用表面磁光克爾效應實驗系統(tǒng)測量鐵磁性薄膜的磁滯回線

1、用表面磁光克爾效應實驗系統(tǒng)測量鐵磁性薄膜的磁滯回線及計算克爾旋轉(zhuǎn)角摘 要:用表面磁光克爾效應測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.對于很多磁性薄膜,易磁軸方向為縱向,通?？v向克爾效應較明顯.用自制裝置可研究磁性材料表面的磁性質(zhì),現(xiàn)此實驗已在近代物理實驗中應用.關(guān)鍵詞:克爾效應;磁滯回線; 克爾旋轉(zhuǎn)角1985年,科學家對表面磁光克爾效應的研究能達到亞原子單層的磁性探測靈敏度和易于與超高真空系統(tǒng)結(jié)合的特點,使得它在近些年已經(jīng)發(fā)展成為一種重要常規(guī)的研究薄膜磁學性質(zhì)的技術(shù).現(xiàn)今它被廣泛應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現(xiàn)象,同時表面磁光克爾

2、效應在商業(yè)上還被用于高密度的磁光存儲技術(shù)研究和測量.和其他磁性測量手段相比,表面磁光克爾效應測量磁性材料磁性具有很多優(yōu)點,如測量靈敏度高、 非接觸式測量、 測量同一樣品厚度不等的楔形磁性薄膜以及可以將待測樣品放在真空中原位測量等.筆者應用復旦天欣科教儀器公司生產(chǎn)的fd-smoke-a表面磁光克爾效應實驗系統(tǒng)用于研究材料表面的磁性質(zhì),取得較好的實驗效果.1. smoke實驗原理當線偏振光入射到不透明樣品表面時,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發(fā)生偏轉(zhuǎn).而如果此時樣品為鐵磁狀態(tài),還會導致反射光偏振面相對于入射光的偏振面額外再轉(zhuǎn)過一小角度,這個小角度稱為克爾旋轉(zhuǎn)角,即橢圓長軸

3、和參考軸間的夾角,如圖1所示.同時,一般而言,由于樣品對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,而鐵磁性會導致橢偏率有一附加的變化,這個變化稱為克爾橢偏率,即橢圓長短軸之比.按照磁場相對入射面的配置狀態(tài)不同,表面磁光克爾效應可以分為3種:a.極向克爾效應,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,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,其磁化方向在樣品膜面內(nèi),并且垂直于入射面.對于磁性薄膜,通?？v向克爾效應較明顯.待測物的極向、縱向、橫向克爾旋轉(zhuǎn)角的強弱由其磁易向軸的方向決定.以下以極向克爾效應為例詳細討論smok

4、e系統(tǒng),原則上完全適用于縱向克爾效應和橫向克爾效應.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)過檢偏棱鏡進入探測器.檢偏棱鏡的偏振方向要與起偏棱鏡設置成偏離消光位置很小的角度(圖2),這主要是為了區(qū)分正負克爾旋轉(zhuǎn)角.若檢偏棱鏡方向設置在消光位置,無論反射光偏振面是順時針還是逆時針旋轉(zhuǎn),反映在光強的變化上都是強度增大.這樣就無法區(qū)分偏振面的正負旋轉(zhuǎn)方向,也就無法判斷樣品的磁化方向.當2個偏振方向之間有小角度時,通過檢偏棱鏡的光線有本底光強i.反射光偏振面旋方向和同向時光強增大,反向時光強減小, 這樣樣品的磁化方向可以通過光強的變化來區(qū)分.樣品放置在磁場中,當外加磁場改變

5、樣品磁化強度時,反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變.通過檢偏棱鏡的光強也發(fā)生變化.在一階近似下光強的圖1表面磁光克爾效應原理圖 圖2偏振器件配置方位變化和被測材料磁感應強度呈線性關(guān)系,探測器探測到光強的變化就可以推測出樣品的磁化狀態(tài)和磁性參量.在圖1的光路中,假設取入射光為p偏振光,其電場矢量e平行于入射面,當光線從磁化了的樣品表面反射時,由于克爾效應反射光中含有很小的垂直于e的電場分量e,如圖2所示,通常ee.在一階近似下有:=+i. (1)通過檢偏棱鏡的光強為:i=|epsin+escos| (2)將(1)式代入(2)式得到:i=|ep|sin+(k+ik)cos| (3)通常較小,可取sin,co

6、s1,得到:i=|ep|+(k+ik)| (4)一般情況下,雖然很小,但,而和在同一數(shù)量級上,略去二階項后,考慮到探測器測到的是(4)式實數(shù)部分,(4)式變?yōu)閕=|ep|(+2) . (5)無外加磁場下,i=|ep|, (6)所以有:i=i1+2/. (7)由(7)式得在樣品達磁飽和狀態(tài)下為:= (8)實際測量時最好測量磁滯回線中正向飽和時的克爾旋轉(zhuǎn)角和反向飽和時的克爾旋轉(zhuǎn)角,則= (9)(9)式中,i(+b)和i(-b)分別是正負磁飽和狀態(tài)下的光強.從式(9)可以看出,光強的變化i只與有關(guān),而與無關(guān).說明在圖1光路中探測到的克爾信號只是克爾旋轉(zhuǎn)角當要測量克爾橢偏率 時,在檢偏器前另加一個 1

7、/4 波片,它可以產(chǎn)生/ 2 的相位差,此時檢偏器看到的是 i (+ i ) = - + i ,而不是 + i ,因此測量到的信號為克爾橢偏率.經(jīng)過推導可得在磁飽和情況下為= (10)2 實驗裝置實驗裝置(如圖 3)有以下 6 部分組成: (1)光學減震臺; (2)光路系統(tǒng),包括入射光路與接收光路; (3)勵磁電源主機和可程控電磁鐵; (4)前級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. 將光電檢測裝置接收到的克爾信號作前級放大,并送入系統(tǒng)控制裝置中的信號檢測裝置中;c.將霍爾傳感器探測到的信號送入檢測裝置) ; (5)信號檢測主機;(6)控制系統(tǒng)和計算機 圖3 克爾實驗系

8、統(tǒng)圖 3 實驗內(nèi)容及實驗操作 1) .按光學實驗的常規(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光電檢測測信號最?。ㄔ谛盘枡z測主機上電壓表可以讀出），然后轉(zhuǎn)動螺旋測微頭，設置檢偏棱鏡偏離消光位置10,然后調(diào)節(jié)信號smoke光功率計控制主機上的光路增益調(diào)節(jié)電位器和smoke克爾信號控制主機上“光路電平”以及“光路幅度”，使輸出信號幅度在1.25v。3）調(diào)節(jié)信號smoke光功率控制主機上的磁路增益調(diào)節(jié)電位器和smoke克爾控制主機上“磁路電平”電位器，使磁路信號大小為1.25v。

9、4）將smoke勵磁電源控制主機上的“手動-自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)指向手動擋調(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”檔。5)打開“表面磁光克爾效應實驗軟件”，在保證通訊正常的情況下，設置好“掃描周期”和“掃描次數(shù)”，進行磁滯回線的自動掃描。6）在檢偏棱鏡前放置一1/4波片，再一次重復以上步驟5實驗結(jié)果（1）利用該系測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是實驗數(shù)據(jù)記錄,求出克爾旋轉(zhuǎn)角 n 1 2 3 4 5 6 平均值 標準偏差i（+b）/ v 2.26 2.27 2.27 2.28 2.27 2.28 2.2717 0.0075i（-b）/

10、v 0.56 0.56 0.57 0.58 0.58 0.58 0.5717 0.0098i=（1.410.0075）v，i=（1.700.0075）v,實驗時取=10. 0 該鐵合金薄膜的克爾旋轉(zhuǎn)角=3.014。（2）在加入1/4波片后測出的實驗數(shù)據(jù)為i（+b）/ v i（-b）/ v i/ v /() 1.94 0.42 1.41 10 2.69506結(jié)束語將表面磁光克爾效應實驗技術(shù)引入近代物理實驗,可使學生了解了前輩科學家是如何利用磁光克爾效應測量磁性薄膜磁滯回線和磁參量的,認識到了smoke實驗方法的先進性,特別是該實驗能聯(lián)系真空塗膜技術(shù)、磁光測量技術(shù)和納米磁光薄膜參量的測量,可使學生在近代物理實驗中領(lǐng)悟和學習前沿學科的尖端技術(shù),這將激發(fā)學生學習的積極性,有利于教學內(nèi)容與現(xiàn)代科研中納米磁光薄膜測量技術(shù)相接軌,為學生提供更多創(chuàng)新能力培養(yǎng)的題材.因此smoke實驗非常適合引入到近