表面磁光克爾實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、得分教師簽名批改日期課程編號(hào) 題目類型 深 圳 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 近代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 學(xué)院： 組號(hào) 指導(dǎo)教師： 報(bào)告人： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案1.1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解表面磁光克爾效應(yīng)的原理和實(shí)驗(yàn)方法； (2)掌握表面磁光克爾效應(yīng)譜的測(cè)量和應(yīng)用。1.2、實(shí)驗(yàn)原理磁光效應(yīng)有兩種：法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)，1845 年，Michael Faraday 首先發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的磁化狀態(tài)會(huì)影響透射光的偏振狀態(tài)，這就是法拉第效應(yīng)。1877 年，John Kerr 發(fā)現(xiàn)鐵磁體對(duì)反射光的偏振狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生影響，這就是克爾效應(yīng)?？藸栃?/p>

2、應(yīng)在表面磁學(xué)中的應(yīng)用，即為表面磁光克爾效應(yīng)（surface magneto-optic Kerr effect） 。它是指鐵磁性樣品（如鐵、鈷、鎳及其合金）的磁化狀態(tài)對(duì)于從其表面反射的光的偏振狀態(tài)的影響。當(dāng)入射光為線偏振光時(shí)，樣品的磁性會(huì)引起反射光偏振面的旋轉(zhuǎn)和橢偏率的變化。表面磁光克爾效應(yīng)作為一種探測(cè)薄膜磁性的技術(shù)始于 1985 年。 如圖 1 所示，當(dāng)一束線偏振光入射到樣品表面上時(shí)，如果樣品是各向異性的，那么反射光的偏振方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果此時(shí)樣 圖 1 表面磁光克爾效應(yīng)原理品還處于鐵磁狀態(tài)，那么由于鐵磁性，還會(huì)導(dǎo)致反射光的偏振面相對(duì)于入射光的偏振面額外再轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)小的角度，這個(gè)小角度稱為

3、克爾旋轉(zhuǎn)角k 。同時(shí)，一般而言，由于樣品對(duì) p光和s光的吸收率是不一樣的，即使樣品處于非磁狀態(tài)，反射光的橢偏率也發(fā)生變化， 而鐵磁性會(huì)導(dǎo)致橢偏率有一個(gè)附加的變化，這個(gè)變化稱為克爾橢偏率k 。由于克爾旋轉(zhuǎn)角k和克爾橢偏率k都是磁化強(qiáng)度 M 的函數(shù)。通過(guò)探測(cè) k 或k 的變化可以推測(cè)出磁化強(qiáng)度M 的變化。 按照磁場(chǎng)相對(duì)于入射面的配置狀態(tài)不同，磁光克爾效應(yīng)可以分為三種：極向克爾效應(yīng)、縱向克爾效應(yīng)和橫向克爾效應(yīng)。1極向克爾效應(yīng)：如圖 2 所示，磁化方向垂至于樣品表面并且平行于入射面。通常情況下，極向克爾信號(hào)的強(qiáng)度隨光的入射角的減小而增大，在 0o 入射角時(shí)（垂直入射）達(dá)到最大。 圖 2 極向克爾效應(yīng)2

4、縱向克爾效應(yīng)：如圖 3 所示，磁化方向在樣品膜面內(nèi)，并且平行于入射面。縱向克爾信號(hào)的強(qiáng)度一般隨光的入射角的減小而減小，在 入射角時(shí)為零。通常情況下，縱向克爾信號(hào)中無(wú)論是克爾旋轉(zhuǎn)角還是克爾橢偏率都要比極向克爾信號(hào)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。 圖 3 縱向克爾效應(yīng)正是這個(gè)原因縱向克爾效應(yīng)的探測(cè)遠(yuǎn)比極向克爾效應(yīng)來(lái)得困難。但對(duì)于很多薄膜樣品來(lái)說(shuō)，易磁軸往往平行于樣品表面，因而只有在縱向克爾效應(yīng)配置下樣品的磁化強(qiáng)度才容易達(dá)到飽和。因此，縱向克爾效應(yīng)對(duì)于薄膜樣品的磁性研究來(lái)說(shuō)是十分重要的。 3橫向克爾效應(yīng)：如圖 4 所示，磁化方向在樣品膜面內(nèi)，并且垂至于入射面。橫向克爾效應(yīng)中反射光的偏振狀態(tài)沒(méi)有變化。這是因?yàn)樵谶@種配置

5、下光電場(chǎng)與磁化強(qiáng)度矢積的方向永遠(yuǎn)沒(méi)有與光傳播方向相垂直的分量。橫向克爾效應(yīng)中，只有在 偏振光（偏振方向平行于入射面）入射條件下，才有一個(gè)很小的反射率的變化。 圖 4 橫向克爾效應(yīng) 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)。圖5為常見的 SMOKE 系統(tǒng)光路圖，氦氖激光器發(fā)射一激光束通過(guò)偏振棱鏡 1 后變成線偏振光，然后從樣品表面反射，經(jīng)過(guò)偏振棱鏡 2 進(jìn)入探測(cè)器。偏振棱鏡 2 的偏振方向與偏振棱鏡 1 設(shè)置 圖 5 常見 SMOKE 系統(tǒng)的光路圖成偏離消光位置一個(gè)很小的角度，如圖 6 所示。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

6、光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變。通過(guò)偏振棱鏡 2 的光強(qiáng)也發(fā)生變化。在一階近似下光強(qiáng)的變化和磁化強(qiáng)度呈線性關(guān)系，探測(cè)器探測(cè)到這個(gè)光強(qiáng)的變化就可以推測(cè)出樣品的磁化狀態(tài)。 兩個(gè)偏振棱鏡的設(shè)置狀態(tài)主要是為了區(qū)分正負(fù)克爾旋轉(zhuǎn)角。若兩個(gè)偏振方向設(shè)置在消光位置，無(wú)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。這樣無(wú)法區(qū)分偏振面的正負(fù)旋轉(zhuǎn)方向， 也就無(wú)法判斷樣品的磁化方向。當(dāng)兩個(gè)偏振方向之間有一個(gè)小角度 時(shí)，通過(guò)偏振棱鏡2 的光線有一個(gè)本底光強(qiáng)I 0 。 反射光偏 圖 6 偏振器件配置振面旋轉(zhuǎn)方向和 同向時(shí)光強(qiáng)增大，反向時(shí)光強(qiáng)減小，這樣 品的磁化方向可以通過(guò)樣光強(qiáng)的變化來(lái)區(qū)分。在圖 2 的光路

7、中，假設(shè)取入射光為 p 偏振（電場(chǎng)矢量Ep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)，反射光中含有一個(gè)很小的垂直于Ep的電場(chǎng)分量 ， 通常 Es Ep。在一階近似下有：EsEp=k+ik (1)通過(guò)棱鏡 2 的光強(qiáng)為：I=Ep sin+ Es cos2 (2)將（1）式代入（2）式得到：I = E p 2sin+(k + ik )cos2 （3）因?yàn)?很小，所以可以取sin = ， cos = 1，得到： I = Ep2+ (k + ik )2 （4）整理得到：I = Ep2(2 + 2k) （5）無(wú)外加磁場(chǎng)下：I 0 = Ep22 （6）所以有：I = I 0 (1+ 2k

8、/ ) （7）于是在飽和狀態(tài)下的克爾旋轉(zhuǎn)角k 為： （8） I(+M S ) 和 分別是正負(fù)飽和狀態(tài)下的光強(qiáng)。從式（8）可以看出，光強(qiáng)的變化只與克爾旋轉(zhuǎn)角I(M S ) k 有關(guān)，而與 k 無(wú)關(guān)。說(shuō)明在圖 5 這種光路中探測(cè)到的克爾信號(hào)只是克爾旋轉(zhuǎn)角。 在超高真空原位測(cè)量中，激光在入射到樣品之前，和經(jīng)樣品反射之后都需要經(jīng)過(guò)一個(gè)視窗。但是視窗的存在產(chǎn)生了雙折射，這樣就增加了測(cè)量系統(tǒng)的本底，降低了測(cè)量靈敏度。為了消除視窗的影響，降低本底和提高探測(cè)靈敏度，需要在檢偏器之前加一個(gè) 1/4 波片。仍然假設(shè)入射光為 p 偏振，四分之一波片的主軸平行于入射面，如圖 7 所示此時(shí)在一階近似下有：通過(guò)棱鏡 2

9、的光強(qiáng)為：因?yàn)?很小，所以可以取sin = ， cos = 1，得到： 因?yàn)榻嵌?取值較小，并且 ，所以： (9)在飽和情況下 k 為： (10)此時(shí)光強(qiáng)變化對(duì)克爾橢偏率敏感而對(duì)克爾旋轉(zhuǎn)角不敏感。因此，如果要想在大氣中探測(cè)磁性薄膜的克爾橢偏率，則也需要在圖5的光路中檢偏棱鏡前插入一個(gè)四分之一波片。如圖7所示。如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，計(jì)算機(jī)經(jīng)D/A卡控制磁場(chǎng)電源和繼電器進(jìn)行磁場(chǎng)掃描。光強(qiáng)變 圖7SMOKE系統(tǒng)測(cè)量橢偏率的光路圖化的數(shù)據(jù)由A/D卡采集，經(jīng)運(yùn)算后作圖顯示，從屏幕上直接看到磁滯回線的掃描過(guò)程，如圖8所示。 表面磁光克爾效應(yīng)具有極高的探測(cè)靈敏度。目前

10、表面磁光克爾效應(yīng)的探測(cè)靈敏度可以達(dá)到104度的量級(jí)。這是一般常規(guī)的磁光克爾效應(yīng)的測(cè)量所不能達(dá)到的。因此表面磁光克爾效應(yīng)具有測(cè)量單原子層、甚至于亞原子層磁性薄膜的靈敏度，所以表面磁光克爾效應(yīng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在磁性薄膜的研究中。雖然表面磁光克爾效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果是克爾旋轉(zhuǎn)角或者克爾橢偏率，并非直接測(cè)量磁性樣品的磁化強(qiáng)度。但是在一階近似的情況下，克爾旋轉(zhuǎn)角或者克爾橢偏率均和磁性樣品的磁化強(qiáng)度成正比。所以，只需要用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）等直接測(cè)量磁性樣品的磁化強(qiáng)度的儀器對(duì)樣品 圖8 表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)掃描圖樣進(jìn)行一次定標(biāo)，即能獲得磁性樣品的磁化強(qiáng)度。另外，表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)際上測(cè)量的是磁性樣品的磁滯回

11、線，因此可以獲得矯頑力、磁各向異性等方面的信息。1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1儀器連接1) 將SMOKE光功率計(jì)控制主機(jī)前面板上激光器“DC3V”輸出通過(guò)音頻線與半導(dǎo)體激光器相連，將光電接收器與SMOKE光功率計(jì)控制主機(jī)后面板的“光路輸入”相連，注意連接線一端為三通道音頻插頭接光電接收器，另外一端為綠、黃、黑三色標(biāo)志插頭與對(duì)應(yīng)顏色的插座相連。將霍爾傳感器探頭一段固定在電磁鐵支撐架上（注意霍爾傳感器的方向），另外一端與SMOKE光功率計(jì)控制主機(jī)后面板“磁路輸入”相連，注意“磁路輸入”也有四種顏色區(qū)分不同接線柱，對(duì)應(yīng)接入即可。將“磁路輸出”和“光路輸出”分別用五芯航空線與SMOKE克爾信號(hào)控制主機(jī)后面板的“磁

12、信號(hào)”和“光信號(hào)”輸入端相連。2) 將SMOKE克爾信號(hào)控制主機(jī)后面板上“控制輸出”和“換向輸出”分別與SMOKE磁鐵電源控制主機(jī)后面板上“控制輸入”和“換向輸入”用五芯航空線相連。用九芯串口線將“串口輸出”與電腦上串口輸入插座相連。3) 將SMOKE磁鐵電源控制主機(jī)后面板上的電流輸出與電磁鐵相連，“20V40V”波段開關(guān)撥至“20V”（只有在需要大電流情況下才撥至“40V”）。4) 接通三個(gè)控制主機(jī)的220V電源，開機(jī)預(yù)熱20分鐘。2樣品放置本儀器可以測(cè)量磁性樣品，如鐵、鈷、鎳及其合金。實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品做成長(zhǎng)條狀，即易磁軸與長(zhǎng)邊方向一致。將實(shí)驗(yàn)樣品用雙面膠固定在樣品架上，并把樣品架安放在磁鐵固定

13、架中心的孔內(nèi)。這樣可以實(shí)現(xiàn)樣品水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及實(shí)現(xiàn)極克爾效應(yīng)和縱向克爾效應(yīng)的轉(zhuǎn)換。在磁鐵固定架的一端有一個(gè)手柄，當(dāng)放置好樣品時(shí)，可以旋緊螺絲。這樣可以固定樣品架，防止加磁場(chǎng)時(shí)，樣品位置有輕微的變化，影響克爾信號(hào)的檢測(cè)。3. 光路調(diào)整1）在入射光光路中，可以依次放置激光器、可調(diào)光闌、起偏棱鏡（格蘭湯普遜棱鏡），調(diào)節(jié)激光器前端的小鏡頭，使打在樣品上的激光斑越小越好，并調(diào)節(jié)起偏棱鏡使其起偏方向與水平方向一致（儀器起偏棱鏡方向出廠前已經(jīng)校準(zhǔn)，參考上面標(biāo)注角度），這樣能使入射線偏振光為p光。另外通過(guò)旋轉(zhuǎn)可調(diào)光闌的轉(zhuǎn)盤，使入射激光斑直徑最小。 2）在反射接收光路中，可以依次放置可調(diào)光闌、檢偏棱鏡、雙凸

14、透鏡和光電檢測(cè)裝置。因?yàn)闃悠繁砻嫫秸鹊挠绊懀苑瓷涔夤馐l(fā)散角已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光束，調(diào)節(jié)小孔光闌，使反射光能夠順利進(jìn)入檢偏棱鏡。在檢偏棱鏡后，放置一個(gè)長(zhǎng)焦距雙凸透鏡，該透鏡作用是使檢偏棱鏡出來(lái)的光匯聚，以利于后面光電轉(zhuǎn)換裝置測(cè)量到較強(qiáng)的信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換裝置前部是一個(gè)可調(diào)光闌，光闌后裝有一個(gè)波長(zhǎng)為650nm的干涉濾色片。這樣可以減小外界雜散光的影響，從而提高檢測(cè)靈敏度。濾色片后有硅光電池，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并通過(guò)屏蔽線送入控制主機(jī)中。3）起偏棱鏡和檢偏棱鏡同為格蘭湯普遜棱鏡，機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)也相同。它由角度粗調(diào)結(jié)構(gòu)和螺旋測(cè)角結(jié)構(gòu)組成，并且兩種結(jié)構(gòu)合理結(jié)合，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)外轉(zhuǎn)盤，可以粗調(diào)棱鏡偏振方向，分

15、辨率為1o，并且外轉(zhuǎn)盤可以360 o轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要微調(diào)時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤側(cè)面的螺旋測(cè)微頭，這時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由測(cè)微頭的線位移轉(zhuǎn)變?yōu)槔忡R轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移。因?yàn)闇y(cè)微頭精度為0.01mm，這樣通過(guò)外轉(zhuǎn)盤的定標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)角度的精密測(cè)量。通過(guò)檢測(cè)，這種角度測(cè)量精度可以達(dá)到2分左右，因?yàn)槊總€(gè)轉(zhuǎn)盤有加工誤差，所以具體轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量精度須通過(guò)定標(biāo)測(cè)量得到。4）實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)起偏棱鏡使入射光為p光，即偏振面平行于入射面。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)信號(hào)最?。ㄔ谛盘?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1 o2o（具體解釋見原理部分）。然后

16、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”電位器，使輸出信號(hào)幅度在1.25V左右。5）調(diào)節(jié)節(jié)信號(hào)SMOKE光功率計(jì)控制主機(jī)上的磁路增益調(diào)節(jié)電位器和SMOKE克爾信號(hào)控制主機(jī)上“磁路電平”電位器，使磁路信號(hào)大小為1.25V左右。這樣做是因?yàn)椴杉ǖ牟杉盘?hào)范圍是02.5V，光路信號(hào)和磁路信號(hào)都調(diào)節(jié)在1.25V左右，軟件顯示正好處于介面中間。3實(shí)驗(yàn)操作1）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)檔，調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”電位器，選擇合適的最大掃描電流。因?yàn)槊糠N樣品的矯頑力不同，所以最大掃描電流也不同，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以首先大致選擇，觀察掃描波形，然后再細(xì)調(diào)。通過(guò)觀察勵(lì)磁電源主機(jī)上的電流指示，選擇好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。2）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。也可以將勵(lì)磁電源主機(jī)上的“手動(dòng)自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)指向手動(dòng)檔，進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，然后描點(diǎn)作圖。3）如果需要檢測(cè)克爾橢偏