一种线性及非线性磁光克尔测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种线性及非线性磁光克尔测量系统，包括：一超短脉冲激光器；一带有光学窗口的氦气闭循环制冷机用以控制样品的温度；一气隙和磁场大小可调的电磁铁；一激光泵浦光路把激光器的输出激光引入并聚焦到制冷头内的样品表面来激发样品；一激光探测光路，激光器输出的一束激光被样品反射后，其偏振面发生旋转；一线性克尔信号收集光路收集探测光的基频信号；一非线性克尔信号收集光路接收探测光的倍频信号；一锁相放大器信号采集系统，把信号滤波放大后送给计算机处理；一光斑监视系统，用来精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度。利用本发明专利技术提供的这种线性及非线性磁光克尔测量系统，可同时调节样品感受到的磁场强度和温度，实现可变温的稳态以及时间分辨动态线性与非线性磁光克尔效应测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于测量磁性金属、半金属、半导体薄膜材料以及低维量子结构的时间分辨线性及非线性磁光克尔测量系统。
技术介绍
半导体自旋电子学由于具有常规电子学无法比拟的优点而受到了人们广泛的重视。自旋极化以及其动态演化过程的研究是自旋电子学基础物理研究的重要部分。实验上对该问题的研究主要是利用时间分辨磁光克尔旋转技术实现的。其原理是一束线偏振激光入射到所研究的材料上，由于光子与物质的电子自旋磁矩相互作用产生磁光效应，即材料的折射率发生变化，导致反射后的激光偏振面发生旋转，旋转角即为克尔旋转角。克尔旋转角的大小正比于材料的磁化强度。而对于非磁性半导体，引入圆偏振泵浦光产生自旋极化的载流子，克尔旋转角随着探测光的延迟而振荡，克尔旋转角的大小直接反映了电子自旋的极化度以及自旋在磁场下的相干进动过程。线性磁光克尔测量只能得到薄膜块体平均的磁信息，而无法测量薄膜表面、界面几个原子层内的相关信息。两种不同材料的界面由于存在很大的导电性质差异，因而对自旋通过铁磁性/半导体异质结构时的输运影响很大，直接决定着自旋注入的效率。因此研究界面散射对自旋输运的影响是实现半导体自旋电子器件的关键问题。非线性磁光克尔效应，即磁场引起或增强的二次谐波探测是一种对表面、界面非常敏感的测量技术。对于中心反演对称晶体，在表、界面处反演对称性破缺，可以产生非常大的非线性磁光响应。对于非中心反演对称晶体，可以利用入射、出射光不同的偏振组合，区别晶体本身或磁场引起的二次谐波响应。利用泵浦_探测技术可以得到异质结界面处磁激发的动态响应。 磁场和温度是磁性半导体材料研究中常用的外微扰条件。在光学实验中引入磁场等参数可以增加许多信息，这使得磁光光谱成为表征(磁性)半导体、铁磁薄膜以及半金属材料物性的重要手段。通常情况下，是把样品放置在样品架上，然后把它们浸入到液氦杜瓦中来测量的，因而连续改变样品的测试温度以及磁场的大小是比较困难的。如何把磁场和温度这两个重要的实验参数在磁光光谱测试中有机地结合起来，以及如何区分磁性半导体薄膜中体材料与表、界面不同的自旋激发和磁化信息，是磁光光谱技术期待解决的重要问题之一。
技术实现思路
( — )要解决的技术问题 本专利技术的主要目的是提供一种线性及非线性磁光克尔测量系统，以同时测量磁性半导体薄膜材料的时间分辨线性与非线性磁光克尔效应，以及测量稳态和动态的自旋极化随时间演化相关信息。 ( 二 )技术方案 为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下 —种线性及非线性磁光克尔测量系统，该系统包括 —超短脉冲激光器，其出射激光用于泵浦和探测样品的线性及非线性磁光克尔效应； —氦气闭循环制冷机，用于控制样品的温度，样品放置于其带光学窗口的制冷头中； —气隙和磁场大小可调的适用于磁光测量的电磁铁，提供用于磁光克尔效应测量的磁场； —激光泵浦光路，用于激发样品，使样品处于非平衡态，激光器出射的激光经偏振分光器透射后，经过反射镜，聚焦透镜垂直聚焦在样品表面上； —激光探测光路，用于探测样品信号，激光器出射的激光经偏振分光器反射后，经过反射镜、平移装置、聚焦透镜聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线夹角为30度，探测束光斑与泵浦束光斑中心重合，探测束光斑的面积小于泵浦束光斑的面积； —光斑监视系统，用于精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度以及它们在样品上的位置； —线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为基频信号的线性克尔信号被二向色反射镜反射，然后经聚焦透镜聚焦，穿过l波片，由沃拉斯顿棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，最后被光桥接收； —非线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为倍频信号的非线性克尔信号透过二向色反射镜，其中混入的基频信号被带通滤光片进一步过滤，穿过l波片，然后经聚焦透镜聚焦，进入单色仪，经单色仪选频后的纯倍频信号，最后由光电倍增管来探测； —锁相放大器信号采集系统，其中的斩波器为锁相放大器提供参考信号，线性克尔信号和非线性克尔信号接入锁相放大器经滤波放大后，通过GPIB数据采集卡，最后送给计算机处理数据。 上述方案中，所述激光器为掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，脉冲宽度为200fs，脉冲间隔为13ns。 上述方案中，所述激光器出射的激光强度由衰减器连续调节，泵浦光和探测光的相对强度用l波片调节，控制在io : l以上。 上述方案中，所述制冷机提供的温度在7. 5K至350K连续可变。 上述方案中，通过LabVIEW程序自动控制，使磁场从_1T到+1T范围内连续扫描，磁场的正反方向可自动切换。 上述方案中，所述泵浦光的偏振态由j波片调为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，或4者由l波片调为S偏振或P偏振。 上述方案中，所述探测光的偏振态由l波片调为S偏振或P偏振。 上述方案中，所述光斑监视系统包括CCD摄像头和监视器。 上述方案中，所述为锁相放大器提供参考信号的斩波器可用光弹调制器来替换。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果 1、利用本专利技术提供的这种线性及非线性磁光克尔测量系统，可同时调节样品感受到的磁场强度和温度，实现可变温的稳态以及时间分辨动态线性与非线性磁光克尔效应测试。 2、本专利技术提供的这套线性及非线性磁光克尔测量系统，具有结构简单、调节方便以及信噪比高等特点。在做瞬态测量时，把斩波器加到泵浦光路中；做稳态测量时，只需要挡住泵浦光，再把斩波器加到探测光路即可。 3、本专利技术可以同时调节样品所处的温度和磁场，并且利用这一集成系统可以对材料磁激发以及自旋动力学的体效应与界面效应同时测量并做平行比较，非常有利于对低维半导体材料和磁性半导体半金属材料进行磁光克尔效应的研究。附图说明 为进一步了解本专利技术的具体
技术实现思路
，下面结合附图及实例详细说明如后，其中 图1是本专利技术提供的线性及非线性磁光克尔测量系统的结构简图。图2是利用本专利技术提供的线性及非线性磁光克尔测量系统在不同温度下测试的稀磁半导体(Ga，Mn)As的时间分辨克尔旋转谱。 图3是利用本专利技术提供的线性及非线性磁光克尔测量系统在常温下测试的Fe膜的随方位角变化的二次谐波信号。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。 下面通过上述附图阐述本专利技术提供的线性及非线性磁光克尔测量系统。 请参阅图1，图1是本专利技术提供的线性及非线性磁光克尔测量系统的结构简图，该系统包括 —皮秒/飞秒脉冲激光器LS，其输出波长680nm到980nm连续可调，重复频率76MHz，功率900mW。出射激光用于泵浦和探测样品S的线性及非线性克尔信号。该激光器LS出射的激光被两个定位小孔Pl和P2精确定位，便于多次重复测量； —激光泵浦光路，用来激发样品，使样品处于非平衡态。激光器LS出射的激光经偏振分光器BS透射后，经过反射镜Ml， M2，聚焦透镜L2垂直聚焦在样品表面上，光斑大小约为100um。其偏振态可以由^波片W3调为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光，或者由^波片调4 2为S偏振或P偏振； —激光探测光路，用来探测样品信号。激光器LS出射的激光经偏振分光器BS反射后，经过反射镜M3，平移装置DL，反射镜M4，聚焦透镜Ll聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性及非线性磁光克尔测量系统，其特征在于，该系统包括：一超短脉冲激光器，其出射激光用于泵浦和探测样品的线性及非线性磁光克尔效应；一氦气闭循环制冷机，用于控制样品的温度，样品放置于其带光学窗口的制冷头中；一气隙和磁场大小可调的适用于磁光测量的电磁铁，提供用于磁光克尔效应测量的磁场；一激光泵浦光路，用于激发样品，使样品处于非平衡态，激光器出射的激光经偏振分光器透射后，经过反射镜，聚焦透镜垂直聚焦在样品表面上；一激光探测光路，用于探测样品信号，激光器出射的激光经偏振分光器反射后，经过反射镜、平移装置、聚焦透镜聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线夹角为３０度，探测束光斑与泵浦束光斑中心重合，探测束光斑的面积小于泵浦束光斑的面积；一光斑监视系统，用于精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度以及它们在样品上的位置；一线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为基频信号的线性克尔信号被二向色反射镜反射，然后经聚焦透镜聚焦，穿过１／２波片，由沃拉斯顿棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，最后被光桥接收；一非线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为倍频信号的非线性克尔信号透过二向色反射镜，其中混入的基频信号被带通滤光片进一步过滤，穿过１／２波片，然后经聚焦透镜聚焦，进入单色仪，经单色仪选频后的纯倍频信号，最后由光电倍增管来探测；一锁相放大器信号采集系统，其中的斩波器为锁相放大器提供参考信号，线性克尔信号和非线性克尔信号接入锁相放大器经滤波放大后，通过ＧＰＩＢ数据采集卡，最后送给计算机处理数据。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张新惠，朱永刚，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]