表面磁光克爾效應(yīng) 2

得分教師簽名批改日期深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)： 近代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 表面磁光克爾效應(yīng) 學(xué)院： 物理科學(xué)與技術(shù)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： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 測(cè)出磁性樣品的磁滯回線(xiàn)。2、 克爾旋轉(zhuǎn)角和磁性樣品的磁化強(qiáng)度的關(guān)系。二實(shí)驗(yàn)原理光學(xué)原理：當(dāng)一束單色線(xiàn)偏振光照射在磁光介質(zhì)薄膜表面時(shí)，透射光線(xiàn)的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角被稱(chēng)作磁光法拉第轉(zhuǎn)角。反射光線(xiàn)的偏振面與入射光線(xiàn)的偏振面相比也有一轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角被叫做磁光克爾轉(zhuǎn)角，這種效應(yīng)叫做磁光克爾效應(yīng)。磁光克爾效應(yīng)包括三種情況：極向克爾效應(yīng)：磁化方向垂至于樣品表面并且平行于入射面。縱向克爾效應(yīng)：磁化方向在樣品膜面內(nèi)，并且平行于入射面。橫向克爾效應(yīng)：磁化方向在樣品膜面內(nèi)，并且垂至于入射面。工作原理：當(dāng)一束線(xiàn)偏振光入射到不透明的樣品表面時(shí)，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(huì)發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)。如果此時(shí)樣品還處于鐵磁狀態(tài)，鐵磁性還會(huì)導(dǎo)致反射光偏振面相對(duì)于入射光的偏振面額外轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小的角度，此角即為磁光克爾旋轉(zhuǎn)角K0，如圖1所示即橢圓長(zhǎng)軸和參考軸之間的夾角。一般而言，由于樣品對(duì)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(huì)導(dǎo)致橢偏率有一個(gè)附加的變化，這個(gè)變化稱(chēng)為克爾橢偏率K￡,即橢圓長(zhǎng)短軸之比。原理圖：激尤SS 光電探劃醬圖t表面磁光克爾效應(yīng)原理圖三選用儀器三選用儀器SMOKE測(cè)量系統(tǒng)JtEtSlJtEtSl偏振器配置原因：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。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及具體步驟儀器連接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(xiàn)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(xiàn)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。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(xiàn)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(kāi)關(guān)撥至“20V”4） 接通三個(gè)控制主機(jī)的220V電源，開(kāi)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、鉆、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)。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，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，這樣能使入射線(xiàn)偏振光為p光。另外通過(guò)旋轉(zhuǎn)可調(diào)光闌的轉(zhuǎn)盤(pán)，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、雙凸透鏡和光電檢測(cè)裝置。因?yàn)闃悠繁砻嫫秸鹊挠绊?，所以反射光光束發(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(xiàn)送入控制主機(jī)中。3） 起偏棱鏡和檢偏棱鏡同為格蘭一湯普遜棱鏡，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(pán)，可以粗調(diào)棱鏡偏振方向，分辨率為1o，并且外轉(zhuǎn)盤(pán)可以360o轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要微調(diào)時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)側(cè)面的螺旋測(cè)微頭，這時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由測(cè)微頭的線(xiàn)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(pán)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(pán)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(pán)，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1o-2o（具體解釋見(jiàn)原理部分）。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”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。實(shí)驗(yàn)操作1）將SMOKE勵(lì)磁電源控制主機(jī)上的“手動(dòng)一自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)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(guān)察掃描波形，然后再細(xì)調(diào)。通過(guò)觀(guān)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(kāi)關(guān)調(diào)至“自動(dòng)”檔。2） 打開(kāi)“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(xiàn)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(kāi)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)克爾橢偏率時(shí)，按照?qǐng)D7的光路圖，在檢偏棱鏡前放置四分之一波片，并調(diào)節(jié)四分之一波片的主軸平行于入射面，調(diào)整好光路后進(jìn)行自動(dòng)掃描或者手動(dòng)測(cè)量，這樣就可以檢測(cè)克爾橢偏率隨磁場(chǎng)變化的曲線(xiàn)。（不斷地正向或反向緩慢改變磁場(chǎng)，觀(guān)察磁化曲線(xiàn)。（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(xiàn)有一個(gè)本底光強(qiáng)。反射光偏振面旋轉(zhuǎn)方向同向時(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(guò)光強(qiáng)的變化來(lái)區(qū)分。））偏振器件配置：檢偏器在消光點(diǎn)対偏掘方向起偽為艸檢偏器在消光點(diǎn)対偏掘方向起偽為艸【注意事項(xiàng)】1?激光器不可以直接入射人的眼睛，以免造成傷害。2?實(shí)驗(yàn)樣品為磁性薄膜，如鐵、鈷、鎳或者其合金。3?實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該盡量避免外界自然光的影響，如有條件，盡量在暗室內(nèi)完成，以獲得最好的實(shí)驗(yàn)效果。4.因?yàn)镾MOKE檢測(cè)的信號(hào)非常小，實(shí)驗(yàn)應(yīng)該盡量避免外界振動(dòng)的影響。

五、數(shù)據(jù)處理5.1、縱向克爾效應(yīng)：圖1、縱向?qū)嶒?yàn)圖縱向克爾效應(yīng)是指磁化方向在樣品膜面內(nèi)，并且平行于入射面。因此信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨光的入射角的減小而減少。當(dāng)信號(hào)垂直入射時(shí)強(qiáng)度為零。當(dāng)樣品被縱向磁化時(shí)，當(dāng)外部磁場(chǎng)增強(qiáng)，原本不帶磁的樣品上的磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨著增強(qiáng)，則接受的信號(hào)會(huì)越強(qiáng)。而當(dāng)外部磁場(chǎng)消失，樣品上的磁場(chǎng)也不會(huì)消失，而接受的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)一直保持在最大值。直到外部加上一個(gè)反向磁場(chǎng)時(shí)，樣品上帶的磁場(chǎng)才會(huì)消失，而此時(shí)的信號(hào)會(huì)減少到初始狀態(tài)。由實(shí)驗(yàn)中得出，當(dāng)磁性樣品的磁性增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)克爾旋轉(zhuǎn)角，從而使激光再次打入探測(cè)儀。因而出現(xiàn)了能量的變化。圖1為測(cè)得的信號(hào)，雖變化不明顯，但是基本上與理論相符。5.2、極向克爾效應(yīng)：圖2極向?qū)嶒?yàn)圖圖2極向?qū)嶒?yàn)圖i.nMSusLk*池詢(xún) 圖3、極向克爾效應(yīng)理想圖a4IERJ?4V柵[玨M?2Kt.KI4■.鮭1?]fI.F5l.t?0f.W極向克爾效應(yīng)是指磁化方向垂至于樣品表面并且平行于入射面。極向克爾信號(hào)的變化與縱向相反，其強(qiáng)度隨光的入射角的減小而增大，若信號(hào)垂直入射則其強(qiáng)度最大。樣品上的磁場(chǎng)大小隨外加磁場(chǎng)的變化而變化。當(dāng)外加磁場(chǎng)增大時(shí)，樣品被磁化并其磁場(chǎng)強(qiáng)度增大。而外加磁場(chǎng)消失樣品上的磁場(chǎng)也消失了。圖3為極向克爾效應(yīng)的理想圖，而圖2為實(shí)驗(yàn)圖。從圖2發(fā)現(xiàn)接受的信號(hào)強(qiáng)度隨著外加磁場(chǎng)的增大而減小，與理論相反。極向克爾信號(hào)極弱，在調(diào)整電路時(shí)除了問(wèn)題，沒(méi)有找準(zhǔn)消光點(diǎn)，而是光強(qiáng)最大點(diǎn)，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)磁性樣品的磁性增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)克爾旋轉(zhuǎn)角，信號(hào)強(qiáng)度反而減小。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)的操作較為困難，主要是調(diào)節(jié)儀器光路，不僅需嚴(yán)格的按照光路調(diào)節(jié)的步驟進(jìn)行，并且還要非常的仔細(xì)，否則會(huì)造成信號(hào)的衰減。老師教我們一個(gè)小的技巧，就是拿一張白紙來(lái)判斷激光是否對(duì)準(zhǔn)各個(gè)儀器的中心。一開(kāi)始我們?cè)谡{(diào)節(jié)儀器光路時(shí)很粗心，各個(gè)儀器之間沒(méi)有保持平行，而激光沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)儀器中心，雖然光線(xiàn)有透過(guò)儀器，但那個(gè)光線(xiàn)是由儀器內(nèi)部反射出來(lái)的，結(jié)果接受的信號(hào)及其不精確。隨后從新調(diào)整了儀器光路，效果不錯(cuò)，完成了縱向克爾效應(yīng)，雖然不明顯。而極向克爾效應(yīng)沒(méi)有完成，一個(gè)是儀器光路沒(méi)調(diào)好，沒(méi)找到消光點(diǎn)。另一個(gè)是機(jī)器誤差造成的。實(shí)驗(yàn)基本上算是順利完成了。七、思考題1、 如何判斷是哪種克爾效應(yīng)？答：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0°入射角時(shí)（垂直入射）達(dá)到最大；縱向克爾信號(hào)的強(qiáng)度一般隨