用表面磁光克尔效应实验系统测量铁磁性薄膜的磁滞回线.doc

用表面磁光克尔效应实验系统测量铁磁性薄膜的磁滞回线及计算克尔旋转角摘 要:用表面磁光克尔效应测量铁磁材料的磁滞回线,并求得在饱和状态下的克尔旋转角.对于很多磁性薄膜,易磁轴方向为纵向,通常纵向克尔效应较明显.用自制装置可研究磁性材料表面的磁性质,现此实验已在近代物理实验中应用.关键词:克尔效应;磁滞回线; 克尔旋转角1985年,科学家对表面磁光克尔效应的研究能达到亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系统结合的特点,使得它在近些年已经发展成为一种重要常规的研究薄膜磁学性质的技术.现今它被广泛应用于研究表面超薄膜的磁有序、 磁性相变、 磁各向异型,以及层间耦合等多种磁学现象,同时表面磁光克尔效应在商业上还被用于高密度的磁光存储技术研究和测量.和其他磁性测量手段相比,表面磁光克尔效应测量磁性材料磁性具有很多优点,如测量灵敏度高、 非接触式测量、 测量同一样品厚度不等的楔形磁性薄膜以及可以将待测样品放在真空中原位测量等.笔者应用复旦天欣科教仪器公司生产的FD-SMOKE-A表面磁光克尔效应实验系统用于研究材料表面的磁性质,取得较好的实验效果.1. SMOKE实验原理当线偏振光入射到不透明样品表面时,如果样品是各向异性的,反射光将变成椭圆偏振光且偏振方向会发生偏转.而如果此时样品为铁磁状态,还会导致反射光偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过一小角度,这个小角度称为克尔旋转角,即椭圆长轴和参考轴间的夹角,如图1所示.同时,一般而言,由于样品对p偏振光和s偏振光的吸收率不同,即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而铁磁性会导致椭偏率有一附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率,即椭圆长短轴之比.按照磁场相对入射面的配置状态不同,表面磁光克尔效应可以分为3种:a.极向克尔效应,其磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面;b.纵向克尔效应,其磁化方向在样品膜面内,并且平行于入射面;c.横向克尔效应,其磁化方向在样品膜面内,并且垂直于入射面.对于磁性薄膜,通常纵向克尔效应较明显.待测物的极向、纵向、横向克尔旋转角的强弱由其磁易向轴的方向决定.以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE系统,原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效应.激光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光,然后从样品表面反射，经过检偏棱镜进入探测器.检偏棱镜的偏振方向要与起偏棱镜设置成偏离消光位置很小的角度(图2),这主要是为了区分正负克尔旋转角.若检偏棱镜方向设置在消光位置,无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转,反映在光强的变化上都是强度增大.这样就无法区分偏振面的正负旋转方向,也就无法判断样品的磁化方向.当2个偏振方向之间有小角度时,通过检偏棱镜的光线有本底光强I.反射光偏振面旋方向和同向时光强增大,反向时光强减小, 这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来区分.样品放置在磁场中,当外加磁场改变样品磁化强度时,反射光的偏振状态发生改变.通过检偏棱镜的光强也发生变化.在一阶近似下光强的图1表面磁光克尔效应原理图 图2偏振器件配置方位变化和被测材料磁感应强度呈线性关系,探测器探测到光强的变化就可以推测出样品的磁化状态和磁性参量.在图1的光路中,假设取入射光为p偏振光,其电场矢量E平行于入射面,当光线从磁化了的样品表面反射时,由于克尔效应反射光中含有很小的垂直于E的电场分量E,如图2所示,通常EE.在一阶近似下有:=+i. (1)通过检偏棱镜的光强为:I=|Epsin+Escos| (2)将(1)式代入(2)式得到:I=|Ep|sin+(K+iK)cos| (3)通常较小,可取sin,cos1,得到:I=|Ep|+(K+iK)| (4)一般情况下,虽然很小,但>>,而和在同一数量级上,略去二阶项后,考虑到探测器测到的是(4)式实数部分,(4)式变为I=|Ep|(+2) . (5)无外加磁场下,I=|Ep|, (6)所以有:I=I1+2/. (7)由(7)式得在样品达磁饱和状态下为:= (8)实际测量时最好测量磁滞回线中正向饱和时的克尔旋转角和反向饱和时的克尔旋转角,则= (9)(9)式中,I(+B)和I(-B)分别是正负磁饱和状态下的光强.从式(9)可以看出,光强的变化I只与有关,而与无关.说明在图1光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角当要测量克尔椭偏率 时,在检偏器前另加一个 1/4 波片,它可以产生/ 2 的相位差,此时检偏器看到的是 i (+ i ) = - + i ,而不是 + i ,因此测量到的信号为克尔椭偏率.经过推导可得在磁饱和情况下为= (10)2 实验装置实验装置(如图 3)有以下 6 部分组成: (1)光学减震台; (2)光路系统,包括入射光路与接收光路; (3)励磁电源主机和可程控电磁铁; (4)前级放大器和直流电源组合器(a. 为激光器提供精密稳压电源; b. 将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大,并送入系统控制装置中的信号检测装置中;c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置) ; (5)信号检测主机;(6)控制系统和计算机 图3 克尔实验系统图 3 实验内容及实验操作 1) .按光学实验的常规要求调整好光路,然后将入射线偏振光p光，即偏振光平行于入射面。调节可调光阑的转盘，使入射光斑直径最小。2)接着设置检偏棱镜，首先粗调转盘，使反射光与入射光正交这时光电检测测信号最小（在信号检测主机上电压表可以读出），然后转动螺旋测微头，设置检偏棱镜偏离消光位置10,然后调节信号SMOKE光功率计控制主机上的光路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上“光路电平”以及“光路幅度”，使输出信号幅度在1.25V。3）调节信号SMOKE光功率控制主机上的磁路增益调节电位器和SMOKE克尔控制主机上“磁路电平”电位器，使磁路信号大小为1.25V。4）将SMOKE励磁电源控制主机上的“手动-自动”转换开关指向手动挡调节“电流调节”电位器，选择合适的最大扫描电流。然后将转换开关调至“自动”档。5)打开“表面磁光克尔效应实验软件”，在保证通讯正常的情况下，设置好“扫描周期”和“扫描次数”，进行磁滞回线的自动扫描。6）在检偏棱镜前放置一1/4波片，再一次重复以上步骤5实验结果（1）利用该系测出铁合金膜样品在纵向克尔模 （图4）式下的磁滞回线见图4.表1是实验数据记录,求出克尔旋转角 n 1 2 3 4 5 6 平均值 标准偏差I（+B）/ V 2.26 2.27 2.27 2.28 2.27 2.28 2.2717 0.0075I（-B）/ V 0.56 0.56 0.57 0.58 0.58 0.58 0.5717 0.0098I=（1.41±0.0075）V，I=（1.70±0.0075）V,实验时取=10. 0 该铁合金薄膜的克尔旋转角=3.014。（2）在加入1/4波片后测出的实验数据为I（+B）/ V I（-B）/ V I/ V /() 1.94 0.42 1.41 10 2.69506结束语将表面磁光克尔效应实验技术引入近代物理实验,可使学生了解了前辈科学家是如何利用磁光克尔效应测量磁性薄膜磁滞回线和磁参量的,认识到了SMOKE实验方法的先进性,特别是该实验能联系真空塗膜技术、磁光测量技术和纳米磁光薄膜参量的测量,可使学生在近代物理实验中领悟和学习前沿学科的尖端技术,这将激发学生学习的积极性,有利于教学内容与现代科研中纳米磁光薄膜测量技术相接轨,为学生提供更多创新能力培养的题材.因此SMOKE实验非常适合引入到近代物理实验中,成为一个与现代科学相结合的研究性实验.参考文献 1 赵凯华.新概念物理教程光学M .北京:高等教育出版社,2004 :11. 2 廖延彪.偏转光学M .北京:科学出版社,2005 :7. 3 朱伟荣,董国胜.一种测量薄膜磁性的表面磁光克尔效应装置J .真空科学与技术,1997 ,4 (17) :2432246.