1、得分教師簽名批改日期課程編號 題目類型 深 圳 大 學 實 驗 報 告課程名稱： 近代物理實驗 實驗名稱： 表面磁光克爾效應(yīng)實驗 學院： 組號 指導(dǎo)教師： 報告人： 學號： 實驗地點 實驗時間： 實驗報告提交時間： 一、實驗設(shè)計方案1.1、 實驗?zāi)康模?）了解表面磁光克爾效應(yīng)的原理和實驗方法；  (2)掌握表面磁光克爾效應(yīng)譜的測量和應(yīng)用。1.2、實驗原理磁光效應(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)鐵磁體對反射光的偏振狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，這就是克爾

2、效應(yīng)。克爾效應(yīng)在表面磁學中的應(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)對于從其表面反射的光的偏振狀態(tài)的影響。當入射光為線偏振光時，樣品的磁性會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)作為一種探測薄膜磁性的技術(shù)始于 1985 年。 如圖 1 所示，當一束線偏振光入射到樣品表面上時，如果樣品是各向異性的，那么反射光的偏振方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果此時樣 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，還會導(dǎo)致反射光的偏振面相對于入射光的偏振面額外再轉(zhuǎn)過了一個小的角度，這

3、個小角度稱為克爾旋轉(zhuǎn)角k 。同時，一般而言，由于樣品對 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， 而鐵磁性會導(dǎo)致橢偏率有一個附加的變化，這個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都是磁化強度 M 的函數(shù)。通過探測 k 或k 的變化可以推測出磁化強度M 的變化。 按照磁場相對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，極向克爾信號的強度隨光的入射角的減小而增大，在 0o 入射角時（垂直入射）達到最大。 圖 2 極

4、向克爾效應(yīng)2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。縱向克爾信號的強度一般隨光的入射角的減小而減小，在 入射角時為零。通常情況下，縱向克爾信號中無論是克爾旋轉(zhuǎn)角還是克爾橢偏率都要比極向克爾信號小一個數(shù)量級。 圖 3 縱向克爾效應(yīng)正是這個原因縱向克爾效應(yīng)的探測遠比極向克爾效應(yīng)來得困難。但對于很多薄膜樣品來說，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度才容易達到飽和。因此，縱向克爾效應(yīng)對于薄膜樣品的磁性研究來說是十分重要的。 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)沒有變化。這是因

5、為在這種配置下光電場與磁化強度矢積的方向永遠沒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)射一激光束通過偏振棱鏡 1 后變成線偏振光，然后從樣品表面反射，經(jīng)過偏振棱鏡 2 進入探測器。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很小的角度，如圖 6 所示。樣品放置在磁場中，當外加磁場改變樣品磁化

6、強度時，反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生改變。通過偏振棱鏡 2 的光強也發(fā)生變化。在一階近似下光強的變化和磁化強度呈線性關(guān)系，探測器探測到這個光強的變化就可以推測出樣品的磁化狀態(tài)。 兩個偏振棱鏡的設(shè)置狀態(tài)主要是為了區(qū)分正負克爾旋轉(zhuǎn)角。若兩個偏振方向設(shè)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(zhuǎn)，反映在光強的變化上都是強度增大。這樣無法區(qū)分偏振面的正負旋轉(zhuǎn)方向， 也就無法判斷樣品的磁化方向。當兩個偏振方向之間有一個小角度 時，通過偏振棱鏡2 的光線有一個本底光強I 0 。 反射光偏 圖 6 偏振器件配置振面旋轉(zhuǎn)方向和 同向時光強增大，反向時光強減小，這樣 品的磁化方向可以通過樣光強的變化來區(qū)分。在圖

7、 2 的光路中，假設(shè)取入射光為 p 偏振（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(yīng)，反射光中含有一個很小的垂直于Ep的電場分量 ， 通常 Es<< Ep。在一階近似下有：EsEp=k+ik (1)通過棱鏡 2 的光強為：I=Ep sin+ Es cos2 (2)將（1）式代入（2）式得到：I = E p 2sin+(k + ik )cos2 （3）因為 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）無外加磁場下：I 0 = Ep22 （6）所以有：I

8、 = I 0 (1+ 2k / ) （7）于是在飽和狀態(tài)下的克爾旋轉(zhuǎn)角k 為： （8） I(+M S ) 和 分別是正負飽和狀態(tài)下的光強。從式（8）可以看出，光強的變化只與克爾旋轉(zhuǎn)角I(M S ) k 有關(guān)，而與 k 無關(guān)。說明在圖 5 這種光路中探測到的克爾信號只是克爾旋轉(zhuǎn)角。 在超高真空原位測量中，激光在入射到樣品之前，和經(jīng)樣品反射之后都需要經(jīng)過一個視窗。但是視窗的存在產(chǎn)生了雙折射，這樣就增加了測量系統(tǒng)的本底，降低了測量靈敏度。為了消除視窗的影響，降低本底和提高探測靈敏度，需要在檢偏器之前加一個 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 所示此時在

9、一階近似下有：通過棱鏡 2 的光強為：因為 很小，所以可以取sin = ， cos = 1，得到： 因為角度 取值較小，并且 ，所以： (9)在飽和情況下 k 為： (10)此時光強變化對克爾橢偏率敏感而對克爾旋轉(zhuǎn)角不敏感。因此，如果要想在大氣中探測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四分之一波片。如圖7所示。         如圖5所示，整個系統(tǒng)由一臺計算機實現(xiàn)自動控制。根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，計算機經(jīng)D/A卡控制磁場電源和繼電器進行磁場掃描。光強變 圖7 SMOKE

10、0;系統(tǒng)測量橢偏率的光路圖化的數(shù)據(jù)由A/D卡采集，經(jīng)運算后作圖顯示，從屏幕上直接看到磁滯回線的掃描過程，如圖8所示。    表面磁光克爾效應(yīng)具有極高的探測靈敏度。目前表面磁光克爾效應(yīng)的探測靈敏度可以達到104度的量級。這是一般常規(guī)的磁光克爾效應(yīng)的測量所不能達到的。因此表面磁光克爾效應(yīng)具有測量單原子層、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)的測量結(jié)果是克爾旋轉(zhuǎn)角或者克爾橢偏率，并非直接測量磁性樣品的磁化強度。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度成正比。所以，只需要

11、用振動樣品磁強計（VSM）等直接測量磁性樣品的磁化強度的儀器對樣品 圖8 表面磁光克爾效應(yīng)實驗掃描圖樣進行一次定標，即能獲得磁性樣品的磁化強度。另外，表面磁光克爾效應(yīng)實際上測量的是磁性樣品的磁滯回線，因此可以獲得矯頑力、磁各向異性等方面的信息。1.3 實驗內(nèi)容1儀器連接1) 將SMOKE光功率計控制主機前面板上激光器“DC3V”輸出通過音頻線與半導(dǎo)體激光器相連，將光電接收器與SMOKE光功率計控制主機后面板的“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、黑三色標志插頭與對應(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

12、端與SMOKE光功率計控制主機后面板“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克爾信號控制主機后面板的“磁信號”和“光信號”輸入端相連。2) 將SMOKE克爾信號控制主機后面板上“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) 接通三個控制主機

13、的220V電源，開機預(yù)熱20分鐘。2樣品放置本儀器可以測量磁性樣品，如鐵、鈷、鎳及其合金。實驗時將樣品做成長條狀，即易磁軸與長邊方向一致。將實驗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)。這樣可以實現(xiàn)樣品水平方向的轉(zhuǎn)動，以及實現(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手柄，當放置好樣品時，可以旋緊螺絲。這樣可以固定樣品架，防止加磁場時，樣品位置有輕微的變化，影響克爾信號的檢測。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

14、一致（儀器起偏棱鏡方向出廠前已經(jīng)校準，參考上面標注角度），這樣能使入射線偏振光為p光。另外通過旋轉(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、雙凸透鏡和光電檢測裝置。因為樣品表面平整度的影響，所以反射光光束發(fā)散角已經(jīng)遠遠大于入射光束，調(diào)節(jié)小孔光闌，使反射光能夠順利進入檢偏棱鏡。在檢偏棱鏡后，放置一個長焦距雙凸透鏡，該透鏡作用是使檢偏棱鏡出來的光匯聚，以利于后面光電轉(zhuǎn)換裝置測量到較強的信號。光電轉(zhuǎn)換裝置前部是一個可調(diào)光闌，光闌后裝有一個波長為650nm的干涉濾色片。這樣可以減小外界雜散光的影響，從而提高檢測靈敏度。濾色片后有硅光電池，

15、將光信號轉(zhuǎn)換成電信號并通過屏蔽線送入控制主機中。3）起偏棱鏡和檢偏棱鏡同為格蘭湯普遜棱鏡，機械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)也相同。它由角度粗調(diào)結(jié)構(gòu)和螺旋測角結(jié)構(gòu)組成，并且兩種結(jié)構(gòu)合理結(jié)合，通過轉(zhuǎn)動外轉(zhuǎn)盤，可以粗調(diào)棱鏡偏振方向，分辨率為1o，并且外轉(zhuǎn)盤可以360 o轉(zhuǎn)動。當需要微調(diào)時，可以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤側(cè)面的螺旋測微頭，這時整個轉(zhuǎn)盤帶動棱鏡轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)由測微頭的線位移轉(zhuǎn)變?yōu)槔忡R轉(zhuǎn)動的角位移。因為測微頭精度為0.01mm，這樣通過外轉(zhuǎn)盤的定標，就可以實現(xiàn)角度的精密測量。通過檢測，這種角度測量精度可以達到2分左右，因為每個轉(zhuǎn)盤有加工誤差，所以具體轉(zhuǎn)動測量精度須通過定標測量得到。4）實驗時，通過調(diào)節(jié)起偏棱鏡使入射光為p光，即偏振

16、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，這時光電檢測信號最小（在信號檢測主機上電壓表可以讀出），然后轉(zhuǎn)動螺旋測微頭，設(shè)置檢偏棱鏡偏離消光位置1 o2o（具體解釋見原理部分）。然后調(diào)節(jié)信號SMOKE光功率計控制主機上的光路增益調(diào)節(jié)電位器和SMOKE克爾信號控制主機上“光路電平”以及“光路幅度”電位器，使輸出信號幅度在1.25V左右。5）調(diào)節(jié)節(jié)信號SMOKE光功率計控制主機上的磁路增益調(diào)節(jié)電位器和SMOKE克爾信號控制主機上“磁路電平”電位器，使磁路信號大小為1.25V左右。這樣做是因為采集卡的采集信號范圍是02.5V，光路信號和磁路信號都調(diào)節(jié)在1.25V左右，軟件顯示正好處于介面中間。3實驗操作1）將SMOKE勵磁電源控制主機上的“手動自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)指向手動檔，調(diào)節(jié)“電流調(diào)節(jié)”電位器，選擇合適的最大掃描電流。因為每種樣品的矯頑力不同，所以最大掃描電流也不同，實驗時可以首先大致選擇，觀察掃描波形，然后再細調(diào)。通過觀察勵磁電源主機上的電流指示，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”檔。2）打開“表面磁光克爾效應(yīng)實驗軟件”，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)”，進行磁滯回線的自動掃描。也可以將勵磁電源主機上的“手動自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)指向手動檔，進行手動測量，然后描點作圖。3）如果需要