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1、用表面磁光克尔效应实验系统测量铁磁性薄膜的磁滞回线及计算克尔旋转角摘要 :用表面磁光克尔效应测量铁磁材料的磁滞回线 , 并求得在饱和状态下的克尔旋转角 .对于很多磁性薄膜,易磁轴方向为纵向,通常纵 向克尔效应较明显 .用自制装置可研究磁性材料表面的磁性质 ,现此实验 已在近代物理实验中应用.关键词:克尔效应;磁滞回线; 克尔旋转角1985 年,科学家对表面磁光克尔效应的研究能达到亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系统结合的特点,使得它在近些年已经发展 成为一种重要常规的研究薄膜磁学性质的技术.现今它被广泛应用于研究 表面超薄膜的磁有序、 磁性相变、 磁各向异型,以及层间耦合等多种磁 学
2、现象,同时表面磁光克尔效应在商业上还被用于高密度的磁光存储技术 研究和测量.和其他磁性测量手段相比 ,表面磁光克尔效应测量磁性材料 磁性具有很多优点,如测量灵敏度高、 非接触式测量、 测量同一样品厚 度不等的楔形磁性薄膜以及可以将待测样品放在真空中原位测量等.笔者 应用复旦天欣科教仪器公司生产的FD-SMOKE-A表面磁光克尔效应实验 系统用于研究材料表面的磁性质,取得较好的实验效果.1. SMOKE 实验原理当线偏振光入射到不透明样品表面时,如果样品是各向异性的,反射光将变成椭圆偏振光且偏振方向会发生偏转.而如果此时样品为铁磁状态,还会导致反射光偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过一小角度,
3、这个小角度称为克尔旋转角6，即椭圆长轴和参考轴间的夹角，如图1 k所示.同时，一般而言，由于样品对p偏振光和s偏振光的吸收率不同，即使样 品处于非磁状态 ,反射光的椭偏率也要发生变化 ,而铁磁性会导致椭偏率 有一附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率，即椭圆长短轴之比.k按照磁场相对入射面的配置状态不同 ，表面磁光克尔效应可以分为 3 种:a. 极向克尔效应，其磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面；b. 纵向克尔效应，其磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面；c. 横向克尔效应，其磁化方向在样品膜面内，并且垂直于入射面.对于磁性薄膜，通常纵向克尔效应较明显.待测物的极向、纵向、横向 克尔旋转角的
4、强弱由其磁易向轴的方向决定.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.激 光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光，然后从样品表面反射， 经过检偏棱镜进入探测器.检偏棱镜的偏振方向要与起偏棱镜设置成偏离 消光位置很小的角度6 （图2），这主要是为了区分正负克尔旋转角.若检偏 棱镜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.这样就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 2 个偏振方向之间有小角度6 时，通 过检偏棱镜的光线有本底光强 I .反射光偏振面旋方向和6 同向
5、时光强增0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.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.通过检偏棱镜的光强也发生变化.在一阶近似下光强的检偏器在泪光点时惊振方向起偏器的偏振万向检偏器的偏振方向图 1 表面磁光克尔效应原理图图 2 偏振器件配置方位变化和被测材料磁感应强度呈线性关系,探测器探测到光强的变化就 可以推测出样品的磁化状态和磁性参量.在图 1 的光路中,假设取入射光为 p 偏振光 ,其电场矢量 E 平行于入射面,当光线从磁化了的样品表面反射 p 时,由于克尔效应反射光中含有很小的垂直于 E 的电场分量 E s ,如图 2
6、ps所示,通常 E s E .在一阶近似下有:sp監=9压-kk通过检偏棱镜的光强为:I=|Epsin6+Escos6| 2(2)将(1)式代入(2)式得到:I=IEpl 2 |sin8+(0K+iK)cos8| 2(3)通常6较小，可取sinS 6 ,cos6 1,得到：I=IEpl2 |8+(0K+isK)| 2(4)一般情况下,6虽然很小，但6 0 ，而e和在同一数量级上，略 k kk去二阶项后，考虑到探测器测到的是(4)式实数部分，(4)式变为I=IEpl2 (8 2 +280 ) .(5)k无外加磁场下，所以有:I =IEpl2 8 2 ,0I=I 1+20 /8.0k由(7)式得在
7、样品达磁饱和状态下e为:k(7)_ 5=TkI I0T0(8)实际测量时最好测量磁滞回线中正向饱和时的克尔旋转角0+和反k向饱和时的克尔旋转角 0 ,则kI(+B )I(B ) 5r -=40AI_ 0/0(9)(9)式中,I(+B )和I(-Bs)分别是正负磁饱和状态下的光强.从式(9)可以 s看出，光强的变化 I只与0有关，而与无关.说明在图1光路 kk中探测到的克尔信号只是克尔旋转角当要测量克尔椭偏率 时,在检偏器前另加一个 1/4 波片,它可以 k产生n / 2的相位差,此时检偏器看到的是i (0 + i) = -+ i0,k k k k而不是0+ i,因此测量到的信号为克尔椭偏率 .
8、经过推导可得在磁kk饱和情况下 A 为5 I(+Bs) T 空)5 a - 4I =兀(10)002 实验装置实验装置(如图 3)有以下 6 部分组成: (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） 控制系统和计算机图 3 克尔实验系统图3 实验内容及实验操作1）.按光学实验的常规要求调整好光路,然后将
9、入射线偏振 光 p 光，即偏振光平行于入射面。调节可调光阑的转盘，使入射 光斑直径最小。2）接着设置检偏棱镜，首先粗调转盘，使反射光与入射光正 交这时光电检测测信号最小（在信号检测主机上电压表可以读 出），然后转动螺旋测微头，设置检偏棱镜偏离消光位置 10,然 后调节信号 SMOKE 光功率计控制主机上的光路增益调节电位 器和 SMOKE 克尔信号控制主机上“光路电平”以及“光路幅度”， 使输出信号幅度在 1.25V。3）调节信号 SMOKE 光功率控制主机上的磁路增益调节电位器和 SMOKE 克尔控制主机上“磁路电平”电位器，使磁路信 号大小为 1.25V。4）将 SMOKE 励磁电源控制主
10、机上的“手动-自动”转换开 关指向手动挡调节“电流调节”电位器，选择合适的最大扫描电 流。然后将转换开关调至“自动”档。5）打开“表面磁光克尔效应实验软件”，在保证通讯正常的情况下，设置好“扫描周期”和“扫描次数”， 进行磁滞回线的自动扫描。6）在检偏棱镜前放置一 1/4 波片，再 一次重复以上步骤5 实验结果1）利用该系测出铁合金膜样品在纵向克尔模 （图 4）式下的磁滞回线见图 4.表 1 是实验数据记录,求出克尔旋转角n123456平均值标准偏差I(+Bs )/ V2.262.272.272.282.272.282.27170.0075I(-Bs )/ V0.560.560.570.580
11、.580.580.57170.0098I =(1.41 0.0075)V，aI=(1.700.0075)v,实验时取 =10. 0 /该 0铁合金薄膜的克尔旋转角e =3.014。k（2）在加入 1/4 波片后测出的实验数据为I (+Bs ) / VI (-BS )/ V1 n / V/()A 1.940.421.41102.69506 结束语将表面磁光克尔效应实验技术引入近代物理实验,可使学生 了解了前辈科学家是如何利用磁光克尔效应测量磁性薄膜磁滞 回线和磁参量的,认识到了 SMOKE 实验方法的先进性,特别是该 实验能联系真空塗膜技术、磁光测量技术和纳米磁光薄膜参量的 测量,可使学生在近代物理实验中领悟和学习前沿学科的尖端技 术,这将激发学生学习的积极性,有利于教学内容与现代科研中纳 米磁光薄膜测量技术相接轨,为学生提供更多创新能力培养的题 材.因此 SMOKE 实验非常适合引入到近代物理实验中,成为一个 与现代科学相结合的研究性实验.参考文献1 赵凯华.新概念物理教程光学M.北京:高等教育出版社,2004 :11.2廖延彪.偏转光学M.北京:科学出版社,2005 :7. 3朱伟荣,董国胜.一种测量薄膜磁性的表面磁光克尔效应装置J .真空科学与技术,1997 ,4 (17) :2432246.
用表面磁光克尔效应实验系统测量铁磁性薄膜的磁滞回线
