在一阶近似下有:
Es/Ep=θk+iεk
(1)
通过棱镜2的光强为:
I=∣Epsinδ+Escosδ∣2
(2)
将
(1)式代入
(2)式得到:
I=∣Ep∣2∣sinδ+(θk+iεk)cosδ∣2(3)
因为δ很小,所以可以取sinδ=δ,cosδ=1,得到:
I=∣Ep∣2∣δ+(θk+iεk)∣2(4)
整理得到:
I=∣Ep∣2(δ2+2δθk)(5)
无外加磁场下:
I0=∣Ep∣2δ2(6)
所以有:
I=I0(1+2θk/δ)(7)
于是在饱和状态下的克尔旋转角θk为:
(8)
I(+MS)和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I(−MS)θk有关,而与εk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:
通过棱镜2的光强为:
因为δ很小,所以可以取sinδ=δ,cosδ=1,得到:
因为角度δ取值较小,并且
,所以:
(9)
在饱和情况下∆εk为:
(10)
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。
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进行磁场扫描。
光强变图7 SMOKE 系统测量椭偏率的光路图
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8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10-4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)等直接测量磁性样品的磁化强度的仪器对样品图8表面磁光克尔效应实验扫描图样
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,因此可以获得矫顽力、磁各向异性等方面的信息。
1.3实验内容
1.仪器连接
1)将SMOKE光功率计控制主机前面板上激光器“DC3V”输出通过音频线与半导体激光器相连,将光电接收器与SMOKE光功率计控制主机后面板的“光路输入”相连,注意连接线一端为三通道音频插头接光电接收器,另外一端为绿、黄、黑三色标志插头与对应颜色的插座相连。
将霍尔传感器探头一段固定在电磁铁支撑架上(注意霍尔传感器的方向),另外一端与SMOKE光功率计控制主机后面板“磁路输入”相连,注意“磁路输入”也有四种颜色区分不同接线柱,对应接入即可。
将“磁路输出”和“光路输出”分别用五芯航空线与SMOKE克尔信号控制主机后面板的“磁信号”和“光信号”输入端相连。
2)将SMOKE克尔信号控制主机后面板上“控制输出”和“换向输出”分别与SMOKE磁铁电源控制主机后面板上“控制输入”和“换向输入”用五芯航空线相连。
用九芯串口线将“串口输出”与电脑上串口输入插座相连。
3)将SMOKE磁铁电源控制主机后面板上的电流输出与电磁铁相连,“20V40V”波段开关拨至“20V”(只有在需要大电流情况下才拨至“40V”)。
4)接通三个控制主机的220V电源,开机预热20分钟。
2.样品放置
本仪器可以测量磁性样品,如铁、钴、镍及其合金。
实验时将样品做成长条状,即易磁轴与长边方向一致。
将实验样品用双面胶固定在样品架上,并把样品架安放在磁铁固定架中心的孔内。
这样可以实现样品水平方向的转动,以及实现极克尔效应和纵向克尔效应的转换。
在磁铁固定架的一端有一个手柄,当放置好样品时,可以旋紧螺丝。
这样可以固定样品架,防止加磁场时,样品位置有轻微的变化,影响克尔信号的检测。
3.光路调整
1)在入射光光路中,可以依次放置激光器、可调光阑、起偏棱镜(格兰-汤普逊棱镜),调节激光器前端的小镜头,使打在样品上的激光斑越小越好,并调节起偏棱镜使其起偏方向与水平方向一致(仪器起偏棱镜方向出厂前已经校准,参考上面标注角度),这样能使入射线偏振光为p光。
另外通过旋转可调光阑的转盘,使入射激光斑直径最小。
2)在反射接收光路中,可以依次放置可调光阑、检偏棱镜、双凸透镜和光电检测装置。
因为样品表面平整度的影响,所以反射光光束发散角已经远远大于入射光束,调节小孔光阑,使反射光能够顺利进入检偏棱镜。
在检偏棱镜后,放置一个长焦距双凸透镜,该透镜作用是使检偏棱镜出来的光汇聚,以利于后面光电转换装置测量到较强的信号。
光电转换装置前部是一个可调光阑,光阑后装有一个波长为650nm的干涉滤色片。
这样可以减小外界杂散光的影响,从而提高检测灵敏度。
滤色片后有硅光电池,将光信号转换成电信号并通过屏蔽线送入控制主机中。
3)起偏棱镜和检偏棱镜同为格兰-汤普逊棱镜,机械调节结构也相同。
它由角度粗调结构和螺旋测角结构组成,并且两种结构合理结合,通过转动外转盘,可以粗调棱镜偏振方向,分辨率为1o,并且外转盘可以360o转动。
当需要微调时,可以转动转盘侧面的螺旋测微头,这时整个转盘带动棱镜转动,实现由测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。
因为测微头精度为0.01mm,这样通过外转盘的定标,就可以实现角度的精密测量。
通过检测,这种角度测量精度可以达到2分左右,因为每个转盘有加工误差,所以具体转动测量精度须通过定标测量得到。
4)实验时,通过调节起偏棱镜使入射光为p光,即偏振面平行于入射面。
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1o-2o(具体解释见原理部分)。
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”电位器,使输出信号幅度在1.25V左右。
5)调节节信号SMOKE光功率计控制主机上的磁路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上“磁路电平”电位器,使磁路信号大小为1.25V左右。
这样做是因为采集卡的采集信号范围是0-2.5V,光路信号和磁路信号都调节在1.25V左右,软件显示正好处于介面中间。
3.实验操作
1)将SMOKE励磁电源控制主机上的“手动-自动”转换开关指向手动档,调节“电流调节”电位器,选择合适的最大扫描电流。
因为每种样品的矫顽力不同,所以最大扫描电流也不同,实验时可以首先大致选择,观察扫描波形,然后再细调。
通过观察励磁电源主机上的电流指示,选择好合适的最大扫描电流,然后将转换开关调至“自动”档。
2)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。
也可以将励磁电源主机上的“手动-自动”转换开关指向手动档,进行手动测量,然后描点作图。
3)如果需要检测克尔椭偏率时,按照图7的光路图,在检偏棱镜前放置四分之一波片,并调节四分之一波片的主轴平行于入射面,调整好光路后进行自动扫描或者手动测量,这样就可以检测克尔椭偏率随磁场变化的曲线。
二、实验仪器
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、光学实验平台以及
电脑组成。
如图9所示。
图9表面磁光克尔效应实验系统实验装置
三、数据记录及数据处理
四结果陈述与实验总结
4.1结果陈述
4.2实验总结
指导教师批阅意见:
实验设计方案
(40分)
实验过程与数据记录
(30分)
数据处理与结果陈述
(30分)
总分
成绩评定: