磁光克爾效應研究

1、 磁光克爾效應研究摘要:當光電子技術日益在新興高科技領域獲得廣泛應用的同時，以磁光效應原理為背景的磁光器件顯示了其獨特的性能和廣闊的應用前景，引起了人們的濃厚興趣。表面磁光克爾效應，作為測量材料磁光特性特別是薄膜材料的物性的一種有效方法，已被廣泛應用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜的相變行為等問題的研究。本文簡單介紹了什么是磁光克爾效應、磁光克爾效應的發(fā)展、以及表面磁光克爾效應作為一種測量方法的原理、實驗裝置和發(fā)展。關鍵詞:磁光克爾效應;磁光特性;表面磁光克爾效應1.引言1845年，michael faraday發(fā)現當給玻璃樣品加一磁場時，透射光的偏振面將發(fā)生旋轉，首次發(fā)

2、現磁光效應。隨后他在處于外加磁場中的金屬表面做反射實驗，但由于他所謂的表面不夠平整，因而實驗結果不能使人信服。1877年john kerr在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發(fā)現了磁光克爾效應(magneto-optic kerr effect)。1985年moog和bader兩位學者對鐵超薄膜磊晶成長在金單晶(100)面上的磁光克爾效應做了大量實驗，成功得到一原子層厚度磁性物質的磁滯回線，并提出smoke作為表面磁光克爾效應 (surface magneto-optic kerr effect)的縮寫，用以表示應用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由于此方法磁性測量靈敏度達一原子層厚度

3、，且此裝置可配置于超高真空系統(tǒng)上面工作，所以成為表面磁學的重要研究方法。2.磁光克爾效應圖1 克爾效應示意圖一束線偏振光從具有磁矩的介質表面反射時，反射光將是一束橢圓偏振光，而且偏振方向將發(fā)生產生旋轉。相對于入射的線偏振光（以橢圓的長軸為標志）的偏振面方向有一定的偏轉，偏轉的角度為克爾轉角，短軸與長軸的比為橢偏率，如圖1所示。復磁光克爾角定義為：，其大小正比于樣品的磁化強度。表1給出了常見的磁性物質在室溫下的磁光克爾轉角的數值。克爾效應產生的原因如下：當磁性物質在外加磁場作用下磁化或鐵磁性物質自發(fā)磁化，就讓物質本身的折射率造成磁雙折射（magnetic birefringence） 的現象，即

4、其右旋折射率和左旋折射率不相同。一束線偏振光可以分解成兩個振幅相同的左旋光與右旋光，而左旋光與右旋光在磁性材料中有不同的吸收和反射系數，不同的傳播速度使得兩種光產生相位差，同時也能造成振幅上的不同。這樣，兩個振幅不同、且具有相位差的左旋光與右旋光在反射后就會疊加成一束橢圓偏振光。表1 常見磁性物質在室溫下的磁光克爾轉角一般情況下，克爾磁光效應分極向克爾磁光效應、縱向克爾磁光效應與橫向克爾磁光效應（按磁化強度同入射面的相對取向不同劃分），如圖2所示。極向克爾磁光效應是指磁化強度矢量m與介質界面垂直時的科爾效應。這是三種克爾效應中，克爾轉角最大、最明顯的。縱向克爾磁光效應指的是磁化強度矢量m既平行

5、于光的入射面，也平行于介質表面時的科爾效應。橫向克爾磁光效應是指磁化方向平行于材料表面但垂直于反射平面的克爾效應。橫向克爾磁光效應中事實上僅僅是反射率有微小的變化，沒有偏振面的旋轉。其最大的優(yōu)點在于：即使入射光是非極化光源經由磁性介質反射后，其反射光的振幅也是磁光強度矢量的線性函數。圖2 極向、縱向和橫向克爾效應示意圖3.磁光克爾測量技術3.1工作原理當一束線偏振光入射到不透明的樣品表面時，如果樣品室各向異性的，反射光將變成橢圓偏振光，并且偏振方向與入射光的偏振方向相比會發(fā)生一定角度的偏轉。如果此時樣品還處于鐵磁狀態(tài)，鐵磁性還會導致反射光偏振面相對于入射光的偏振面額外轉過一個小的角度，此角即為

6、磁光克爾旋轉角，如圖3所示即橢圓長軸和參考軸之間的夾角。一般而言，由于樣品對p偏振光和s偏振光的的吸收率不同，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，而樣品的鐵磁性會導致橢偏率有一個附加的變化，這個變化稱為克爾橢偏率，即橢圓長短軸之比。圖3 表面磁光克爾效應原理圖 3.2磁光調制法早期測量中應用較多的是磁光調制法，實驗裝置如圖4所示。在頻率為的外加交變磁場或電場的驅動下入射電場的偏振面發(fā)生微小的調制變化。最終分析從檢偏器出來并被檢測的光電信號中的交流成分可得到要測量的克爾角。測量裝置中采用調制鎖相技術，因此可獲得較高的性噪比。但是要通過調節(jié)檢偏器的方位角使信號幅度最大來確定克爾旋轉角

7、，帶來一定的測量誤差和不便。高次頻信號的存在使波形偏離正弦或余弦變化規(guī)律，給波形的判斷帶來困難。同時調制器的品質因數和使用條件不同也會影響數據的穩(wěn)定性。這種方法多用于單波長和單參數克爾角的測量。1. 激光器；2.光闌；3.起偏器；4. 調制元件；5.調制信號源；6. 調制線圈；7.樣品；8.磁場；9. 檢偏器；10.測角儀；11. 光電探測器和信號放大器；12. .示波器；圖4磁光調制測量裝置示意圖3.3旋轉檢偏器的位相偏移測定法旋轉檢偏器的方法是通過測量檢偏器的方位角在不同位置時光信號強度的變化來求得磁光克爾轉角和橢偏率嗎，實驗裝置如圖5所示。此方法實驗圖像清楚，所用光學元件少，避免了某些場

8、合使用特種光學元件所引起的間接測量誤差，光譜測量的范圍較寬，系統(tǒng)可以自行定標，是一種磁光效應的絕對測量方法，特別適用于材料磁光效應光譜特性的研究。整個系統(tǒng)易于實現自動化操作，使測量過程更加簡單，數據的密度和質量也得到相應的提高。此裝置對一般的磁光樣品，絕對測量的準確率可達到。1. 石英光纖；2. 準直鏡；3. 光闌；4. 起偏器；5、6. 反光鏡；7. 樣品；8. 熔石英1/4波長器9. 步進電機；10.檢偏器；11.防震光學平臺圖5旋轉檢偏器的實驗裝置示意圖3.4消光法1996年，朱偉榮對bader和chappert等人的方案做了修改，提出了一種新的smoke系統(tǒng)，圖6為系統(tǒng)的光路示意圖。在

9、偏振鏡后面加一分光鏡，將光束一分為二，參考光束直接直接送入探測器1，信號光束經過樣品和偏振鏡2后送入探測器2。通過測量信號光束和參開光束的比值來消除激光器光強和偏振面不穩(wěn)定造成的影響。系統(tǒng)的靈敏度可達。 圖6 smoke系統(tǒng)光路圖4.磁光克爾效應的應用4.1在現代數據存儲技術中的應用目前無論是在工業(yè)上科技、資訊的高度發(fā)展對儲存元件記錄密度的需求越來越高，滿足此種要求的辦法是利用克爾效應研發(fā)制造磁光記錄光碟和硬盤。通過一束激光聚焦在特定的磁光記錄介質薄膜上就能夠實現磁光記錄。寫入信息時，記錄介質位于特定的外加磁場中，因為磁光介質有良好的垂直于膜面的各向異性，當具備一定條件時，這種介質中的磁疇的磁

10、化方向就能與外加磁場方向相反或一致。由此，利用這種介質局部磁化方向的正、反即可代表“0”和“1”兩類信息。磁光記錄信息的讀取就是利用磁光克爾效應實現的。拿某個寫入信息后的介質（磁光介質）來說，介質（磁光介質）中的磁疇的磁化方向有正反兩種類型。一束激光照射在介質（磁光介質）表面的某一位置時，假如該處對應的磁疇為反向磁化，則反射光的克爾轉角為；反之該處對應的磁疇為正向磁化，則反射光的克爾旋轉角為。如果在通過介質（磁光介質）表面反射的反射光路上放一探測器，就能夠容易地檢測出反射處是反向磁化還是正向磁化，即讀出了“0”和“1”。4.2研究材料表面的磁學特性及其用途表面磁性和由數個原子層所構成的超薄膜以

11、及多層膜磁性，就是目前凝聚態(tài)物理領域中的一個非常重要的熱點研究課題。表面磁光克爾效應（smoke）更成為表面科學中磁性測量的主要工具，業(yè)已被大量、廣泛地應用在磁有序、磁各向異性以及層間耦合等問題的研究方面。smoke通過測量樣品的克爾轉角和克爾橢偏率隨磁場的變化關系，最終給出樣品的磁滯回線。從磁滯回線上可以定性和定量的分析矯頑力、剩余磁化強度、最大磁化率、磁滯損耗等。和其他的磁性測量手段相比較，smoke具有測量靈敏度極高 （國際上現在通用的smoke測量裝置它的探測靈敏度可達亞單原子層的磁性，即相當于能夠測量到小于千分之一度的克爾旋轉角）、非接觸式測量、局域磁性測量以及易于和其它設備（尤其是

12、真空系統(tǒng)）兼容等優(yōu)點。目前，應用元件尺寸快速向輕薄短小發(fā)展，元件中界面特性與高品質界面的制作是非常重要的，通過磁光克爾效應對磁性超薄膜的研究不但帶動相關科學知識的突破，對于微小元器件的設計開發(fā)提供重要參考資料，更能有效地提升電子工業(yè)尺寸納米化的進程。4.3用于觀察鐵磁材料中的磁疇磁光克爾效應的另外一個重要應用就是觀察鐵磁材料中難以捉摸的磁疇。由于不同磁疇區(qū)的磁化強度的取向不同，使入射偏振光產生方向、大小不同的偏振面旋轉，再經過檢偏器后就出現了與磁疇相應的明暗不同的區(qū)域。利用現代技術，不但可進行靜態(tài)觀察，還可進行動態(tài)研究。這些都導致一些重要發(fā)現和關于磁疇、磁學參數的有效測量。4.4在自旋電子學中

13、的應用磁光克爾效應對固體的自旋相關的電子能帶結構相當敏感，因此，磁光克爾效應是一種獨特的研究磁性材料中電子行為的實驗方法。結語從發(fā)現磁光克爾效應到現在，磁光克爾法作為一種測量材料磁性特別是超薄膜磁性材料物性的有效方法，已成為表面刺血研究的重要手段，被廣泛應用于磁有序、磁各向異性、磁疇結構、多層膜層間耦合和磁性超薄膜像變行為等問題的研究。為獲得理想的和可供實用的高性能磁光器件，對磁光材料做細致深入的光譜學特性的測量研究和分析具有基礎和應用上的雙重意義，無疑磁光克爾效應是首選地測量手段。如何改進當前的測量方法，開發(fā)新的磁光克爾效應測量方法，以簡便快捷的進行樣品磁光特性的測量，并提高測量的精度，是此

14、領域當前和以后的主要研究方向。參考文獻：1 m.d.schultz,t.xue,m.h.kryder.direct observation of magnetization dynamics in spinning magneto-optic discs j. j.appl.phys,1993,73(10): 5776-5781.2 d.l.qian,l.y.chen,w.m.zheng.a method to measure completely the magneto-optical kerr j.acta optic sinica,1999,19(4):24-313 劉湘林,劉公強.慈光材料和磁光器件j.北京:北京科學技術出版社,1900,221-227.4 朱偉榮，董國勝，陳艷等.一種測量薄膜磁性的表面磁光克爾效應裝置j.真空科學與技術,1997,17 (4): 243-246.5 劉平安，陳希江，丁菲一種新型表面磁光克爾效應測量系統(tǒng)j .遼寧師范大學學報：自然科學版，2007，37 (1): 24-29.6 z.q.qiu,s.d.bader, rev.sci.instrum., 2000, 71: 1243.7 r.mattheis,g.quednau, j. magn.m