10组成，本实用新型的表面磁光克尔效应装置增加了分光镜3和探测器4后的结构如图3所示。其中，激光器1对准偏振棱镜2，偏振棱镜2的出光口对准分光镜3，分光镜3将光束分为两束，分光镜3的一束出光口对准探测器4，另一束出光口对准样品5，样品5的出光口对准偏振棱镜6，偏振棱镜6的出光口对准探测器7，探测器4、7分别连接运算放大器8，运算放大器8通过A/D接口连接单片机9，单片机9通过232接口连接计算机10，单片机9的一端连接磁场电源13，单片机9的另一端连接磁场探测器12，磁场探测器12的另一端连接样品5。

本实用新型中，可以在激光器1与偏振棱镜2之间插入一个四分之一波片11，用于测量椭偏率，激光器1的出光口对准波片11，波片的出光口对准偏振棱镜2。

磁光克尔效应是指铁磁性样品(如铁、钴、镍及其合金)的磁化状态对从其表面反射的光的偏振状态的影响，当入射光为线偏振光时，样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化。

当一束线偏振光从磁化了的样品表面反射时，反射光的偏振面相对于入射光的偏振面转过了一个小的角度，称为克尔旋转角θ_k(如图1所示)，同时，反射光的椭偏率也发生变化，这个变化称为克尔椭偏率ε_k。克尔旋转角θ_k和克尔椭偏率ε_k都是磁化强度M的函数。通过探测θ_k或ε_k的变化可以推测出磁化强度M的变化。

按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。图1显示了三种磁光克尔效应中的磁场配置状态。

1.极向克尔效应：磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。通常情况下，极克尔信号的强度随入射角的减小而增大，在0度入射角时(垂直入射)达到最大。

2.纵向克尔效应：磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。纵克尔信号的强度一般随入射角的减小而减小，在0度入射角时为零。通常情况下，纵克尔信号中无论是克尔旋转角还是克尔椭偏率都要比极克尔信号小一个数量级。正是这个原因纵向克尔效应的探测远比极向克尔效应来得困难，但对于很多薄膜样品来说，易磁轴往往平行于样品表面，只有在纵向克尔效应配置下样品才容易达到饱和。因此，纵向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说又是十分重要的。

3.横向克尔效应：磁化方向在样品膜面内，并且垂至于入射面。横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。这是因为在这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。横向克尔效应中，只有在p偏振光(偏振方向平行于入射面)入射条件下，才有一个很小的反射率的变化。

以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE装置，原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效应。

图2为现有的磁光克尔效应装置结构图示。氦-氖激光器发射一激光束通过偏振棱镜2后变成线偏振光，然后从样品表面反射，经过偏振棱镜2进入探测器。偏振棱镜2的偏振方向与偏振棱镜6设置成消光位置偏一个很小的角度δ。样品放置在磁场中，当外加磁场改变样品磁化强度时，反射光的偏振状态发生改变，通过偏振棱镜6的光强也发生变化，在一阶近似下光强和磁化强度呈线性关系，探测器探测到这个光强的变化就可以推测出样品的磁化状态。

设置两个偏振棱镜主要是为了区分正负克尔旋转角。若两个偏振方向设置在消光位置，无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转，反映在光强的变化上都是强度增大，这样无法区分偏振面的正负旋转方向，也就无法判断样品的磁化方向。当两个偏振方向之间有一个小角度δ时，通过偏振棱镜6的光线有一个本底光强I₀。反射光偏振面旋转方向和δ同向时光强增大，反向时光强减小，这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来区分。

在图2的光路结构中，假设取入射光为p偏振(电场矢量E_p平行于入射面)，当光线从磁化了的样品表面反射时由于克尔效应，反射光中含有一个很小的垂直于E_p的电场分量E_s，通常E_s＜＜E_p。在一阶近似下有：

$\frac{E_s}{E_p}={\mathrm{\θ}}_k+i{\mathrm{\ϵ}}_k---\left(1\right)$

通过棱镜6的光强为：

I＝|E_psinδ+E_scosδ|²                (2)

将(1)式代入(2)式得到：

I＝|E_p|²|sinδ+(θ_k+iε_k)cosδ|²   (3)

因为δ很小，所以可以取sinδ＝δ，cosδ＝1，得到：

I＝|E_p|²|δ+(θ_k+iε_k)|²           (4)

整理得到：

I＝|E_p|²(δ²+2δθ_k)                (5)

无外加磁场下的克尔信号为：

I₀＝|E_p|²δ²         (6)

所以有：

I＝I₀(1+2θ_k/δ)        (7)

于是在饱和状态下的克尔旋转角θ_k为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_k=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{I(+M_S)-I(-M_S)}{I_0}=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_0}---\left(8\right)$

I(+M_S)和I(-M_S)分别是正负饱和状态下的光强。从式(8)可以看出，光强的变化只与克尔旋转角θ_k有关，而与ε_k无关。说明在图2这种光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角，如果要探测克尔椭偏率ε_k，则要在图2的光路中偏振棱镜2前插入一个四分之一波片，在饱和情况下Δε_k为：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_k=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{I(-M_S)-I(+M_S)}{I_0}=-\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{\mathrm{\ΔI}}{I_0}---\left(9\right)$

此时光强变化对克尔椭偏率敏感而对克尔旋转角不敏感。

通常情况下，θ_k和ε_k的数值都较小，尤其在纵向克尔效应条件下，往往只有毫度数量级，从式(8)和(9)中可以看出这需要I₀近似是一个常数，也就是激光的输出光强必须相当稳定，否则克尔信号很容易被淹没在噪声中。国外SMOKE上一般通用的激光器输出功率稳定度约为0.1％，但这样的激光器售价昂贵，并且国内暂时还没有替代品，为了降低对激光器的要求，本实用新型在光束起偏后加入了一个分光镜，激光束被一分为二，一束直接投射在探测器4，另一束透射到样品上，设激光器输出的原始光强为I₀(t)，由于分光镜的反射率R和透射率T一般不是光强的函数(忽略非线性效应)，可以认为两者都是常数，所以有：

反射光强：I_R(t)＝R I₀(t)    (10)

透射光强：I_T(t)＝T I₀(t)    (11)

探测器7接收到的光强为：

I(t)＝C I_T(t)(1+2θ_k/δ)    (12)

C是一个常数，和样品反射率及两个偏振棱镜偏振方向夹角δ有关。

两个探测器接收到的光强比值D为：

$D=\frac{I\left(t\right)}{I_R\left(t\right)}=\frac{C\×T}{R}(1+2{\mathrm{\θ}}_k/\mathrm{\δ})---\left(13\right)$

在式(13)中没有时间因子t，D的数值只与θ_k有关，C，T，R，δ均为常数。参照上述推导过程，可以得到：

${\mathrm{\Δ\θ}}_k=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{D(+M_S)-D\left({-M}_S\right)}{D_0}=\frac{\mathrm{\δ}}{4}\frac{\mathrm{\ΔD}}{D_0}---\left(14\right)$

D₀是零磁场情况下的D数值。

从式(14)中可以看到Δθ_k和光强I₀(t)无关。激光器光强的不稳定性不会影响Δθ_k的数值。这样就从理论上完全排除了激光器输出功率对实验结果的影响。如果在光路中插入四分之一波片，仿照上面的原理可以测量克尔椭偏率。

本实用新型的整个系统由一台计算机实现自动控制，根据设置的参数，计算机经D/A卡控制磁场电源和继电器进行磁场扫描。数据由A/D卡采入，经运算后作图显示，从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程。

本实用新型的优点是：

1、可测量5nm厚坡莫合金薄膜；

2.可测量小至2.8μm高汇聚激光斑的纳米结构磁性薄膜；

3.光学显微镜置于激光光路中，会聚激光点与样品表面可同时观测；样品放在无人操作台上，允许激光光斑位置精度小于1微米；一套独立的光栅扫描器可表征光学显微镜无法看见的极小磁性结构。

4.操作软件简便：可记录磁滞回线、计算开关场分布。

本实用新型对激光器的光强稳定度以及偏振状态没有要求，并且探测器的灵敏度也没有很高的要求，因此是一种普适的方案。该系统可以达到国际上普遍使用的方案所能达到的检测灵敏度，另外，该系统可以配置于超高真空系统中，所以不仅可以完成大气表面磁光克尔效应实验，也可以完成超高真空中的超薄膜磁性测量。可以用于研究纳米磁性技术、磁电子器件、MARM、巨磁阻与庞电阻、记录用磁头、磁性传感器等。

附图说明

图1为克尔效应的原理图。其中，Polar指两极，Longitudinal指纵向，Transverse指横向。

图2为现有的磁光克尔效应装置结构图示。

图3为本实用新型的结构图示。

图中标号：1为激光器，2为偏振棱镜，3为分光镜，4为探测器，5为样品，6为偏振棱镜，7为探测器，8为运算放大器，9为单片机，10为计算机，11为波片，12为磁场探测器，13为磁场电源。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本实用新型。

实施例1，激光器1对准偏振棱镜2，激光器1选用氦-氖激光器，偏振棱镜2选用WGD-100光栅单色仪，偏振棱镜2的出光口对准分光镜3，分光镜3选用Φ25×100放大镜，分光镜3将光束分为两束，分光镜3的一束出光口对准探测器4，探测器4选用20WX10的硅光电池，另一束出光口对准样品5，样品5的出光口对准偏振棱镜6，偏振棱镜6选用WGD-100光栅单色仪，偏振棱镜6的出光口对准探测器7，探测器7选用20WX10的硅光电池，探测器4、7分别连接运算放大器8，运算放大器8选用ICL7650，运算放大器8通过A/D接口连接单片机9，单片机9选用ADUC832BS，单片机9通过232接口连接计算机10，计算机10选用清华同方超越3600D。

Claims (2)

1、一种磁光克尔效应装置，其特征在于是在现有表面磁光克尔效应装置的光路系统中，在偏振棱镜(2)和样品(5)之间设置一个分光镜(3)，且在该分光镜(3)与控制计算机(10)之间设置一个探测器(4)，该分光镜(3)将偏振棱镜(2)出射的光分为两束，一束对准探测器(4)，另一束对准样品(5)。

2、根据权利要求1所述的磁光克尔效应装置，其特征在于激光器(1)与偏振棱镜(2)之间插入一个四分之一波片(11)，激光器(1)的出光口对准波片(11)，波片(11)的出光口对准偏振棱镜(2)。

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