本发明专利技术属于光学技术领域，具体为一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置。该装置由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统、操作控制系统（ＰＣ机）组成，其中，光路系统依次为半导体激光器、起偏棱镜、半透半反棱镜、一检偏棱镜、一光电探测器、凸透镜、样品架、光阑、另一检偏棱镜、长焦距凸透镜和另一光电探测器组成；测量用磁场由电磁铁提供，在磁极间距为４ｃｍ时能提供最大至１．５特斯拉的磁场。本发明专利技术利用一会聚凸透镜有效地增大了光在样品表面的入射角和反射角，克服了磁极间距对激光入射角的限制，增强了纵向表面磁光克尔信号强度。本发明专利技术使得通过磁光克尔效应测量大矫顽力磁性薄膜成为可能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学技术测量领域，具体涉及一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置。 技术背景1877年John Kerr发现了磁光克尔效应，按照样品磁化强度矢量相对激光入射面和样 品表面的不同，磁光克尔效应可以分为三种纵向克尔效应、极向克尔效应和横向克尔效 应 。 1985年Moog和Bader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。由于此方法的测量灵敏度可达到一个原子层厚度，所以成 为表面磁学研究的重要方法。下面以纵向克尔效应为例，来说明利用克尔效应测量薄膜磁性的原理。 克尔效应是指铁磁性样品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，样品的磁矩会使光的偏振面发生旋转，使出射光变成椭偏光。图3是纵 向克尔效应的示意图，磁性样品的磁化强度矢量位于入射面内，并平行于膜面。当一束线 偏振光入射到样品表面时，在样品面内磁矩的作用下，导致出射光的偏振面相对于入射光 发生了一个小角度的旋转，这个偏振面转过的角度称为克尔旋转角&。这个旋转角能被检 偏棱镜测量出来。在实际测量过程中，如图4所示，起偏棱镜和检偏棱镜的偏振方向 并不完全垂直，而是有一个小的夹角L目的是为了区分正负克尔旋转角。这是因为探测 器只能检测光强，若两个棱镜的偏振方向互相垂直，即消光位置，无论反射光偏振面是顺 时针还是逆时针旋转，反映在光强上的变化都是光强从零增大，故无法判断出射光的偏振 面旋转方向，也就不能知道样品的磁化方向。而当转过一个小角度^后，通过检偏棱镜的 光有一个本底光强/。，当出射光偏振面逆时针方向旋转，即转过+《时，光强增加了A7/变为/+;反之光强减弱。如图3所示，激光经过起偏棱镜后的偏振面平行于入射面，即为p光入射，又经过铁 磁性样品表面反射，反射光中产生了一个很小的垂直于^的电场分量A，通常<formula>formula see original document page 3</formula>在一阶近似下有-<formula>formula see original document page 3</formula> (1)其中&为克尔椭偏率。 通过检偏棱镜的光强为<formula>formula see original document page 4</formula>整理得到 /+, + 2竭)无外加磁场时本底光强为: 所以克尔旋转角《为(2)《=2/n(5)式也可以表示成A^二5(3)(4)(5)表示由克尔效应引起的光强变化A^直接反映了克尔旋转角《的变化，而《是磁化强度M的函数，所以测量到的光强随磁场变化的回线就对应了 样品的磁滞回线。在利用纵向克尔效应进行测量时，电磁铁所能提供的最大磁场受限于光路，所能加的 外磁场一般不超过5 K0e，远小于极向克尔效应所能测量的范围。电磁铁产生的外加磁场 实际上是磁铁气隙产生的散磁场，在铁芯的磁导率很大，且没有饱和时，磁场H的大 小大致可用下式表示<formula>formula see original document page 4</formula>(6)其中，/为磁化电流的大小，^为线圈的匝数，"为气隙。如果要获得高的外加磁场，可以 增加线圈匝数和电流，或者减小气隙。线圈的增加，无疑会增加电磁铁的体积；同是，电 流的热效应是很明显的，通常需要使用循环水冷却，这将更进一步增加线圈的体积。对于 极向克尔效应，由于光沿磁场方向垂直入射到样品表面，可以通过极头上的小孔入射和返 回，在保证外加磁场均匀的情况下，气隙可以变得很小。对于纵向克尔效应，外加磁场方 向平行于样品表面，因此光的入射和反射只能在气隙进行；这时，光的入射和反射角就会 受到电磁铁结构的限制。根据前面的讨论，纵向磁光克尔效应中反射光的克尔旋转角取决 于激光入射角的大小，克尔转角的最大值出现在入射角为60。的时候，约为5'，这样就需 要增加磁极的气隙使光能以较大的角度入射和反射。增加气隙的长度意味着电磁铁能提供 的外场减小。就我们所知，无法利用纵向磁光克尔效应测量具有高磁晶各向异性的薄膜材 料沿膜面方向的磁滞回线。而测量磁性材料沿膜面方向的磁滞回线对材料研究而言是非常重要的。上个世纪九十年代以来，磁存储技术和面记录密度的发展非常迅速，目前磁存储发展 的下一个目标是实现1 Tbits/iW的超高记录密度。超顺磁效应(Supermagnetism)导致的 热不稳定性是今后介质材料研究中需要解决的关键问题，有效的方法是选用具有很高磁各 向异性能的材料。FePt有序合金薄膜具有极高的磁晶各向异性能，尺 -G^lOxlO6///^,成为介质研究的重点之一。但是，FePt基薄膜介质的高矫顽力(5K0e--15K0e)使对其磁 性能的测量变得困难，对于沿垂直方向的磁滞回线，可以用极向克尔效应测量；对于沿水 平方向的磁滞回线，则只能用高灵敏度的振动样品磁强计来测量。这无疑增加了研究工作 的难度。同时，随着器件的小型化，硬磁薄膜材料的需求日益增加，研究和制备高磁能积 的薄膜材料成为磁性薄膜材料的另一发展趋势，而在生产和研究过程中同样面临测量的问 题。本专利技术利用一会聚凸透镜有效地增大了光在样品表面的入射角和反射角，克服了磁极 间距对激光入射角的限制，增强了纵向表面磁光克尔信号强度。这一专利技术使得通过磁光克 尔效应测量大矫顽力磁性薄膜成为可能。 参考文献刘湘林，刘公强，金绥更，《磁光材料和磁光器件》，p23，北京科学技术出版社， 北京，1990 E. R. Moog and S. D. Bader， Superlattices. Microstruct. 1， p543 (1985)周文生，《磁性测量原理》，p27，电子工业出版社北京，1988)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种探测灵敏度高、稳定性好的磁光克尔效应测量装置。 本专利技术提出的磁光克尔效应测量装置，由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统和PC机经电路连接组成，如图1所示，所述光路系统如下激光器1发出的激光经过起偏棱镜2，再经过半透半反棱镜3，激光被分成两束，其中， 一束作为参考光经过检偏棱镜4，直接 射入光电探测器5，然后信号接入PC机15;另一束透射光进入凸透镜6，凸透镜6下面为 样品架7，透射光经过样品反射，经过光阑8，再经过另一检偏棱镜9、长焦距凸透镜IO， 射入另一光电探测器ll，然后采集信号送入PC机15，同时也送入数字电压表12;凸透镜 6和样品架7设置于电磁铁13中间，程控磁铁电源14与电磁铁13连接，并受PC机15控 制，PC机15通过其操作控制系统接收光路信号，并控制程控磁铁电源14。本专利技术中，凸透镜6的直径为25-60mm，焦距在25_60mra之间，凸透镜6到样品架上样 品的距离为35-50mm。本专利技术中，电磁铁13的磁极间距35-80mm可调。本专利技术中，电磁铁为样品提供的均匀磁场能超过10 K0e，根据不同的透镜和电磁铁搭 配，最大磁场为1.5—2.0特斯拉，能够测量高矫顽力磁性样品。纵向表面磁光克尔效应测量的是薄膜样品的面内磁矩。在实际的测量中，很多样品的 面内矫本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大场纵向表面磁光克尔效应测量装置，其特征在于该装置由电磁铁、程控磁铁电源、光路系统和ＰＣ机组成，所述光路系统如下：激光器（１）发出的激光经过起偏棱镜（２），再经过半透半反棱镜（３），激光被分成两束，其中，一束作为参考光经过检偏棱镜（４），直接射入光电探测器（５），信号接入ＰＣ机（１５）；另一束透射光进入凸透镜（６），凸透镜（６）下面为样品架（７），透射光经过样品反射，经过光阑（８），再经过另一检偏棱镜（９）、长焦距凸透镜（１０），射入另一光电探测器（１１），然后采集信号送入ＰＣ机（１５），同时也送入数字电压表（１２）；凸透镜（６）和样品架（７）设置于电磁铁１３）中间，程控磁铁电源（１４）与电磁铁（１３）连接，并受ＰＣ机（１５）控制，ＰＣ机（１５）通过其操作控制系统接收光路信号，并控制程控磁铁电源（１４）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马斌，顾培培，张宗芝，金庆原，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。