微聚焦磁光科爾效應儀

微聚焦磁光克爾效應儀

任楊磁電子學研究所背景知識實驗原理儀器簡介實驗內容目錄一、背景知識光偏振狀態(tài)的描述光是電磁波。橫波－－偏振性，光矢量與光的傳播方向垂直偏振態(tài)：光矢量在垂直于傳播方向的平面內可能存在的各種不同的振動狀態(tài)

光的偏振態(tài)分類：①完全偏振（線偏振、圓偏振、橢圓偏振）②非偏振(自然光)③部分偏振

兩個頻率相同、振動方向互相垂直的簡諧波的疊加Ex(z,t)和Ey(z,t)之間無必然聯(lián)系。x,y方向的單位矢量(任一偏振態(tài)可分解為兩個正交的線偏振態(tài)

)：振動面:包含光矢量與傳播矢量的平面.

zxy沿z方向傳播的單色平面波和r二參量決定偏振狀態(tài)。正交振動的合成xEyExyqE合成光波的光矢量末端軌跡方程：

兩光波的瞬時光矢量大?。?/p>

方程的意義：描述了一個橢圓，該橢圓與以Ex=±Ax和Ey=±Ay為界的矩形框內切，其旋轉方向及長短軸的方位與兩疊加光波的相位差有關。

AyAx一.三種(完全)偏振態(tài)(a)線偏振：=0或LinearPolarization

AxAyxyO橢圓蛻變?yōu)橹本€，表明合振動仍為平面偏振光。

光強度:合成波的振幅:AxAyxyO特點：光振動限于某一確定的平面內，光矢量在垂直于傳播方向的平面內的投影為一直線。

Linearlight(b)圓偏振:E

矢端畫圓光學慣例：對著z軸看(看光源)：EExyOxyOAAAA右旋，左旋，順時針逆時針z特點：偏振面相對于傳播方向隨時間以圓頻率w旋轉，且光矢量末端的軌跡位于一個圓上。

Right-circularlypolarizedlightRight-circularlypolarizedlight由于空間傳播的原因，光矢量末端的軌跡實際上呈圓形螺旋狀，只是在垂直于傳播方向的平面上的投影構成一個圓。

這種“左、右旋”的叫法只用于光學。在討論基本粒子或微波技術時是按手征來說，與這里的叫法相反。(c)橢圓偏振:有固定值，且前述情形除外。橢圓偏振是一般情形，在特殊條件下退化為線偏振、圓偏振。－<

<0，左旋。E

的矢端劃橢圓：0<

<，右旋;y

yx

z傳播方向

/2x某時刻右旋圓偏振光E隨z的變化E0二.非偏振光(自然光)

實際的單色點光源仍是大量原子在發(fā)光。經(jīng)典理論認為，一個原子一次發(fā)光的波列可看作線偏振的(持續(xù)時間<10－8

秒)，但大量波列的振動方向是雜亂分布的，沒有“優(yōu)勢方向”。這些波列的總合光波就是普通光源發(fā)出的“自然光”。一種表示法：同時有各方向的線偏振光，互不相干，混合在一起。另一種表示法：任一時刻t，總有合矢量E(t)，其大小和初相都隨

t而迅變，各方向機會均等。非偏振光的常用數(shù)學表示。分為兩個正交分量。對任意取定的x,y

，有且相位差隨機迅變，即兩分量是

完全不相關的。，AxAyxy注意區(qū)別：偏振光(例如線偏)也可沿兩個相互垂直的方向分解，E

yxAxAy但是總有不過一般情況下且二者有確定的相位差

，即兩分量是完全相關的

。三.部分偏振光

(介于完全偏振光和非偏振光之間)特點：光振動強度沿兩個正交方向的時間平均值不相等，并且在某一方向取極大值Imax時，其正交方向正好取極小值Imin

部分線偏振光的三種模型：線圓模型、橢圓模型、正交模型說明：自然光是部分偏振光的特殊表現(xiàn)形式。構成橢圓偏振光的兩個正交振動有恒定的相位差。

構成部分偏振光的兩正交振動的相位卻各自隨機變化。

偏振度純偏，P=1;自然光，P=0;部分偏，0<P<1I總＝

I自+I偏偏振度產生偏振光的常見方法馬呂斯定律

一.二向色性晶體

偏振片馬呂斯定律各種起偏器的工作原理，都要利用某種光學的不對稱性。xyzz線柵起偏器入射電磁波從自然光獲得偏振光叫做起偏。導線柵光學“線柵”，1960，2160條/mm的光柵，近于掠射噴金蒸氣。自然光通過線柵后變?yōu)榫€偏振光·非偏振光線偏振光光軸電氣石晶片··二向色性晶體例如，電氣石(硅酸硼化物)[如NaFe3B3Al6Si6O27(OH)4]垂直于光軸的電場分量被強烈吸收。“二向色性”人造偏振片1928，E.H.Land(19歲)，看書，發(fā)明，微晶型：硫酸碘奎寧晶體粉末1938，分子型：聚乙烯醇，拉伸，浸碘。馬呂斯定律：馬呂斯定律（E.L.Malus）——消光線偏振光

IP偏振化方向(透振方向)自然光I0···（理想）P線偏振光線偏振光P（全透）起偏：消光比圖解:自然光線偏振光偏振片偏振片透光軸方向入射光出射光光強光強馬呂斯定律：自然光線偏振光偏振片偏振片線偏振光光電探測器——消光WhenPolaroidsun-glassesareuncrossed,thetransmittedlightisdimmedduetotheextrathicknessoftintedplastic.However,whentheyarecrossed,thetransmittedlightisreducedtozerobecauseoftheeffectsofpolarization.Acrossedpolarizerandanalyzer偏振片偏振片偏振片自然光線偏振光線偏振光連續(xù)應用馬呂斯定律：線偏振光檢偏：用偏振器件分析、檢驗光的偏振狀態(tài)。I?P待檢光思考：旋轉偏振片（以光束為軸）

I不變？是什么光

I變，有消光？是什么光

I變，但無消光？是什么光例如起偏器也可以用作檢偏器。二.反射光和折射光的偏振

當入射角為某個特殊的角度時，反射光是線偏振光，其電矢量垂直于入射面。這個特殊入射角稱為布儒斯特角（Brewsterangle），或起偏振角。自然光反射和折射后產生部分偏振光·i1····n1n2i1i2······起偏振角·····線偏振光i2·n1n2iBiB自然光入射到各向同性電介質的分界面上，反射光和折射光一般都是部分偏振光。iB

+i2=90°

實驗和光的電磁理論都可得：自然光線偏振光由

布儒斯特定律有玻璃片堆起偏和檢偏············iB(接近線偏振光)··················iB

+i2=90°

sp自然光偏振分束器反射鏡布儒斯特窗帶布儒斯特窗的激光諧振腔四.利用晶體的雙折射雙折射現(xiàn)象:n1n2i1(各向異性介質)自然光roo光e光re尋常光和非尋常光:o光:遵從折射定律e光:不遵從折射定律e光折射線甚至不一定在入射面內。eo···e

方解石o···5.3光通過單軸晶體時的雙折射現(xiàn)象1.

雙折射現(xiàn)象和基本規(guī)律···方解石oeeo···以入射方向為軸旋轉方解石方解石偏振片雙折射的兩束光振動方向相互垂直2.晶體的光軸當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸。例如，方解石晶體(冰洲石)AB光軸102°光軸是一特殊方向（凡平行于此方向的直線均為光軸）。單軸晶體：只有一個光軸的晶體

石英，方解石，紅寶石雙軸晶體：有兩個光軸的晶體

云母，藍寶石，硫磺解理面。若切去，磨出垂直于光軸的平表面，正入射時就無雙折射。各種晶體分屬七個晶系：立方晶系（例如NaCl晶體）-------光學各向同性！三角晶系、四方晶系、六角晶系------單軸晶體正交晶系、單斜晶系、三斜晶系------雙軸晶體3.主平面和主截面主平面：晶體中光的傳播方向（光線）與晶體光軸構成的平面。o光光軸o光的主平面····e光光軸e光的主平面主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構成的平面。（表面不一定是解理面）若入射光線在主截面內，即入射面與主截面重合，則進入晶體后o、e光線都在此主截面內，主平面就與主截面重合。························vot光軸光軸vetvot

no

，ne

稱為晶體的主折射率o光

:o與方向無關，是常數(shù)e光

:沿垂直于光軸的方向傳播時，有最大(或最小)的速度，將它記為5.4光在晶體中的波面__o光和e光的子波波面光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同的光，傳播速度也不同。實驗證明:光的速度與方向有關votvet光軸負晶體(vo<ve)子波源子波源votvet光軸

正晶體

(vo>ve)正晶體:

ne>no(e<o)(圖夸大了ne和no的差別)負晶體:ne<no(e>o)(如方解石)(如石英)Waveletsinanegativeuniaxialcrystal

負單軸晶體光軸e光o光2.光軸平行于晶體表面，自然光垂直入射····

eoeo光軸晶體····(o,e光在方向上雖沒分開，但速度不同。)1.光軸平行于晶體表面，且垂直于入射面，自然光斜入射····晶體光軸ir0reo

········oΔteΔteo

ecΔt以下設為負晶體(e>o)特殊情況:3.光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射······o

e晶體光軸····

e方解石光軸······o

eo(此時e光的波面不再與其光線垂直了!)光軸晶體的定向與切割入射光的正交分解o光：尋常光（ordinaryray）e光：非常光（extraordinaryray）一.晶體偏振器利用單軸晶體中o光和e光傳播情況的不同，可以做成晶體偏振器件，使o光、e光分開而產生線偏振光。5.6偏振器件這種器件可分為兩類：

一類是只讓o光、e光中的一束通過，得到單束線偏振光，如格蘭棱鏡、尼科耳棱鏡等。

另一類是偏振分束器，得到振動方向互相垂直的兩束分離的線偏振光，如渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡等。1.尼科耳棱鏡

(Nicol

)優(yōu)質方解石晶體，長度約為寬度的3倍，剖開、磨平拋光，兩塊用加拿大樹膠粘合起來。加拿大樹膠是一種折射率介于方解石的no和ne之間的透明物質。缺點：入射光線上、下方的極限角為14°，入射光與透射光不在一條直線上。2.格蘭棱鏡Glan-Thompson

:············光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠

(n=1.55)oei吸收涂層(76°這樣安排光軸的取向使e光對應的恰好是

ne

。no(1.6584)＞n(1.55)＞

ne(1.4864)o光在粘合處發(fā)生全反射，透射的是極純的線偏振光。(鈉黃光)格蘭—湯普森棱鏡主要特性參數(shù)：通光面積、孔徑角、消光比、抗損傷能力.格蘭-傅科(Glan-Foucault)棱鏡:空氣間隔，較短。(=38.5°)優(yōu)、缺點:格蘭—湯普森棱鏡的有效張角約為30°，格蘭-傅科棱鏡的有效張角約為15°。

在格蘭—湯普森棱鏡中加拿大樹膠強烈吸收紫外光，限制了使用光譜范圍（可以換用紫外區(qū)透明的粘合物）。另外，界面膠不能承受高的功率（連續(xù)照射時上限1W/cm2）。

格蘭-傅科棱鏡有很寬的使用光譜范圍，方解石的透明區(qū)從紅外的5000nm直到紫外的230nm；另外還有能承受較高功率的優(yōu)點（連續(xù)照射時上限100W/cm2

），使用激光束時這是很重要的。二.晶體相移器件Retarders1.波晶片─相位延遲片Waveplates波晶片是光軸平行于表面的晶體薄片。ydxAAoAe線偏振光光軸λ

通過厚為d的晶片，o、e光產生相位差：AAoAe光軸P

振幅關系：設線偏振光入射，真空中的波長從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動方向相互垂直、頻率相等、相位差為的線偏振光，它們合成為一束橢圓偏振光。時為圓偏振光。且設在入射面上分解的兩種線偏振光的瞬時光矢量大小可表示為：

在后表面上的出射光應表示為：，線偏振光→圓偏振光，線偏振光→線偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）

四分之一波片(4片)Thequarter-waveplate，線偏振光→橢圓偏振光通過4片：在出射光中，兩種線偏振光的相位差為：dnneoxy)(20-+=-=lpjjjjD單軸晶片的快慢軸

：快軸：單軸晶體中與傳播速度較快的光振動分量的振動面平行的方向慢軸：單軸晶體中與傳播速度較慢的光振動分量的振動面平行的方向

快慢軸的正方向：以拇指指向光線方向，四指按右手螺旋法則自晶片光軸方向轉向光軸的正交方向，此時四指所指的光軸方向及其正交方向分別定義為晶片快慢軸的正方向。說明：正單軸晶片的快軸垂直于光軸（亦即沿o光偏振面），慢軸平行于光軸（亦即沿e光偏振面）；負單軸晶片的快軸平行于光軸（亦即沿e光偏振面），慢軸垂直于光軸（亦即沿o光偏振面）。波晶片：振動方向快軸慢軸負晶體:

ne<no(e>o)(如方解石)圓起偏器原理左旋右旋快軸慢軸橢圓起偏器原理z

二分之一波片Ahalf-waveplate半波片的作用是旋轉它的偏振面的方向，旋轉角度為2，為波片的快軸方向與入射光振動方向之間的夾角。Ahalf-waveplate

全波片Thefull-waveplate2.通過波晶片后的光強總光強3.

補償器

─可變相位延遲器Compensators定義：能夠使透過的o光和e光的相位差任意改變的晶片

巴俾涅補償器：由兩塊光軸正交的直角石英棱鏡迭置而成，用于細光束的相位補償調節(jié)。

第一劈內的o光進入第二劈內變?yōu)閑光，光程：同樣地，e光，兩者的相位差：三.橢圓偏振光和圓偏振光的檢偏用

4片和偏振片P配合，可以區(qū)分自然光和圓偏振光，也可區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光。索列爾補償器：由兩塊光軸平行的石英直角劈楔與一塊光軸正交的平行平面石英晶片迭置而成，可用于寬光束的相位補償。

兩者的相位差：四分之一波片圓偏振光自然光自然光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光

I不變線偏振光I變,有消光以入射光方向為軸四分之一波片橢圓偏振光部分偏振光線偏振光偏振片（轉動）線偏振光I變,有消光部分偏振光光軸平行于最大光強或最小光強方向放置，或光軸平行于橢圓偏振光的長軸或短軸放置線偏振光I變,無消光磁光克爾效應：磁光克爾效應：1877年，Kerr發(fā)現(xiàn)鐵磁體對反射光的偏振狀態(tài)會產生影響，當一束偏振光打到樣品表面時，鐵磁性會導致反射光偏振面轉過一個小角度，這個小角度叫做Kerr旋轉角θ，同時，鐵磁性會導致橢偏率也有一個小變化，這個變化叫做Kerr橢偏率。

SMOKE（SurfaceMagneto-OpticKerrEffect）裝置：測量靈敏度極高；無損傷測量；測量到的信息來源于介質上的光斑照射的區(qū)域。II實驗原理所謂磁光克爾效應（magneto－opticalKerreffect，MOKE），是指當一線偏振光入射到磁化介質表面時，其反射光線的偏振性質會由于介質磁化強度的存在而發(fā)生變化（圖1）。一般說來，反射光線會變成一橢圓偏振光，其橢偏率，稱為克爾橢偏率，同時橢圓的主軸和原入射光的線偏振方向會有一個小的夾角，稱為克爾旋轉角。圖1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,薄膜樣品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,薄膜樣品磁化方向在樣品膜面內,并且平行于入射面c.橫向克爾效應,薄膜樣品磁化方向在樣品膜面內,并且垂直于入射面abc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（如圖2所示）,這主要是為了區(qū)分正負克爾旋轉角,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,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I0,反射光偏振面旋轉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。在圖1的光路中,假設取入射光為P偏振光,其電場矢量EP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EP的電場分量Es,如圖2,所示,通常Es?EP,在一階近似下有：通過檢偏棱鏡的光強為將（1）式代入（2）