用表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量鐵磁性薄膜的磁滯回線.doc

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用表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量鐵磁性薄膜的磁滯回線 及計(jì)算克爾旋轉(zhuǎn)角 摘 　 要:用表面磁光克爾效應(yīng)測(cè)量鐵磁材料的磁滯回線,并求得在飽和狀態(tài)下的克爾旋轉(zhuǎn)角.對(duì)于很多磁性薄膜,易磁軸方向?yàn)榭v向,通常縱向克爾效應(yīng)較明顯.用自制裝置可研究磁性材料表面的磁性質(zhì),現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)已在近代物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用. 關(guān)鍵詞:克爾效應(yīng);磁滯回線; 克爾旋轉(zhuǎn)角 1985年,科學(xué)家對(duì)表面磁光克爾效應(yīng)的研究能達(dá)到亞原子單層的磁性探測(cè)靈敏度和易于與超高真空系統(tǒng)結(jié)合的特點(diǎn),使得它在近些年已經(jīng)發(fā)展成為一種重要常規(guī)的研究薄膜磁學(xué)性質(zhì)的技術(shù).現(xiàn)今它被廣泛應(yīng)用于研究表面超薄膜的磁有序、 磁性相變、 磁各向異型,以及層間耦合等多種磁學(xué)現(xiàn)象,同時(shí)表面磁光克爾效應(yīng)在商業(yè)上還被用于高密度的磁光存儲(chǔ)技術(shù)研究和測(cè)量.和其他磁性測(cè)量手段相比,表面磁光克爾效應(yīng)測(cè)量磁性材料磁性具有很多優(yōu)點(diǎn),如測(cè)量靈敏度高、 非接觸式測(cè)量、 測(cè)量同一樣品厚度不等的楔形磁性薄膜以及可以將待測(cè)樣品放在真空中原位測(cè)量等.筆者應(yīng)用復(fù)旦天欣科教儀器公司生產(chǎn)的FD-SMOKE-A表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于研究材料表面的磁性質(zhì),取得較好的實(shí)驗(yàn)效果. 1. SMOKE實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)線偏振光入射到不透明樣品表面時(shí),如果樣品是各向異性的,反射光將變成橢圓偏振光且偏振方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).而如果此時(shí)樣品為鐵磁狀 態(tài),還會(huì)導(dǎo)致反射光偏振面相對(duì)于入射光的偏振面額外再轉(zhuǎn)過一小角度,這個(gè)小角度稱為克爾旋轉(zhuǎn)角θ,即橢圓長軸和參考軸間的夾角,如圖1所示.同時(shí),一般而言,由于樣品對(duì)p偏振光和s偏振光的吸收率不同,即使樣品處于非磁狀態(tài),反射光的橢偏率也要發(fā)生變化,而鐵磁性會(huì)導(dǎo)致橢偏率有一附加的變化,這個(gè)變化稱為克爾橢偏率ε,即橢圓長短軸之比. 按照磁場(chǎng)相對(duì)入射面的配置狀態(tài)不同,表面磁光克爾效應(yīng)可以分為3種: a.極向克爾效應(yīng),其磁化方向垂直于樣品表面并且平行于入射面; b.縱向克爾效應(yīng),其磁化方向在樣品膜面內(nèi),并且平行于入射面; c.橫向克爾效應(yīng),其磁化方向在樣品膜面內(nèi),并且垂直于入射面. 對(duì)于磁性薄膜,通?？v向克爾效應(yīng)較明顯.待測(cè)物的極向、縱向、橫向克爾旋轉(zhuǎn)角的強(qiáng)弱由其磁易向軸的方向決定.以下以極向克爾效應(yīng)為例詳細(xì)討論SMOKE系統(tǒng),原則上完全適用于縱向克爾效應(yīng)和橫向克爾效應(yīng).激光器發(fā)射的激光束通過起偏棱鏡后變?yōu)榫€偏振光,然后從樣品表面反射，經(jīng)過檢偏棱鏡進(jìn)入探測(cè)器.檢偏棱鏡的偏振方向要與起偏棱鏡設(shè)置成偏離消光位置很小的角度δ(圖2),這主要是為了區(qū)分正負(fù)克爾旋轉(zhuǎn)角.若檢偏棱鏡方向設(shè)置在消光位置,無論反射光偏振面是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),反映在光強(qiáng)的變化上都是強(qiáng)度增大.這樣就無法區(qū)分偏振面的正負(fù)旋轉(zhuǎn)方向,也就無法判斷樣品的磁化方向.當(dāng)2個(gè)偏振方向之間有小角度δ時(shí),通過檢偏棱鏡的光線有本底光強(qiáng)I.反射光偏振面旋方向和δ同向時(shí)光強(qiáng)增大,反向時(shí)光強(qiáng)減小, 這樣樣品的磁化方向可以通過光強(qiáng)的變化來區(qū)分. 樣品放置在磁場(chǎng)中,當(dāng)外加磁場(chǎng)改變樣品磁化強(qiáng)度時(shí),反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變.通過檢偏棱鏡的光強(qiáng)也發(fā)生變化.在一階近似下光強(qiáng)的 圖1表面磁光克爾效應(yīng)原理圖 圖2　偏振器件配置方位 變化和被測(cè)材料磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系,探測(cè)器探測(cè)到光強(qiáng)的變化就可以推測(cè)出樣品的磁化狀態(tài)和磁性參量.在圖1的光路中,假設(shè)取入射光為p偏振光,其電場(chǎng)矢量E平行于入射面,當(dāng)光線從磁化了的樣品表面反射時(shí),由于克爾效應(yīng)反射光中含有很小的垂直于E的電場(chǎng)分量E,如圖2所示,通常EE.在一階近似下有: =θ+iε. (1) 通過檢偏棱鏡的光強(qiáng)為: I=|Epsinδ+Escosδ| (2) 將(1)式代入(2)式得到: I=|Ep||sinδ+(θK+iεK)cosδ| (3) 通常δ較小,可取sinδ≈δ,cosδ≈1,得到: I=|Ep||δ+(θK+iεK)| (4) 一般情況下,δ雖然很小,但δ>>θ,而θ和ε在同一數(shù)量級(jí)上,略去二階項(xiàng)后,考慮到探測(cè)器測(cè)到的是(4)式實(shí)數(shù)部分,(4)式變?yōu)? I=|Ep|(δ+2δθ) . (5) 無外加磁場(chǎng)下, I=|Ep|δ, (6) 所以有: I=I[1+2θ/δ]. (7) 由(7)式得在樣品達(dá)磁飽和狀態(tài)下θ為: θ= (8) 實(shí)際測(cè)量時(shí)最好測(cè)量磁滯回線中正向飽和時(shí)的克爾旋轉(zhuǎn)角θ和反向飽和時(shí)的克爾旋轉(zhuǎn)角θ,則 θ== (9) (9)式中,I(+B)和I(-B)分別是正負(fù)磁飽和狀態(tài)下的光強(qiáng).從式(9)可以看出,光強(qiáng)的變化ΔI只與θ有關(guān),而與ε無關(guān).說明在圖1光路 中探測(cè)到的克爾信號(hào)只是克爾旋轉(zhuǎn)角 當(dāng)要測(cè)量克爾橢偏率ε 時(shí),在檢偏器前另加一個(gè) 1/4 波片,它可以產(chǎn)生π/ 2 的相位差,此時(shí)檢偏器看到的是 i (θ+ iε ) = -ε + iθ ,而不是θ + iε ,因此測(cè)量到的信號(hào)為克爾橢偏率.經(jīng)過推導(dǎo)可得在磁飽和情況下ε為 ε== (10) 2 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置(如圖 3)有以下 6 部分組成: (1)光學(xué)減震臺(tái); (2)光路系統(tǒng),包括入射光路與接收光路; (3)勵(lì)磁電源主機(jī)和可程控電磁鐵; (4)前級(jí)放大器和直流電源組合器(a. 為激光器提供精密穩(wěn)壓電源; b. 將光電檢測(cè)裝置接收到的克爾信號(hào)作前級(jí)放大,并送入系統(tǒng)控制裝置中的信號(hào)檢測(cè)裝置 中;c.將霍爾傳感器探測(cè)到的信號(hào)送入檢測(cè)裝置) ; (5)信號(hào)檢測(cè)主機(jī);(6)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī) 圖3 克爾實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 3 　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)操作 1) .按光學(xué)實(shí)驗(yàn)的常規(guī)要求調(diào)整好光路,然后將入射線偏振光p光，即偏振光平行于入射面。調(diào)節(jié)可調(diào)光闌的轉(zhuǎn)盤，使入射光斑直徑最小。 2)接著設(shè)置檢偏棱鏡，首先粗調(diào)轉(zhuǎn)盤，使反射光與入射光正交這時(shí)光電檢測(cè)測(cè)信號(hào)最小（在信號(hào)檢測(cè)主機(jī)上電壓表可以讀出），然后轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微頭，設(shè)置檢偏棱鏡偏離消光位置10,然后調(diào)節(jié)信號(hào)SMOKE光功率計(jì)控制主機(jī)上的光路增益調(diào)節(jié)電位器和SMOKE克爾信號(hào)控制主機(jī)上“光路電平”以及“光路幅度”，使輸出信號(hào)幅度在1.25V。 3）調(diào)節(jié)信號(hào)SMOKE光功率控制主機(jī)上的磁路增益調(diào)節(jié)電位器和SMOKE克爾控制主機(jī)上“磁路電平”電位器，使磁路信號(hào)大小為1.25V。 4）將SMOKE勵(lì)磁電源控制主機(jī)上的“手動(dòng)-自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)指向手動(dòng)擋調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”電位器，選擇合適的最大掃描電流。然后將轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)至“自動(dòng)”檔。 5)打開“表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)軟件”，在保證通訊正常的情況下，設(shè)置好“掃描周期”和“掃描次數(shù)”， 進(jìn)行磁滯回線的自動(dòng)掃描。 6）在檢偏棱鏡前放置一1/4波片，再 一次重復(fù)以上步驟 5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （1）利用該系測(cè)出鐵合金膜樣品在縱向克爾模 （圖4） 式下的磁滯回線見圖4.表1是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄,求出克爾旋轉(zhuǎn)角 n 1 2 3 4 5 6 平均值 標(biāo)準(zhǔn)偏差 I（+B）/ V 2.26 2.27 2..27 2..28 2.27 2..28 2..2717 0.0075 I（-B）/ V 0.56 0.56 0.57 0.58 0.58 0.58 0.5717 0.0098 I=（1.410.0075）V，I=（1.700.0075）V,實(shí)驗(yàn)時(shí)取=10. 0 ′該鐵合金薄膜的克爾旋轉(zhuǎn)角θ=3.014′。 （2）在加入1/4波片后測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為 I（+B）/ V I（-B）/ V I/ V /(′) ε 1.94 0.42 1.41 10 2.6950 6　結(jié)束語 將表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入近代物理實(shí)驗(yàn),可使學(xué)生了解了前輩科學(xué)家是如何利用磁光克爾效應(yīng)測(cè)量磁性薄膜磁滯回線和磁參量的,認(rèn)識(shí)到了SMOKE實(shí)驗(yàn)方法的先進(jìn)性,特別是該實(shí)驗(yàn)?zāi)苈?lián)系真空塗膜技術(shù)、磁光測(cè)量技術(shù)和納米磁光薄膜參量的測(cè)量,可使學(xué)生在近代物理實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)悟和學(xué)習(xí)前沿學(xué)科的尖端技術(shù),這將激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,有利于教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代科研中納米磁光薄膜測(cè)量技術(shù)相接軌,為學(xué)生提供更多創(chuàng)新能力培養(yǎng)的題材.因此SMOKE實(shí)驗(yàn)非常適合引入到近代物理實(shí)驗(yàn)中,成為一個(gè)與現(xiàn)代科學(xué)相結(jié)合的研究性實(shí)驗(yàn). 參考文獻(xiàn) [ 1 ] 　趙凱華.新概念物理教程光學(xué)[M] .北京:高等教育出版社,2004 :11. 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