DE102011052217B4 - Verfahren zum Bestimmen der wellenlängenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstante einer zu charakterisierenden Schicht in einem Schichtsystem mit einer oder mehreren magnetisierbaren Schichten - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der wellenlängenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstanteeiner zu charakterisierenden magnetisierbaren Schicht (S, S) in einem Schichtsystem mit einer oder mehreren magnetisierbaren Schichten (S, S), wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:- Durchführen einer Müller-Matrix-Polarimetrie in Reflexion oder Transmission an mindestens zwei unterschiedlich dicken, die gleiche Verspannung wie die zu charakterisierende Schicht (S) aufweisenden, magnetisierbaren Einzelschichten gleicher Komposition und Kristallstruktur wie die zu charakterisierende Schicht (Si) unter Sättigungsmagnetisierungsbedingungen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Magnetisierbare Materialien richten sich mit ihrem magnetischen Moment parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes $\overrightarrow{\text{H}}$

  

  aus.
• Ein magnetisierbares Einzel- und Mehrschichtsystem besteht aus einer bzw. mehreren übereinander gestapelten Schichten, von denen mindestens eine Schicht magnetisierbar ist.
• Ferromagnetische Materialien, z.B. Eisen, Nickel, Kobalt, haben ein Gedächtnis für das von außen angelegte Magnetfeld $\overrightarrow{\text{H}}$

  

  und können nach Abschalten des äußeren Magnetfeldes $\overrightarrow{\text{H}}$

  

  eine magnetische Ordnung, d.h. eine endliche Magnetisierung $\overrightarrow{\text{M}}\text{,}$

  

  aufweisen. Das Einstellen der magnetischen Ordnung ist temperaturabhängig und erfolgt in ferromagnetischen Materialien unterhalb der Curie-Temperatur.
• Die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Ordnung wird beim Löschvorgang vor jedem Schreibvorgang in magnetooptischen Disks ausgenutzt. Magnetooptische Disks werden magnetisch geschrieben und optisch ausgelesen und kombinieren so die Vorteile der Magnet- und der Lasertechnologie zum Erfassen und Speichern von Daten. Beim Löschen werden die magnetooptischen Disks mit einem Laser-Schreibstrahl lokal über die Curie-Temperatur erhitzt. Nach dem Abkühlen bleibt die Magnetisierung vorhanden. Die unterschiedlich magnetisierten Bereiche reflektieren Licht durch den magnetooptischen Kerr-Effekt unterschiedlich, so dass zum Auslesen ebenfalls ein Laserstrahl, der Laser-Lesestrahl, eingesetzt werden kann. Der Laser-Lesestrahl hat eine geringere Leistung als der Laser-Schreibstrahl, da er das Material nicht erhitzen muss. Magnetooptische Speichermedien sind teure aber sehr gute Datensicherungsspeicher. Aufgrund von mangelnder Kapazität und/oder hohen Kosten sind die Zukunftschancen für magnetooptische Speichermedien relativ gering. Derzeit sind keine aktuellen Entwicklungen mehr in diese Richtung zu erwarten.
• Der elektrische Widerstand von magnetisierbaren Mehrschichtsystemen hängt von der Ausrichtung der Magnetisierung in den Einzelschichten des Mehrschichtsystems zueinander ab. Diese Magnetfeldabhängigkeit des Widerstandes wird z.B. in Magnetowiderstandssensoren, das sind magnetisierbare Mehrschichtsysteme, in denen die Magnetisierung wenigstens einer Schicht in einer Richtung reversibel von einem von außen angelegten Magnetfeld $\overrightarrow{\text{H}}$

  

  abhängt, genutzt.
• Mehrschichtsysteme bestehend aus zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine isolierende Schicht getrennt sind, zeigen den Effekt des Tunnelmagnetowiderstandes (TMR). Der elektrische Widerstand von TMR-Strukturen hängt von der magnetischen Orientierung der beiden ferromagnetischen Lagen zueinander ab. TMR- Strukturen werden in Leseköpfen in Festplatten mit hohen Kapazitäten genutzt. TMR-Strukturen werden auch in magnetischen Sensoren und als Speicherelemente in Magnetspeichern (magnetic random access memory, MRAM) verwendet.
• Mehrschichtsysteme bestehend aus zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine nichtmagnetische Metall-Zwischenschicht getrennt sind, zeigen den Effekt des Riesenmagnetowiderstandes (GMR). Der elektrische Widerstand von GMR-Strukturen hängt von der magnetischen Orientierung der beiden ferromagnetischen Schichten zueinander ab. Der GMR-Effekt ist kleiner als der TMR-Effekt. GMR-Strukturen werden in Leseköpfen von Festplatten verwendet, welche eine geringere Kapazität als die Festplatten mit Leseköpfen mit TMR-Strukturen besitzen.
• Die magnetooptischen Eigenschaften von magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtsystemen hängen von der Größe und Richtung der Magnetisierung in den Einzelschichten ab. Entsprechende Lösungen, welche die magnetooptischen Eigenschaften von magnetisierbaren Einzel-, Zwei- oder Dreischichtsystemen in Abhängigkeit von der Magnetisierung der Einzelschichten anwenden, sind aus US 4 650 290 A , US 3 680 056 A , US 5 538 801 A und US 6 143 435 A bekannt. Die bekannten Lösungen haben zum Nachteil, dass sie die Abhängigkeit magnetooptischer Eigenschaften der einfallenden elektromagnetischen Welle, wie Wellenlänge oder Polarisationszustand, oder die Dicke der magnetisierbaren Einzelschichten nicht berücksichtigen.
• Aus Mok, K et al.:„Vector-magneto-optical generalized ellipsometry", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 82, S.033112-1 bis S.033112-10 (2011) ist ein magnetisierbares Einzel- oder Mehrschichtsystem bekannt, welches geeignet ist zur magnetfeldabhängigen Modulierung von einfallenden elektromagnetischen Wellen.
• US 6 507 422 B1 offenbart ein optisches Dämpfungsglied, das erste und zweite Dämpfungsgliedeinheiten umfasst, die auf einem optischen Weg kaskadiert sind, und eine Steuerschaltung, die mit der ersten und der zweiten Dämpfungsgliedeinheit verbunden ist. Jede der ersten und der zweiten Dämpfereinheit enthält einen Faraday-Rotator, der auf dem optischen Weg vorgesehen ist. Der Faraday-Rotator erzeugt einen Faraday-Rotationswinkel, der als Funktion der Wellenlänge angegeben wird. Jede der ersten und der zweiten Dämpfungseinheit enthält ferner eine Polarisationseinheit zum Erzeugen einer durch den Faraday-Drehwinkel auf dem optischen Weg bestimmten Dämpfung. Die Steuerschaltung steuert zum Beispiel den Faraday-Drehwinkel in jeder der ersten und der zweiten Dämpfereinheit, so dass eine Wellenlängencharakteristik der Dämpfung in der ersten Dämpfereinheit durch eine Wellenlängencharakteristik der Dämpfung in der zweiten Dämpfereinheit im Wesentlichen aufgehoben wird. Obwohl jeder Faraday-Rotator einen Faraday-Rotationswinkel erzeugt, der als Funktion der Wellenlänge gegeben ist, wird bei dieser Konfiguration eine Wellenlängencharakteristik der Gesamtdämpfung durch den Betrieb der Steuerschaltung im Wesentlichen abgeflacht.
• US 6 143 435 A beschreibt magnetooptische Strukturen, die in Systemen zur optischen Verarbeitung von Informationen in Sensoren und Wandlern einsetzbar sind. Das technische Ergebnis besteht in der Erhöhung der Auflösung und der Empfindlichkeit, um einen hohen Wert der Faraday-Rotation von polarisiertem Licht und eine hohe Betriebsgeschwindigkeit sicherzustellen, wenn Impulse eines externen Magnetfelds angelegt werden.
• Unter Magnetooptik versteht man die Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit magnetisierbaren Materialien. Magnetooptische Effekte werden standardmäßig bezüglich der Ausrichtung der Magnetisierung der Einzelschichten zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle gegeben. So wird zwischen longitudinalen (Faraday-Effekt), transversalen und polaren magnetooptischen Effekten unterschieden.
• Die magnetooptischen Effekte sind quantenmechanischer Natur und lassen sich mittels der MAXWELL-Gleichungen und des materialabhängigen Leitfähigkeitstensors σ, Dielektrizitätstensors ε und magnetischen Permeabilitätstensors µ beschreiben. Bei Kenntnis der von der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle abhängigen Materialtensoren gelangt man zu einer Beschreibung wie sich elektromagnetische Wellen in einer magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtstruktur ausbreiten.
• Ein Modulator prägt einer elektromagnetischen Welle Information auf, z.B. durch Variation von Intensität, Phase, Polarisation oder Richtung der elektromagnetischen Welle. Ein Schalter, z.B. der optische Isolator, ist demnach ein Spezialfall eines Modulators zum An- und Ausschalten von elektromagnetischen Wellen.
• Allgemein bezeichnet man als Doppelbrechung (Dichroismus) ein optisches Phänomen, das in vielen anisotropen Medien auftritt und sich durch unterschiedliche Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen für verschiedene Orientierungen des Polarisationsvektors auszeichnet. Doppelbrechung tritt z.B. durch magnetooptische Kopplung einer elektromagnetischen Welle an magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtstrukturen in einem äußeren Magnetfeld und/oder durch elektrooptische Kopplung einer elektromagnetischen Welle an polarisierbaren Einzel- und Mehrschichtstrukturen in einem äußeren elektrischen Feld auf.
• Ein Anwendungsbeispiel für die elektrooptische Kopplung sind Pockels- und Kerr-Zellen. In ihnen wird das Brechungs- und Polarisationsverhalten eines Materials linear (Pockels-Effekt) und quadratisch (Kerr-Effekt) durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld verändert. Typische Änderungen des Brechungsindex betragen Δn/n~10^-5. Nach Propagation der elektromagnetischen Wellen um eine Strecke von 10⁵ Wellenlängen, ergibt sich damit eine Phasenverschiebung von 2π. Materialien für Pockels-Zellen sind meist Kristalle, z.B. NH₄H₂PO₄, LiNbO₃, LiTaO₃, KH₂PO₄. Materialien für Kerr-Zellen sind meist isotrope punktsymmetrische Medien (Gase, Flüssigkeiten, bestimmte Gläser). Die elektrooptischen Effekte werden in Verzögerungsplatten mit veränderlichem Brechungsindex zur Phasenmodulation, zur Änderung der Lichtpolarisation und zur Änderung der Lichtintensität sowie in Linsen mit veränderlicher Brennweite verwendet. Erreichbare Modulationsfrequenzen liegen bei einigen hundert MHz bis einigen GHz. Die Modulationsfrequenz kann durch integrierte optische Bauweise erhöht werden, z.B. integrierter-optischer Phasenmodulator, integriertes-optisches Interferometer und integrierter-optischer Richtungskoppler. Jedoch weist ein elektrooptischer Modulator einen Nachteil dahingehend auf, dass er unter Gleichstrom (DC)-Drift (Hirotoshi Nagata u.a.: Estimation of direct current bias and drift of Ti:LiNbO3 optical modulators. Journal of Applied Physics. Vol. 76, Nr. 3, S. 1405-1408 (1994)) und unter optischer Beeinträchtigung (Englisch: Optical Damage) leidet. Daher ist es schwierig, ihn für eine längere Zeitdauer stabil zu betreiben, oder es kostet viel, um eine Verschlechterung seiner elektrooptischen Merkmale zu vermeiden.
• Ein Anwendungsbeispiel für magnetooptische Kopplung sind optische Isolatoren. Das sind optisch isotrope und magnetisierbare Materialien, welche durch Anlegen eines Magnetfeldes optisch anisotrop werden und die Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Welle in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle und dem Magnetfeld genau um 45° zwischen beiden Enden des magnetisierbaren Materials drehen. An beiden Enden des optischen Isolators befinden sich Polarisationsfilter, welche um 45° gegeneinander verdreht sind. Elektromagnetische Wellen geeigneter Wellenlänge können den hinteren Polarisationsfilter ungehindert passieren, während die Polarisationsrichtung zurückreflektierter elektromagnetischer Wellen um 90° gedreht wurde und diese den vorderen Polarisator nicht passieren können. Da die Faraday-Rotation des Lichts stark von der Wellenlänge abhängt, funktionieren optische Isolatoren nur bei einer bestimmten Wellenlänge perfekt; bei allen anderen Wellenlängen wird Licht auch in Gegenrichtung durchgelassen und ein Teil des Lichts in Vorwärtsrichtung vom Analysator ausgefiltert. Vor kurzem sind vielfältige optische Kommunikationssysteme offenbart worden, in denen ein elektrisches Feld von einer Antenne als eine Quelle eines Radiofrequenzsignals einem elektrooptischen Modulator beaufschlagt wird ( DE 60307919 T2 ).
• Ein weiteres Anwendungsbeispiel für magnetooptische Kopplung sind magnetooptische Modulatoren, in denen das modulierende Magnetfeld mit einer stromdurchflossenen Spule erzeugt wird. Die Modulationsgeschwindigkeiten sind langsamer als bei einem elektrooptischen Modulator und nicht höher als einige kHz. Die Erwärmung der stromdurchflossenen Spule ist außerdem von Nachteil. Daher wird der magnetooptische Modulator nur für einen auf einer niedrigen Antwortgeschwindigkeit betriebenen Magnetfeldsensor oder einen Sensor für elektrischen Strom angewendet (G. Doriath u.a.: A sensitive and compact magnetometer using Faraday effect in YIG waveguide@1.3 µm. Journal of Applied Physics. Vol. 53, Nr. 11, S. 8263-8265 (1982)).
• DE 60307919 T2 offenbart einen magnetooptischen Modulator, der in einem breiten Frequenzbereich betrieben wird und der frei ist von den Nachteilen des elektrooptischen Modulators, wie die Gleichstrom-Drift und die optische Beeinträchtigung. In dem magnetooptischen Modulator nach DE 60307919 T2 ist ein vormagnetisierendes magnetisches Feld beinahe entlang der Lichtausbreitungsrichtung ausgerichtet, während das magnetische RF Feld in einer von der Lichtausbreitungsrichtung verschiedenen Richtung ausgerichtet ist. Weiterhin wird das magnetische RF Feld erzeugt von einem magnetischen Feld, das durch ein elektrisches RF Stromsignal induziert wird, das auf einer magnetisierbaren Leitung, z.B. einer Streifenleitung (einschließlich Mikrostreifenleitung), einer koplanaren Leitung oder einer koaxialen Leitung, übertragen wird. Ferner kann nach DE 60307919 T2 ein RF Signal von einer Antenne in einen Generator für ein RF magnetisches Feld eingespeist werden, wobei ein optisches Kommunikationssystem für drahtlose RF Signale aufgebaut wird.
• Phänomenologisch wurde festgestellt, dass magnetooptische Effekte in magnetisierbaren Materialien sehr stark von der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle abhängen. So kann der magnetooptische Modulator nach DE 60307919 T2 nur auf einer Frequenz bis nahe an die ferromagnetische Resonanzfrequenz des magnetisierbaren Materials der magnetisierbaren Leitung verwendet werden.
• Phänomenologisch kann man die magnetooptischen Effekte durch die Nebendiagonalelemente im magnetooptischen Dielektrizitätstensor ε beschreiben. Unter der Voraussetzung, dass keine weiteren optischen Anisotropien auftreten, kann ε in einen symmetrischen und in einen antisymmetrischen Anteil zerlegt werden. Der antisymmetrische Anteil des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε enthält die magnetooptische Kopplung, welche eine komplexe Materialkonstante ist und in erster Näherung proportional zur Probenmagnetisierung angenommen wird. Solange die komplexe magnetooptische Kopplungskonstante eines magnetisierbaren Materials nur qualitativ bekannt ist, kann die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in dem magnetisierbaren Material nicht quantitativ beschrieben werden.
• Die Wellenlängenabhängigkeit des asymmetrischen Anteils des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε kann theoretisch für verschiedene magnetisierbare Materialien vorhergesagt werden. Ein Vergleich zwischen Theorie und Experiment zeigt jedoch, dass der asymmetrische Anteil des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε von Verspannungen in der magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtstruktur abhängt und dass diese Einflüsse auf die Netto-Spinpolarisation und die elektronische Bandstruktur des magnetisierbaren Materials beim Berechnen des asymmetrischen Anteils des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε berücksichtigt werden müssen.
• Multiplexverfahren sind Methoden zur Signal- und Nachrichtenübertragung, bei denen mehrere Signale zusammengefasst und simultan über ein Medium eine Leitung, Kabel oder Funkstrecke übertragen werden. Die WDM-Technik (wavelength division multiplexing, WDM) ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren, bei dem unterschiedliche Lichtwellenlängen zur parallelen Übertragung von mehreren Signalen genutzt werden. Dem Prinzip nach wird beim Wellenlängenmultiplexing jedes zu übertragende Signal einer Lichtfrequenz auf moduliert. Für die Telekommunikation werden als Wellenlängen praktisch alle Wellenlängen der optischen Fenster der Telekommunikation bei 850 nm, 1300 nm und 1550 nm genutzt. So können bei der Nutzung von drei Lichtfrequenzen gleichzeitig drei Signale übertragen werden. Das optische Koppelelement, der Wellenlängenmultiplexer, bündelt die verschiedenen Lichtwellenlängen und überträgt den gesamten Lichtstrom, der alle diskreten Wellenlängen enthält, über einen Lichtwellenleiter zum Empfangsort, wo er im Demultiplexer mittels Filtertechniken in die einzelnen Kanäle separiert wird. Das Problem ist die Realisierung geeigneter Multiplexer und Demultiplexer. Bisher werden dafür elektrooptische Effekte genutzt.
• Bisher wurden keine geeigneten Multiplexer und Demultiplexer, welche magnetooptische Effekte nutzen, für die optischen Fenster der Telekommunikation bei 850 nm, 1300 nm und 1550 nm realisiert.
• Nach DE 69413308 T2 wird ein magnetooptisches Element mit elektrooptischen Modulatoren kombiniert.
• Das berührungslose Sensorprinzip der Magnetooptik eröffnet Möglichkeiten zur Kostenreduktion für die Bereiche der Systeminstallation und -wartung in der Informationstechnik, der Fahrzeugtechnik, dem Maschinenbau und der Medizintechnik. Jedoch werden Sensoren auf der Basis anderer physikalischer Prinzipien vielfach den magnetooptischen Sensoren vorgezogen, da häufig die anwendungstechnisch eigentlich sekundären Faktoren wie Preis, Know-how des Entwicklers oder die Zeit bis zur Verfügbarkeit der Komplettlösung die entscheidende Rolle spielt.
• Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt bei magnetooptischen Sensoren zur Visualisierung von magnetischen Streufeldern. Das Erdmagnetfeld beträgt an der Erdoberfläche 0,031 kA/m. Als Sensormaterialien für die Magnetooptik werden z.B. einkristalline ferromagnetische Granatschichten auf Basis von Bismut substituiertem Seltenerd-Eisen-Granat der Stöchiometrie (Bi,SE)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ entwickelt. Diese magnetooptischen Sensoren weisen in Transmission eine spezifische Faradaydrehung von bis zu 1,3 °/µm (Wellenlänge X der polarisierten elektromagnetischen Wellen λ = 590 nm, einen Dynamikbereich bei der Visualisierung von magnetischen Feldstärken zwischen 0,03 bis zu 200 kA/m, eine hohe Ortsauflösung im niedrigen µm-Bereich und gute Transparenz im sichtbaren Spektralbereich ab ca. λ > 530 nm auf.
• Magnetooptische Sensoren können nach ihren Abbildungseigenschaften in analog abbildende und „binär“ abbildende Sensoren eingeteilt werden.
• Analog abbildende magnetooptische Sensorschichten sind in der Lage, kleine magnetische Unterschiede des Untersuchungsobjektes in unterschiedlichen Helligkeitskontrasten abzubilden. Über die Helligkeitsunterschiede ist prinzipiell eine Aussage zur Stärke der beobachteten Magnetfelder möglich.
• „Binär“ abbildende Sensorschichten weisen in ihrer Hystereseschleife einen Sprung auf. Das führt dazu, dass schon sehr kleine magnetische Felder ausreichen, die Sättigungsmagnetisierung der Schicht zur erreichen - was gleichzeitig zur maximalen Faraday-Drehung führt. Diese Sensoren können Magnetfelder nur nach dem „Ja-Nein“ Prinzip abbilden.
• Darstellung der Erfindung
• Technische Aufgabe
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen der wellenlängenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstante einer zu chrakterisierenden Schicht in einem Schichtsystem mit einer oder mehreren magnetisierbaren Schichten anzugeben.
• Weiterhin werden mögliche Einsatzgebiete für dieses magnetooptische System angegeben.
• Unter elektromagnetischen Wellen sind nicht nur Weißlicht, monochromatisches sichtbares, ultraviolettes oder Infrarot-Licht zu verstehen, sondern die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Energien bzw. Frequenzen bzw. Wellenlängen.
• Ausführliche Zeichnungsbeschreibung
• Die Anordnung wird mit Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind optionale Anordnungsbestandteile nicht mit schwarz sondern grau dargestellt.
• 1 zeigt auf beiden Seiten den Aufbau eines magnetisierbaren Einzelschichtsystems. Das magnetisierbare Einzelschichtsystem umfasst einen optionalen Träger T und eine magnetisierbare Einzelschicht S. Bei Verwendung eines Träger T, wie in 1 dargestellt, bildet sich zwischen dem Träger T und der Einzelschicht S eine Grenzschicht bzw. eine Grenzfläche G aus. Die Dicken dieser Schichten und des Trägers werden mit d_S , d_G , d_T bezeichnet. Elektromagnetische Wellen treffen unter dem Einfallswinkel a auf die magnetisierbare Einzelschicht S und werden mit dem Reflexionswinkel α' reflektiert und mit dem Brechungswinkel β durch das Einzelschichtsystem transmittiert.
• Für einzelne Verwendungen, z. B. für die Bestimmung der magnetooptischen Kopplungskonstante $\overrightarrow{Q}$

  

  einer magnetisierbaren Einzelschicht kann es sinnvoll sein, dass nur monochromatisches Licht, das in einem Monochromator 10 erzeugt wird, und optional anschließend im Polarisator 11 polarisiert wurde, verwendet wird.
• Die beiden Teile der 1 sollen verdeutlichen, das die Dicke d_S der Schicht S relevant für das Polarisationsergebnis der reflektierten Welle ist.
• 2 zeigt auf beiden Seiten den Aufbau eines magnetisierbaren Mehrschichtsystems. Das magnetisierbare Mehrschichtsystem umfasst einen optionalen Träger T und mindestens zwei magnetisierbare Einzelschichten S_i . Bei Verwendung eines Träger T, wie in 2 dargestellt, bildet sich zwischen dem Träger T und der an den Träger angrenzenden Einzelschicht S_n eine Grenzschicht bzw. eine Grenzfläche G aus. Die Dicken dieser Schichten und des Trägers werden mit d_Si, d_G , d_T bezeichnet. Es bilden sich auch zwischen den einzelnen Schichten S_i und S_i+1, mit 1 ≤ i ≤ n-1 und n die Anzahl der magnetisierbaren Schichten, Grenzflächen aus, die falls die Schichten aus Metallen bestehen gegenüber der Grenzschicht G zwischen Träger T und Schicht S_n sehr dünn sind.
• Analog zu 1 treffen elektromagnetische Wellen unter dem Einfallswinkel α auf die magnetisierbare Einzelschicht S_i und werden mit dem Reflexionswinkel α' reflektiert und mit dem Brechungswinkel β durch das Mehrschichtsystem transmittiert.
• Die beiden Teile der 2 sollen verdeutlichen, dass die Reihenfolge der Schicht S_i relevant für das Polarisationsergebnis der reflektierten Welle ist.
• 3 stellt eine mögliche Verwendung dieses Verfahrens für kleine Objekte mit nichtplanparallelen Grenzflächen, z. B. Nanopartikel 20, dar. Werden diese mit einer elektromagnetischen Welle mit einer Wellenlänge bestrahlt, welche kleiner als die Objektgröße ist, und ist die Größe des „Lichtspots“ 22 geringer als die Wellenlänge, kann das Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften dieser Nanopartikel verwendet werden, weil die fett markierten Bereiche als parallel zu einander angesehen werden können.
• 4 zeigt eine mögliche a) Reihenschaltung oder b) Parallelschaltung aus einzelnen magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystemen, die beliebig erweitert werden und in magnetooptischen Multiplexern zum Einsatz kommen kann.
• Grundzüge des Lösungsweges
• Die Erfindung umfasst eine Verwendung eines magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtsystems 1 bestehend aus einem optionalen Träger T und mindestens einer magnetisierbaren Einzelschicht S, S_i . Die magnetooptischen Eigenschaften der magnetisierbaren Einzelschichten sind durch die Magnetisierung ${\overrightarrow{M}}_i$

  

  der Schicht S_i und die Dicke d_i der magnetisierbaren Schicht sowie durch den wellenlängenabhängigen magnetooptischen Dielektrizitätstensor ε_i gegeben.
• Die Hauptdiagonalelemente des Dielektrizitätstensor ε_i der Einzelschicht S_i sind durch den wellenlängenabhänggien Brechungsindex N_i und den Absorptionsindex K_i der Einzelschicht S_i entlang der Hauptachsen (x, y, z) eines kartesischen Koordinatensystems gegeben. In den Nicht-Diagonalelementen des komplexen magnetooptischen Dielektrizitätstensor ε_i der Einzelschicht S_i steht das Vektorprodukt aus der komplexen wellenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstante ${\overrightarrow{Q}}_i={\left(Q_x,Q_y,Q_z\right)}_i$

  

  und der wellenlängenunabhängigen Magnetisierung ${\overrightarrow{M}}_i={\left(M_x,M_y,M_z\right)}_i$

  

  der Einzelschicht S_i
• Die Magnetisierung ${\overrightarrow{M}}_i$

  

  wird mittels unabhängiger Magnetisierungsmessungen bestimmt und kann linear vom äußeren Magnetfeld ${\overrightarrow{M}}_i\left({\overrightarrow{H}}_i\right)$

  

  oder nichtlinear vom äußeren Magnetfeld ${\overrightarrow{M}}_i\left({\overrightarrow{H}}_j\right)$

  

  abhängen.
• Erfindungsgemäß wird für die Bestimmung der wellenlängenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstante ${\overrightarrow{Q}}_i$

  

  der Einzelschicht S, S_i , wie in 1 dargestellt, die Müller-Matrix-Polarimetrie in Reflexion bzw. Transmission im Magnetfeld unter Sättigungsmagnetisierungsbedingungen an vorzugsweise mindestens zwei unterschiedlich dicken, jedoch gleich verspannten, magnetisierbaren Einzelschichten S_i gleicher Komposition und Kristallstruktur auf dem gleichen Trägermaterial T durchgeführt. Danach wird die gemessene Müller-Matrix unter Verwendung des Dielektrizitätstensors aller Einzelschichten S_i , hier der magnetisierbaren Einzelschicht S und des Trägermaterials T modelliert und die wellenabhängigen magnetooptische Kopplungskonstante ${\overrightarrow{Q}}_i={\left(Q_x,Q_y,Q_z\right)}_i$

  

  der magnetisierbaren Einzelschicht S, S_i bei gleichzeitiger Kenntnis von deren Magnetisierung ${\overrightarrow{M}}_i$

  

  extrahiert.
• Bei Verwendung eines magnetisierbaren Einzelschichtsystems auf einem Träger T, wie in 1 dargestellt, oder bei Verwendung eines magnetisierbaren Mehrschichtsystems auf einem Träger T, wie in 1 dargestellt, bildet sich zwischen dem Träger T und der an den Träger angrenzenden Einzelschicht S oder S_n eine Grenzschicht der Dicke d_G bzw. eine Grenzfläche G aus. Es bilden sich auch zwischen den einzelnen Schichten S_i und S_i+1 , wobei 1 ≤ i ≤ n-1 gilt und n die Anzahl der Einzelschichten S_i angibt, Grenzflächen aus, die, falls die Einzelschichten S_i aus Metallen bestehen, gegenüber der Grenzschicht G zwischen Träger T und Schicht S_n sehr dünn sind und in der Modellierung vernachlässigt werden können, falls die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle groß gegen die Dicke d_G der Grenzschicht ist.
• Die wellenlängenabhängige magnetooptische Kopplungskonstante ${\overrightarrow{Q}}_i$

  

  ist ein dickenunabhängiger Materialparameter. Nur wenn die wellenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstanten ${\overrightarrow{Q}}_i={\left(Q_x,Q_y,Q_z\right)}_i$

  

  von magnetisierbaren Einzelschichten S_i unterschiedlicher Dicke d_i jedoch mit gleicher Verspannung, gleicher Komposition und gleicher Kristallstruktur auf gleichem Trägermaterial T gleich sind, kann der Einfluss von Grenzschichten G zwischen dem Träger T und der Einzelschicht S_i bei der Bestimmung der wellenlängenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstante ${\overrightarrow{Q}}_i$

  

  der Einzelschicht S_i ausgeschlossen werden.
• Die Berechnung der Müller-Matrix eines magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems unter Verwendung des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε_i und der Dicken d_i der Einzelschichten S_i und des Dielektrizitätstensors ε_T und der Dicke d_T des Trägers T gestattet eine theoretische Vorhersage der magnetooptischen Antwort des magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtsystems auf eine unter dem Einfallswinkel α einfallende elektromagnetische Welle mit einer vorgegebenen Wellenlänge λ.
• Die Berechnung der Müller-Matrix gestattet außerdem eine Vorhersage bezüglich der Auslegung des Dielektrizitätstensors, der Dicke und der Anordnung der Einzelschichten eines Einzel- und Mehrschichtsystems, damit die reflektierte oder transmittierte elektromagnetische Welle die „Ziel“-Polarisation erreicht. Optional kann das magnetisierbare Einzel- oder Mehrschichtsystem, wie in 3 dargestellt, nicht planparallele Grenzflächen zwischen den Einzelschichten enthalten. In diesem Fall wird das magnetisierbare Einzel- oder Mehrschichtsystem segmentiert, so dass die Grenzflächen in den einzelnen Segmenten 22 planparallel sind und jede Einzelschicht S_i in diesem Segment S_i eine konstante Dicke d_i hat. Für jedes Segment 22 kann die Müller-Matrix Verwendung des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε_i und der Dicken d_i der Einzelschichten S_i berechnet und die magnetooptische Antwort jedes Segmentes 22 auf eine unter dem Einfallswinkel α auf das Segment 22 einfallende elektromagnetische Welle mit einer vorgegebene Wellenlänge λ vorhergesagt werden. Diese ortsaufgelösten magnetooptischen Messungen können zur Charakterisierung von magnetisierbaren Materialien mit nicht planparallelen Grenzflächen 20 in verschiedenen Wirtsmaterialien 21 verwendet werden.
• Vorteilhafte Wirkungen
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die verfahrensabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstanten für einzelne Spektralbereiche bestimmt werden. Dadurch ist die Identifikation von Spektralbereichen, in denen die Ankopplung der einfallenden elektromagnetischen Wellen sehr stark ist, erst möglich. Ein hauptsächlicher Vorteil ist, dass bei den Einsatzmöglichkeiten der mit diesem Verfahren hergestellten Anordnung die Anforderungen an das spezifische magnetooptische Einzel- bzw. Mehrschichtsystem bezüglich Einfallswinkel des Lichtes, Polarisationszustand des Lichtes, Frequenz des Lichtes berücksichtigt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache Einstellung der gewünschten Ziel-Polarisation.
• Die beschriebene Anordnung kann zur Messung des Magnetfeldgradienten sowie zur Bestimmung der Magnetisierung der einzelnen Schichten verwendet werden.
• Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Verfahrens ist die zielgerichtete magnetooptische Modulation einzelner Wellenlängen sowie die magnetooptische Modulation mehrerer Wellenlängen des einfallenden Lichts durch Reihen- bzw. Parallelschaltung mehrerer dieser Anordnungen für einzelne Wellenlängenbereiche.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die optimale Auslegung von magnetisierbaren Einzel- und Mehrschichtsystemen.
• Ausführungsbeispiele
• Optimierung der Auslegung des magnetooptischen Systems um die „Ziel“-Polarisation der reflektierten oder transmittierten Welle zu erreichen.
• Die „Ziel“-Polarisation einer reflektierten oder transmittierten elektromagnetischen Welle kann optimiert werden, indem die Müller-Matrix des magnetooptischen Systems in Abhängigkeit von der Dicke d, d_i magnetisierbarer Einzelschichten S, S_i berechnet und die magnetooptische Antwort bezüglich der „Ziel“-Polarisation analysiert wird.
• Optimierung eines magnetooptischen Speichers
• Wahl eines magnetisierbaren Materials der Dicke d_i und mit dem magnetooptischen Dielektrizitätstensor ε_i für die magnetooptische Speicher, welches für elektromagnetische Wellen mit der Wellenlänge λ und mit dem Polarisationszustand des Laser-Lesestrahls eine möglichst große magnetooptische Antwort bezüglich der „Ziel“-Polarisation hat.
• Optimierung eines magnetooptischen Sensors
• Wahl eines magnetisch anisotropen Materials, dessen leichte Achse der Magnetisierung in Richtung der zu visualisierenden magnetischen Streufelder zeigt und dessen magnetooptische Antwort bezüglich der „Ziel“-Polarisation der reflektierten oder transmittierten elektromagnetischen Welle optimal ist.
• Optimierung eines Magnetfeldsensors
• Die „Ziel“-Polarisation muss sich für eine Magnetisierung entlang einer entlang der Hauptachsen x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems stark ändern, so dass die Komponenten (M_x , M_y , M_z ) der Magnetisierung ${\overrightarrow{M}}_i$

  

  durch Abfrage verschiedener „Ziel“-Polarisationen bestimmt sind und damit kann man auf das angelegte äußere Magnetfeld ${\overrightarrow{H}}_j$

  

  schließen.
• Entwicklung eines magnetooptischen Modulators
• Die Entwicklung eines Materials, welches ohne ein von außen angelegtes Magnetfeld eine spontane Magnetisierung aufweist, für einen magnetooptischen Modulator. Die Magnetisierung des zu entwickelnden Materials kann durch Anlegen des modulierenden Magnetfeldes bezüglich seiner Richtungs- und Amplitudenänderung dem modulierenden Magnetfeld synchron folgen. Das zu entwickelnde Material muss gleichzeitig optimierte magnetooptische Eigenschaften besitzen, so dass die „Ziel“-Polarisation für eine elektromagnetische Welle gegebener Wellenlänge erreicht wird.
• Entwicklung eines Multiplexers mit magnetooptischen Komponente
• Nutzung eines magnetooptischen Modulators, welcher solche optimierten magnetooptische Eigenschaften bzgl. des magnetooptischen Dielektrizitätstensors ε_i und/oder bzgl. der Dicke d, d_i besitzt, dass die „Ziel“-Polarisation für elektromagnetische Wellen verschiedener Wellenlängen λ und/oder gleicher Ausgangspolarisation bzw. für elektromagnetische Wellen gleicher Wellenlänge und verschiedener Ausgangspolarisation verschieden ist. Zur Erreichung der „Ziel“-Polarisation können mehrere magnetooptische Modulatoren in Reihe oder parallel angeordnet werden.
• Bezugszeichenliste

1

Magnetisierbares Einzel- bzw. Mehrschichtsystem

10

Monochromator

11

Polarisator

12

Polarisationszustand vor der Wechselwirkung mit 1

13

Polarisationszustand nach der Wechselwirkung mit 1

14

Analysator oder weitere Einsatzmöglichkeiten

20

Magnetisierbares Material mit nicht planparallelen Grenzflächen

21

Material, in welches das magnetisierbare Material 22 eingebettet ist

22

Segment mit planparallelen Grenzflächen

G

Grenzfläche

T

Trägermaterial

S, S_i

Magnetisierbare Schicht

x, y, z

kartesisches Koordinatensystem

d_T

Dicke des Trägermaterial

d_G

Dicke Grenzfläche

d_i

Dicke magnetisierbaren Schicht

α, α'

Einfalls-, Reflexionswinkel

β

Brechungswinkel



Externes Magnetfeld



Magnetisierung der Schicht S_i

ε_i

Magnetooptischer Dielektrizitätstensor der Schicht S_i

ε_T

Dielektrizitätstensor des Träger T

N_i, K_i

Brechungsindex und Absorptionsindex der Schicht S_i



Magnetooptische Kopplungskonstante der Schicht S_i

Claims (1)

1. Verfahren zum Bestimmen der wellenlängenabhängigen magnetooptischen Kopplungskonstante $\left({\overrightarrow{Q}}_i\right)$

   

   einer zu charakterisierenden magnetisierbaren Schicht (S, S_i) in einem Schichtsystem mit einer oder mehreren magnetisierbaren Schichten (S, S_i), wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist: - Durchführen einer Müller-Matrix-Polarimetrie in Reflexion oder Transmission an mindestens zwei unterschiedlich dicken, die gleiche Verspannung wie die zu charakterisierende Schicht (S_i) aufweisenden, magnetisierbaren Einzelschichten gleicher Komposition und Kristallstruktur wie die zu charakterisierende Schicht (Si) unter Sättigungsmagnetisierungsbedingungen.

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