得分教師簽名批改日期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 學院： 物理科學與技術學院 組號 指導教師 報告人_學號: 實驗地點： 實驗時間：_實驗報告提交時間： 實驗目的1、 測出磁性樣品的磁滯回線。2、 克爾旋轉角和磁性樣品的磁化強度的關系。二實驗原理光學原理：當一束單色線偏振光照射在磁光介質薄膜表面時，透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉角，這個轉角被稱作磁光法拉第轉角。反射光線的偏振面與入射光線的偏振面相比也有一轉角，這個轉角被叫做磁光克爾轉角，這種效應叫做磁光克爾效應。磁光克爾效應包括三種情況：極向克爾效應：磁化方向垂至于樣品表面并且平行于入射面?？v向克爾效應：磁化方向在樣品膜面內，并且平行于入射面。橫向克爾效應：磁化方向在樣品膜面內，并且垂至于入射面。工作原理：當一束線偏振光入射到不透明的樣品表面時，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發生一定角度的偏轉。如果此時樣品還處于鐵磁狀態，鐵磁性還會導致反射光偏振面相對于入射光的偏振面額外轉過一個小的角度，此角即為磁光克爾旋轉角K0，如圖1所示即橢圓長軸和參考軸之間的夾角。一般而言，由于樣品對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，反射光的橢偏率也要發生變化，而樣品的鐵磁性會導致橢偏率有一個附加的變化，這個變化稱為克爾橢偏率K￡,即橢圓長短軸之比。原理圖：激尤SS 光電探劃醬圖t表面磁光克爾效應原理圖三選用儀器三選用儀器SMOKE測量系統JtEtSlJtEtSl偏振器配置原因：兩個偏振棱鏡的設置狀態主要是為了區分正負克爾旋轉角。四實驗內容及具體步驟儀器連接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顏色的插座相連。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。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”波段開關撥至“20V”4） 接通三個控制主機的220V電源，開機預熱20分鐘。2?樣品放置本儀器可以測量磁性樣品，如鐵、鉆、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。這

樣可以實現樣品水平方向的轉動，以及實現極克爾效應和縱向克爾效應的轉換。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。光路調整1） 在入射光光路中，可以依次放置激光器、可調光闌、起偏棱鏡，調節激光器前端的小鏡頭，使打在樣品上的激光斑越小越好，并調節起偏棱鏡使其起偏方向與水平方向一致，這樣能使入射線偏振光為p光。另外通過旋轉可調光闌的轉盤，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，所以反射光光束發散角已經遠遠大于入射光束，調節小孔光闌，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，以利于后面光電轉換裝置測量到較強的信號。光電轉換裝置前部是一個可調光闌，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，將光信號轉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一湯普遜棱鏡，機械調節結構也相同。它由角度粗調結構和螺旋測角結構組成，并且兩種結構合理結合，通過轉動外轉盤，可以粗調棱鏡偏振方向，分辨率為1o，并且外轉盤可以360o轉動。當需要微調時，可以轉動轉盤側面的螺旋測微頭，這時整個轉盤帶動棱鏡轉動，實現由測微頭的線位移轉變為棱鏡轉動的角位移。因為測微頭精度為0.01mm，這樣通過外轉盤的定標，就可以實現角度的精密測量。通過檢測，這種角度測量精度可以達到2分左右，因為每個轉盤有加工誤差，所以具體轉動測量精度須通過定標測量得到。4） 實驗時，通過調節起偏棱鏡使入射光為p光，即偏振面平行于入射面。接著設置檢偏棱鏡，首先粗調轉盤，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），然后轉動螺旋測微頭，設置檢偏棱鏡偏離消光位置1o-2o（具體解釋見原理部分）。然后調節信號SMOKE光功率計控制主機上的光路增益調節電位器和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） 調節節信號SMOKE光功率計控制主機上的磁路增益調節電位器和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。實驗操作1）將SMOKE勵磁電源控制主機上的“手動一自動”轉換開關指向手動檔，調節“電流調節”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。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，然后將轉換開關調至“自動”檔。2） 打開“表面磁光克爾效應實驗軟件”在保證通訊正常的情況下，設置好“掃描周期”和“掃描次數”，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”轉換開關指向手動檔，進行手動測量，然后描點作圖。3） 如果需要檢測克爾橢偏率時，按照圖7的光路圖，在檢偏棱鏡前放置四分之一波片，并調節四分之一波片的主軸平行于入射面，調整好光路后進行自動掃描或者手動測量，這樣就可以檢測克爾橢偏率隨磁場變化的曲線。（不斷地正向或反向緩慢改變磁場，觀察磁化曲線。（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。反射光偏振面旋轉方向同向時光強增大，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分。））偏振器件配置：檢偏器在消光點対偏掘方向起偽為艸檢偏器在消光點対偏掘方向起偽為艸【注意事項】1?激光器不可以直接入射人的眼睛，以免造成傷害。2?實驗樣品為磁性薄膜，如鐵、鈷、鎳或者其合金。3?實驗時應該盡量避免外界自然光的影響，如有條件，盡量在暗室內完成，以獲得最好的實驗效果。4.因為SMOKE檢測的信號非常小，實驗應該盡量避免外界振動的影響。

五、數據處理5.1、縱向克爾效應：圖1、縱向實驗圖縱向克爾效應是指磁化方向在樣品膜面內，并且平行于入射面。因此信號的強度會隨光的入射角的減小而減少。當信號垂直入射時強度為零。當樣品被縱向磁化時，當外部磁場增強，原本不帶磁的樣品上的磁場強度也隨著增強，則接受的信號會越強。而當外部磁場消失，樣品上的磁場也不會消失，而接受的信號強度會一直保持在最大值。直到外部加上一個反向磁場時，樣品上帶的磁場才會消失，而此時的信號會減少到初始狀態。由實驗中得出，當磁性樣品的磁性增大時，會出現克爾旋轉角，從而使激光再次打入探測儀。因而出現了能量的變化。圖1為測得的信號，雖變化不明顯，但是基本上與理論相符。5.2、極向克爾效應：圖2極向實驗圖圖2極向實驗圖i.nMSusLk*池詢 圖3、極向克爾效應理想圖a4IERJ?4V柵[玨M?2Kt.KI4■.鮭1?]fI.F5l.t?0f.W極向克爾效應是指磁化方向垂至于樣品表面并且平行于入射面。極向克爾信號的變化與縱向相反，其強度隨光的入射角的減小而增大，若信號垂直入射則其強度最大。樣品上的磁場大小隨外加磁場的變化而變化。當外加磁場增大時，樣品被磁化并其磁場強度增大。而外加磁場消失樣品上的磁場也消失了。圖3為極向克爾效應的理想圖，而圖2為實驗圖。從圖2發現接受的信號強度隨著外加磁場的增大而減小，與理論相反。極向克爾信號極弱，在調整電路時除了問題，沒有找準消光點，而是光強最大點，導致在實驗中當磁性樣品的磁性增大時，會出現克爾旋轉角，信號強度反而減小。六、實驗結論本次實驗的操作較為困難，主要是調節儀器光路，不僅需嚴格的按照光路調節的步驟進行，并且還要非常的仔細，否則會造成信號的衰減。老師教我們一個小的技巧，就是拿一張白紙來判斷激光是否對準各個儀器的中心。一開始我們在調節儀器光路時很粗心，各個儀器之間沒有保持平行，而激光沒有對準儀器中心，雖然光線有透過儀器，但那個光線是由儀器內部反射出來的，結果接受的信號及其不精確。隨后從新調整了儀器光路，效果不錯，完成了縱向克爾效應，雖然不明顯。而極向克爾效應沒有完成，一個是儀器光路沒調好，沒找到消光點。另一個是機器誤差造成的。實驗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？答：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0°入射角時（垂直入射）達到最大；縱向克爾信號的強度一般隨