一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置及其应用，所述光谱磁光椭偏分析装置包括光源模块、光路模块、磁场模块、样品台、电机控制模块、探测及分析模块，所述光路模块包括准直镜、起偏器、补偿器、检偏器，所述探测及分析模块包括计算机和探测器，所述准直镜、起偏器、补偿器、样品台、检偏器和探测器沿光路方向依次设置，起偏器、补偿器位于入射光路，检偏器位于出射光路，所述入射光路和出射光路位于所述样品台的两侧，且与样品台法线的夹角均为φ。本发明专利技术可以在纵向或极向磁光克尔效应下对磁性薄膜材料的光学和磁学参数进行表征，在一次测试中可以得到磁性薄膜样品的厚度、光学参数、磁学参数，自动化程度较高。

A spectro magneto optic ellipsometry analysis device for rotary compensator and its application

【技术实现步骤摘要】
一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置及其应用
本专利技术属于磁光椭偏分析
，特别涉及一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置及其应用。
技术介绍
纳米材料在通信、生物、军工等领域正在发挥着越来越重要的作用，纳米磁性薄膜材料作为一种特殊的纳米材料，因为其在磁存储、磁光传感器件、磁光开关等领域展现出的优异性能受到了越来越广泛的关注。纳米磁性薄膜材料的制备、优化等方向都需要更先进的表征技术。磁光椭偏测量技术具有测试灵敏、精度好、测量速度快、不会对样品造成物理损伤、可以实现样品生长过程的实时监测等优点，是进行磁性材料测量的理想手段。目前磁光椭偏系统的基本仪器结构为起偏器-样品-检偏器-探测器的形式，这种结构在测量材料性质时存在如下问题：1.未引入光谱测试数据进行厚度和光学参数拟合，所得计算结果受测试误差影响较大；2.分析时需要已知材料厚度，或者将厚度较大的材料当做体材料处理；3.使用测试得到的光强数据进行分析，测试结果受直流误差影响大；4.测量速度慢，有些器件成本较高，仅适用于科学研究，在工业领域应用性不强等。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置及其应用，利用旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置可以在纵向或极向磁光克尔效应下对磁性薄膜材料的光学和磁学参数进行表征，在一次测试中可以得到磁性薄膜样品的厚度、光学参数(复折射率)、磁学参数(磁光耦合系数和磁光克尔偏转角)；自动化程度较高，成本较低，能够求出磁性样品厚度和复折射率物理模型，能够消除直流误差影响，精确进行磁光椭偏测量。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：首先，本专利技术提供一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，包括光源模块、光路模块、磁场模块、样品台、电机控制模块、探测及分析模块。所述光路模块包括准直镜、起偏器、补偿器、检偏器，所述探测及分析模块包括计算机和探测器，所述准直镜、起偏器、补偿器、样品台、检偏器和探测器沿光路方向依次设置，起偏器、补偿器位于入射光路，检偏器位于出射光路，所述入射光路和出射光路位于所述样品台的两侧，且与样品台法线的夹角均为φ。进一步的，所述光源模块包括氙灯光源、单色仪、光纤耦合器、光纤，所述单色仪与计算机连接；所述补偿器和检偏器分别与电机的转动轴连接，电机通过电机控制模块与计算机连接，所述补偿器由电机带动匀速旋转，所述检偏器由电机带动旋转，旋转角度可调节；所述磁场模块包括电磁铁和磁铁控制系统，电磁铁通过磁铁控制系统与计算机连接；所述样品台设置在电磁铁两个磁极的中心位置。进一步的，所述光纤的出射端口、准直镜、起偏器和补偿器与入射光同光轴设置；所述检偏器和探测器与样品反射光同光轴设置。进一步的，所述样品台包括调节XY轴的二维平移台，调节Z轴的一维平移台和调节俯仰的αβ轴倾斜平台。进一步的，所述入射光路和出射光路的各个器件固定在V型支架上并且设置在所述样品台的两侧，光纤与V型支架通过光纤接口连接；夹角φ可调节。其次，本专利技术提供一种对薄膜样品进行光谱磁光椭偏分析的方法，利用前述的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置进行，包括以下步骤：1)打开磁铁控制系统进行电磁铁预热；2)打开氙灯光源、单色仪、探测器和计算机的电源；计算机控制单色仪选择起始波长，控制电机控制模块使补偿器匀速旋转、使检偏器电机旋转选择检偏器角度A1；系统角度定义为：x轴正向在入射面内，即p光正方向，y轴正向垂直于入射面，即s光正方向，z轴正向为光的传播方向，x轴，y轴，z轴遵循右手螺旋定则；起偏器、补偿器、检偏器的光轴方位角分别为P、C、A，所有器件的方位角以顺着光传播方向看由x轴正向顺时针旋转为正；3)选定入射光路和出射光路与样品台法线的夹角φ，入射角为入射光线与样品上表面法线的夹角；4)将待测薄膜样品置于样品台上，调节磁铁控制系统选择电磁铁磁场，调整样品位置使样品上表面位于电磁铁两磁极的中心且与磁场方向平行或垂直，此时反射光与出射光路各个器件同光轴；调节氙灯光源的功率，避免测试过程中探测器发生饱和；5)计算机控制单色仪选择起始测试波长400nm；6)探测器采集系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线所述光学周期为补偿器旋转180度对应的时间，采集过程为：在补偿器的一个光学周期内均匀设置n个采样点，探测器的积分时间设置为每个采样间隔对应的时间长度；探测器在补偿器的一个光学周期内进行光强积分的采集即可得到系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线；为了减小测量误差，累计测量m组光强积分曲线并取平均值记为最终的7)使用计算机控制电机控制模块将检偏器角度旋转至A2，并重复第六步，测得检偏器角度为A2时的系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线使用计算机控制电机控制模块将检偏器角度旋转至A3，并重复第六步，测得检偏器角度为A3时的系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线8)使用计算机控制单色仪将测试波长增加5nm，并重复步骤6)-7)，得到在新的测试波长下的三条系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线按照5nm的波长间隔不断重复该步骤，得到400-700nm波长范围中每隔5nm一个波长点的三条系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线9)通过对所测得的曲线的傅里叶分析以及对所测量样品的建模，结合系统的已知参数起偏器角度P、入射角φ、补偿器初始方位角Ci、补偿器相位延迟函数δ(λ)，以及测量时的三个检偏器角度A1、A2、A3，通过计算机进行数据处理即可得到样品的厚度、复折射率、磁光耦合系数、磁光克尔偏转角；10)改变角度φ，重复步骤4)-9)，得到不同角度φ下，样品的厚度、复折射率、磁光耦合系数、磁光克尔偏转角。进一步的，所述步骤9)中，计算样品的厚度、复折射率、磁光耦合系数、磁光克尔偏转角具体方法如下：系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线形式如下：K表示cos2P，E表示cosδ，S表示sin2P，F表示sinδ，其中，Y1＝m11+m21cos2A+m31sin2AY2＝m12+m22cos2A+m32sin2AY3＝m13+m23cos2A+m33sin2AY4＝m14+m24cos2A+m34sin2AA为检偏器角度，对于不同的检偏器角度，A分别为A1、A2、A3，对应着三条光强积分曲线I1、I2、I3，m为根据样品建模得到的样品穆勒矩阵元素；对I1，I2，I3分别进行傅里叶分析并由上述公式进行计算，即可得到样品穆勒矩阵前三行元素；对于不同种类的样品，采用不同的建模方式，根据具体材料的建模结果，可以分别由其穆勒矩阵前三行元素求得其全部穆勒矩阵M；由样品的穆勒矩阵可以求出其椭偏参量，如下所示由各个波长的椭偏参量拟合分析可以得到样品的厚度和复折射率；定义中间矩阵MJ＝U-1MU其副对角元素可以表示为磁光耦合系数和磁光克尔偏转角可以由MJ以及材料的建模计算求出。进一步的，所述步骤4)中，磁场方向为与样品表面平行或垂直，其中，磁场方向与样品表面平行时，对应纵向磁光克尔效应测量；磁场方向与样品表面垂直时，对应极向磁光克尔效应测量，对于两种测量方式，其他测量步骤一致，在测量时可以灵活选择。本专利技术的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置的应用，是用于对薄膜样品进行光谱磁光椭偏分析，计算样品的厚度、复折射率、磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，包括光源模块、光路模块、磁场模块、样品台、电机控制模块、探测及分析模块，其特征在于，所述光路模块包括准直镜、起偏器、补偿器、检偏器，所述探测及分析模块包括计算机和探测器，所述准直镜、起偏器、补偿器、样品台、检偏器和探测器沿光路方向依次设置，起偏器、补偿器位于入射光路，检偏器位于出射光路，所述入射光路和出射光路位于所述样品台的两侧，且与样品台法线的夹角均为φ。

【技术特征摘要】
1.一种旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，包括光源模块、光路模块、磁场模块、样品台、电机控制模块、探测及分析模块，其特征在于，所述光路模块包括准直镜、起偏器、补偿器、检偏器，所述探测及分析模块包括计算机和探测器，所述准直镜、起偏器、补偿器、样品台、检偏器和探测器沿光路方向依次设置，起偏器、补偿器位于入射光路，检偏器位于出射光路，所述入射光路和出射光路位于所述样品台的两侧，且与样品台法线的夹角均为φ。2.根据权利要求1所述的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，其特征在于，所述光源模块包括氙灯光源、单色仪、光纤耦合器、光纤，所述单色仪与计算机连接；所述补偿器和检偏器分别与电机的转动轴连接，电机通过电机控制模块与计算机连接，所述补偿器由电机带动匀速旋转，所述检偏器由电机带动旋转，旋转角度可调节；所述磁场模块包括电磁铁和磁铁控制系统，电磁铁通过磁铁控制系统与计算机连接；所述样品台设置在电磁铁两个磁极的中心位置。3.根据权利要求2所述的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，其特征在于，所述光纤的出射端口、准直镜、起偏器和补偿器与入射光同光轴设置；所述检偏器和探测器与样品反射光同光轴设置。4.根据权利要求1所述的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，其特征在于，所述样品台包括调节XY轴的二维平移台，调节Z轴的一维平移台和调节俯仰的αβ轴倾斜平台。5.根据权利要求2所述的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置，其特征在于，所述入射光路和出射光路的各个器件固定在V型支架上并且设置在所述样品台的两侧，光纤与V型支架通过光纤接口连接；夹角φ可调节。6.一种对薄膜样品进行光谱磁光椭偏分析的方法，其特征在于，利用权利要求2-5任一项所述的旋转补偿器的光谱磁光椭偏分析装置进行，包括以下步骤：1)打开磁铁控制系统进行电磁铁预热；2)打开氙灯光源、单色仪、探测器和计算机的电源；计算机控制单色仪选择起始波长，控制电机控制模块使补偿器匀速旋转、使检偏器电机旋转选择检偏器角度A1；系统角度定义为：x轴正向在入射面内，即p光正方向，y轴正向垂直于入射面，即s光正方向，z轴正向为光的传播方向，x轴，y轴，z轴遵循右手螺旋定则；起偏器、补偿器、检偏器的光轴方位角分别为P、C、A，所有器件的方位角以顺着光传播方向看由x轴正向顺时针旋转为正；3)选定入射光路和出射光路与样品台法线的夹角φ，入射角为入射光线与样品上表面法线的夹角；4)将待测薄膜样品置于样品台上，调节磁铁控制系统选择电磁铁磁场，调整样品位置使样品上表面位于电磁铁两磁极的中心且与磁场方向平行或垂直，此时反射光与出射光路各个器件同光轴；调节氙灯光源的功率，避免测试过程中探测器发生饱和；5)计算机控制单色仪选择起始测试波长400nm；6)探测器采集系统出射光强积分在补偿器光学周期内的变化曲线所述光学周期为补偿器旋转180度对应的时间，采集过程为：在补偿器的一个光学周期内均匀设置n个采样点，探测器的积分时间设置为每个采样间隔对应的时间长度；探测器在补偿器的一个光学周期内进行光强积分的采...

【专利技术属性】
技术研发人员：连洁，宋浩男，石玉君，戴凯，姜清芬，魏铭洋，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37