磁光克尔实验报告

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1、得分教师签名批改日期深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：磁光克尔实验学院：物理学院指导教师：报告人：组号：学号实验地点实验时间：2015年11月3 日提交时间：2015年11月 10日一、实验目的(1)了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法(2)掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用。二、实验原理磁光效应有两种：法拉第效应和克尔效应，1845年，Michael Faraday首先 发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是法拉第效应。1877 年， John Kerr 发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是克尔效应。克 尔效应在表面磁学中的应用，即为表面磁光克尔效应(su

2、rface magneto-optic Kerr effect)。它是指铁磁性样品(如铁、钻、镍及其合金)的磁化状态对于从其表 面反射的光的偏振状态的影响。当入射光为线偏振光时，样品的磁性会引起反射 光偏振面的旋转和椭偏率的变化。表面磁光克尔效应作为一种探测薄膜磁性的技的，那么反射光的偏振方向会发生偏转。如果此时样品还处于铁磁状态，那么由 于铁磁性，还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小 的角度，这个小角度称为克尔旋转角牛。同时，一般而言，由于样品对P光和s 光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也发生变化， 而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个

3、变化称为克尔椭偏率k由于克 尔旋转角k和克尔椭偏率k都是磁化。强度M的函数。通过探测或S的变化可以推测出磁化强度M的变化。 按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔面。通常情况下，极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大，在入射角时(垂直入射)达到最大。图 3 纵向克尔效应2纵向克尔效应：如图3 所示，磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。 纵向克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减小，在入射角时为零。通常情况 下，纵向克尔信号中无论是克尔旋转角还是克尔椭偏率都要比极向克尔信号小一个 数量级。正是这个原因纵向克尔效应的探测远比极向克尔效应来得困难。但对于很多

4、薄膜样品来说，易磁轴往往平行于样品表面，因而只有在纵向克尔效应配置下样品的磁化强度才容易达到饱和。因此，纵向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。这是因为在这种配置下光电场与磁化 强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。横向克尔效应中，只有在 p 偏振光（偏振方向平行于入射面）入射条件下，才有一个很小的反射率的变化。图5常见SMOKE系统的光路图以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE系统，原则上完全适用于纵向克尔 效应和横向克尔效应。图5为常见的SMOKE系统光路图，氦一氖激光器发射一激 光束通过偏振棱镜1 后变成线偏振光，然后从样品表面反射，经过

5、偏振棱镜2 进入 探测器。偏振棱镜2的偏振方向与偏振棱镜1设置成偏离消光位置一个很小的角度6, 如图6 所示。样品放置在磁场中，当外加磁场改变样品磁化强度时，反射光的偏振 状态发生改变。通过偏振棱镜2 的光强也发生变化。在一阶近似下光强的变化和磁图6 偏振器件配置 两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区分正负克尔旋转角。若两个偏振方 向设置在消光位置，无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转，反映在光强的 变化上都是强度增大。这样无法区分偏振面的正负旋转方向，也就无法判断样品 的磁化方向。当两个偏振方向之间有一个小角度 6时，通过偏振棱镜2 的光线有 一个本底光强10。反射光偏振面旋转方向和6同向时

6、光强增大，反向时光强减小， 这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来区分。在图2的光路中，假设取入射光为p偏振（电场矢量Ep平行于入射面），当 光线从磁化了的样品表面反射时由于克尔效应，反射光中含有一个很小的垂直于 Ep的电场分量Es，通常EsvvEp。在一阶近似下有：Es/Ep/k+ k（1）I = Ep sin 5 + (竝 + f $) cos i通过棱镜2 的光强为： 将（1）式代入（2）式得到：因为6很小，所以可以取sin8=8, cos6=l,得到:整理得到：（护+2辺无外加磁场下：所以有：/二仙2彩）于是在饱和状态下的克尔旋转角0k为：kdk=6I（+Ms）-I（-Ms） / 4I

7、0=8AI / 41。I（+Ms ）和I（-Ms）分别是正负饱和状态下的光强。从式（8）可以看出，光强的变 化只与克尔旋转角9有关，而与巴无关。说明在图5这种光路中探测到的克尔信 号只是克尔旋转角。在超高真空原位测量中，激光在入射到样品之前，和经样品反射之后都需要 经过一个视窗。但是视窗的存在产生了双折射，这样就增加了测量系统的本底， 降低了测量灵敏度。为了消除视窗的影响，降低本底和提高探测灵敏度，需要在 检偏器之前加一个 1/4 波片。仍然假设入射光为 p 偏振，四分之一波片的主轴 平行于入射面，如图 7 所示：此时在一阶近似下有：-; ho通过棱镜2的光强为：I -困尸3&?+Cos|2

8、= |迟 J SinJ - ekCos6+i&cCostf|2因为6很小，所以可以取sin6=6, cos6=1,得到：i=%乍-吃+如=（沪-2忍我r+帶）因为角度6取值较小，并且二-土“，所以：為（亍-2瓯二珀（1-2転在饱和情况下Ak为:典（-亂卜川随）6&4 A _ 4?此时光强变化对克尔椭偏率敏感而对克尔旋转角不敏感。因此，如果要想在 大气中探测磁性薄膜的克尔椭偏率，则也需要在图 5 的光路中检偏棱镜前插入 一个四分之一波片。如图 7 所示。图 7 SMOKE 系统测量椭偏率的光路图如图5 所示，整个系统由一台计算机实现自动控制。根据设置的参数，计算 机经D/A卡控制磁场电源和继电器

9、进行磁场扫描。光强变化的数据由A/D卡采 集，经运算后作图显示，从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程，如图7 所示。表面磁光克尔效应具有极高的探测灵敏度。目前表面磁光克尔效应的探测灵 敏度可以达到 104 度的量级。这是一般常规的磁光克尔效应的测量所不能达到 的。因此表面磁光克尔效应具有测量单原子层、甚至于亚原子层磁性薄膜的灵敏 度，所以表面磁光克尔效应已经被广泛地应用在磁性薄膜的研究中。虽然表面磁 光克尔效应的测量结果是克尔旋转角或者克尔椭偏率，并非直接测量磁性样品的 磁化强度。但是在一阶近似的情况下，克尔旋转角或者克尔椭偏率均和磁性样品 的磁化强度成正比。所以，只需要用振动样品磁强计（VSM

10、）等直接测量磁性 样品的磁化强度的仪器对样品进行一次定标，即能获得磁性样品的磁化强度。另 外，表面磁光克尔效应实际上测量的是磁性样品的磁滞回线，因此可以获得矫顽三、实验仪器：（ 1）光学减震台；（2）光路系统,包括入射光路与接收光路；（3）励磁电源 主机和可程控电磁铁；（4）前级放大器和直流电源组合器（a.为激光器提供精 密稳压电源；b.将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入系统控制 装置中的信号检测装置中；c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置）；（5） 信号检测主机；（6）控制系统和计算机。测量装置如图9 所示，表面磁光克尔效应实验系统主要由电磁铁系统、光路系统、主机控制系统、

11、光学实验平台以及电脑组成。1）电磁铁系统电磁铁系统主要由 CD 型电磁铁、转台、支架、样品固定座组成。其中 CD 型 电磁铁由支架支撑竖直放置在转台上，转台可以每隔90转动定位，同时支架 中间的样品固定座也可以90定位转动，这样可以在极向克尔效应和纵向克尔效 应之间转换测量。2）光路系统 光路系统主要由半导体激光器、可调光阑（两个）、格兰汤普逊棱镜（两 个）、会聚透镜、光电接收器、四分之一波片组成，所有光学元件均有外壳固定， 并由不锈钢立柱与磁性开关底座相连。半导体激光器输出波长650nm，输出功率2毫瓦左右，激光器头部装有调焦透镜， 实验时应该调节透镜，使激光光斑打在实验样品上的光点直径最小

12、。 可调光阑采用转盘形式，上面有直径分别为 1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、6mm 共10 个孔。在光电接收器前同样装 有可调光阑，这样可以减小杂散光对实验的影响。格兰一汤普逊棱镜通光孔径8mm，转盘刻度分辨率1。，配螺旋测微头，测微 头量程10mm,测微分辨率0.01m m，转盘将角位移转换为线位移，经过测量，外 转盘转动10。，测微头直线移动3.00mm，所以测微移动0.01mm，转盘转动2，。实 验中设置消光位置偏转2左右，所以侧微移动约0.6mm。会聚透镜为组合透镜，焦距为157mm。 光电接收器为硅光电池，前面装有可调光阑，后面

13、通过三芯连接线与主机相 连。四分之一波片光轴方向在外壳上标注，外转盘可以 360。转动，角度测量分 辨率 1。3）主机控制系统 表面磁光克尔效应实验系统控制主机主要由光功率计部分、克尔信号部分和 扫描电源部分组成。光功率计部分由光功率计、光信号和磁信号前置放大器、激光器电源组成。 仪器前面板如图 9 所示：图 9 SMOKE 光功率计前面板示意图面板中左边方框为光功率计，分为2yW, 20yW, 200yW, 2mW四档切换，表 头采用三位半数字电压表。光功率计用来测量激光器输出光功率大小，以及通过 布儒斯特定律来确定格兰汤普逊棱镜的起偏方向。中间增益调节方框内两个电 位器分别调节光路和磁路信

14、号的前置放大器放大倍数。右边激光器方框为半导体 激光器电源直流3V输出。-A.*0O 11 O0o r oKt图 10 SMOKE 光功率计后面板示意图如图10所示，为SMOKE光功率计后面板示意图，最左边方框为电源插座， 上部“磁路输入 ”将放置在磁场中的霍尔传感器输出的信号按照对应颜色接入 SMOKE 光功率计控制主机中，同样， “光路输入”将光电接收器中的输出的光信 号接入SMOKE光功率计控制主机进行前置放大。下部“磁路输出”和“光路输出” 分别用五芯航空线接入SMOKE克尔信号控制主机后面板中的“磁信号”和“光信 号”。克尔信号控制主机主要将经过前置放大的光信号和磁路信号进行放大处理

15、 并显示出来，另外内有采集卡通过串行口将扫描信号与计算机进行通讯。SMOKE 克尔信号控制主机前面板如图 11 所示，OFD-SMOE-A表西 雄充丸尔 皱应 实聆系 蛻a.e8.图 11 SMOKE 克尔信号控制主机前面板示意图图中，左边方框内三位半表显示克尔信号（切换时可以显示磁路信号），单位为“伏 特” （V），实验中应该调节放大增益使初始信号显示约1.25V左右（具体原因 见调节步骤）。中间方框上面一排，通过中间“光路磁路”两波段开关可以在左 边表中切换显示光路信号和磁路信号，同时对应左右两边“光路电平”和“磁路电 平”电位器可以调节初始光路信号和磁路信号的电平大小（实验时要求光路信号 和磁路信号都显示在 1.25V 左右）。下排中“光路幅度”电位器为光信号后级放大 增益调节。右边“光路输入”和“磁路输入”五芯航空插座与 SMOKE 克尔信号控制 主机后面板“光信号”和“磁信号” 五芯航空插座具有同样作用，平时只需接入后 面板即可。SMOKE 克尔信号控制主机后面板如图 12 所示，图 12 SMOKE 克尔信号控制主机后面板左边为220V电源插座，“光信号”和“磁信号”五芯航空插座与