软铁薄膜表面磁光克尔效应实验

软铁薄膜表面磁光克尔效应实验

1磁光摩尔效应测量1876年，约翰基罗尔首次发现，当研磨过的电磁铁磁极反射时，反射光的偏振面发生了变化，并发现了磁极电子效应（sm，sd，er）。1985年，中国科学院科学研究研究所杨先称、金汝良发表了一篇关于“磁光效应对（sm，sd，er）co5磁块结构的研究”。该文章报道了角析显微镜下显示的磁块结构。j.m.r.伟伟。1999年，j.p.andrehs，j.collingo等人成功地将电磁干燥法应用于西班牙卡斯蒂亚大学的j.m.r伟宁奥、j.p.andrehs和j.collingo等人的应用。表面磁光克尔效应(surfacemagneto-opticKerreffect)方法之磁性解析灵敏度达一原子层厚度,且仪器配置适合于超高真空系统之工作,因而成为表面磁学的重要研究方法.复旦大学物理系在磁光克尔效应研究方面也做了不少工作,取得可喜成果,如钱栋梁,陈良尧,郑卫民等详细给出了一种完整测量克尔和法拉第旋转角的仪器,以及在1.5～6.0eV的光子能量范围内,准确地测量克尔和法拉第效应的绝对值.作为实验测量的例子,给出了MnBiAl合金薄膜样品和GaP块状样品的克尔和法拉第效应的光谱等.材料表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层不同材料膜磁性,是当今凝聚态物理领域中的较为重要的研究热点.表面磁光克尔效应实验系统是表面磁性研究中的一种重要手段,它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用.本文的SMOKE新型测量系统,采用先进的CCD成像数码技术,计算机图像处理技术以及可视化嵌入式编程使操作和维护画面更加方便、直观和先进.在光学方面将采用优质起偏振片和检偏振片,高分辨率偏光显微镜,使相邻的材料中的磁畴分辨的更加清晰.2smol效应的测量当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时,部分光线将发生透射,透射光线的偏振面与入射光的偏振面相比有一转角,这个转角称为磁光法拉第转角(θF).而反射光线的偏振面与入射光的偏振面相比也有一转角,这个转角称为磁光克尔转角(θK),前一种效应称为磁光法拉第效应,而后者被称为磁光克尔效应.磁光克尔效应包括三种情况:(1)纵向克尔效应,即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应;(2)极向克尔效应,即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应;(3)横向克尔效应,即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应(如图1所示).如图2所示,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个小的角度,这个小角度称为克尔旋转角θK,即椭圆长轴和参考轴间的夹角,且铁磁材料磁感应强度B越大,反射光的克尔转角越大,铁磁材料磁感应强度B与反射光的克尔转角θK成正比.线偏振光经样品表面反射成为椭圆偏振光,椭圆长短轴之比称为反射光的椭偏率.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,铁磁性会导致反射光椭偏率有一附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率εK.克尔效应观察磁畴结构的优点:(1)它不受温度的限制,可以在各种温度下观察磁畴结构.(2)有些材料的畴壁较厚,畴与畴壁间的界限不明显,表面散磁场很小,粉纹不易集中.对于这种情况,磁光效应法是一种有效的方法.(3)磁光效应法可用于观察磁畴的动态变化.如配以高速摄影装置,可以显示出数量级为1微秒的磁化及反磁化过程.这种方法的主要困难在于相邻磁畴上反射的光,偏振面相差很小(一般为5′,最大为20′左右),亮暗区差别不明显,这就要求采用高质量的起偏器和检偏器.SMOKE系统所用的光源是半导体激光器,激光束通过起偏棱镜后变成线偏振光,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成偏离消光位置一个很小的角度δ.不设成完全消光位置而设成近似消光位置是为了区分正负克尔旋转角.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.而在近似消光位置,通过检偏棱镜的光线有一个本底光强I0.反射光偏振面旋转方向和δ同向时光强增大,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.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,根据探测器探测到这个光强的变化就可以推测出样品的磁化状态.在入射光路和接收光路中分别加入了可调光阑以过滤激光束通过光学元件时所产生的散射光,减少杂信号.在图2的光路中,假设取入射光为p偏振光,其电场矢量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,如图2所示,得在样品达磁饱和状态下克尔旋转角θK为θK=δ2I−I0I0θΚ=δ2Ι-Ι0Ι0(1)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θ+K和反向饱和时的克尔旋转θ-K,那么θK=1/2(θ+K−θ−K)=δ4I(+Ms)−I(−Ms)I0=δ4ΔII0θΚ=1/2(θΚ+-θΚ-)=δ4Ι(+Μs)-Ι(-Μs)Ι0=δ4ΔΙΙ0(2)式(2)中,I(+MS)和I(-MS)分别是正负磁饱和状态下的光强.当要测量克尔椭偏率εK时,只要在检偏器前放置一个四分之一波片,它可以产生π/2的相位差,所以检偏器看到i(θK+iεK)=-εK+iθK,而不是θK+iεK,因此测量到的信号为克尔椭偏率.经过推导可得在饱和情况下εK为:εK=δ4I(−Ms)−I(+Ms)I0=−δ4ΔII0εΚ=δ4Ι(-Μs)-Ι(+Μs)Ι0=-δ4ΔΙΙ0(8)3实验装置与光电检测技术图3表示了本测量系统的实验原理图:白色光源经起偏器起偏变为线偏振光入射于样品表面,反射光经滤色片和检偏器检偏后通过CCD将信号传输到通信接口单元,再由接口单元转换并存贮于计算机.实验装置由以下4部分组成:采用标准实验台,台面采用铝合金氧化的光学平板,中间装有减震海绵.光学元件通过底座于台面可以自由固定.光电检测装置由孔状可调光阑和干涉滤色片组成.用优质起偏振片和检偏振片,高分辨率偏光显微镜,使相邻的材料中的磁畴能分辨的更加清晰.测微头分度值为0.01mm.磁铁线圈电源手动控制铁芯间隙磁场大小.磁场转换开关选择初始扫描时的磁场方向.采用先进的CCD成像数码技术,计算机图像处理技术以及可视化嵌入式编程使操作和维护画面更加方便,直观和先进.用到灰度处理,边缘检测,噪声滤除和直方图法等等先进的图像处理手段.4消光角和发光角的关系(1)计算克尔转角.配合ATM-4自动磁化测试仪,用霍尔传感器探测电磁铁两磁极之间的磁感应强度,以反射光强I的变化来推算克尔旋转角或克尔椭偏率的变化.对一般的铁磁性材料,克尔转角θK和椭偏率εk又正比于材料被磁化时的磁感应强度B,所以可以通过测量光强的变化,得到磁感应强度B的相对值.虽然实验测得的是I-H关系曲线,但曲线形状与B-H曲线是一致的,只须用已知B-H曲线样品对坐标轴标定,就可以准确得到B-H曲线.本文应用自制的仪器测量了软铁薄膜在不同的励磁电流下,消光角和克尔转角的关系.图5中,可以看出随着消光角从18.0′增大到32.4′,克尔转角逐渐减小;同时随着励磁电流从0.26A增加到0.66A,克尔旋转角逐渐增大.(2)配合ATM-4自动磁化测试仪测试,测得软铁薄膜样品于光滑陶瓷样品表面的磁滞回线与软铁薄膜样品的磁滞回线.从图6可以看出光滑的陶瓷表面的磁滞回线几乎为一条直线,因此可以看出本仪器的输出功率非常稳定,光学减震效果非常明显,实验数据的采集环境干扰完全可以忽略.图7表示克尔信号从1.4V变到1.6V时,软铁薄膜的磁感应强度达到饱和.从图7曲线上仔细分析可得软铁薄膜的剩余磁化强度、矫顽力、最大磁化率等.(3)表面磁光克尔效应还可以观察铁磁体的磁畴结构变化.在不同的磁场下,拍摄样品的偏光显微图片,然后对图片进行灰度处理和采用Canny边缘检测方法,对在偏光显微镜下所拍摄的图片进行图像处理,先后得到多种样品的磁畴结构.由处理图片白色区域与黑色区域的变化,反映磁畴结构的变化.受篇幅所限,此内容将在别刊详细阐述.5磁光发展性分析采用先进的CCD成像数码技术,计算机图像处理技术以及可视化嵌入