磁光克尔效应

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表面磁光克尔效应作为表面磁学的重要实验手段,已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究。磁光克尔法是测量材料特性特别是薄膜材料物性的一种有效方法。本文较详细的介绍了磁光克尔效应的原理,测量方法以及磁光克尔法的实验装置,也介绍了实验装置中的仪器的特点。最后较为详细的介绍了磁光克尔法测量NiMn多层薄膜的磁滞回线的实验结果可以看出NiMn多层薄膜有明显的磁滞行为,反应了NiMn多层薄膜的铁磁特性。
中文名
磁光克尔效应
外文名
Magneto-optical Kerr effect
简    称
MOKE

磁光克尔效应简介

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在1845年,Michael Faraday首先发现了磁光效应,他发现当外加磁场加在玻璃样品上时,透射光的偏振面将发生旋转的效应,随后他在外加磁场之金属 表面上做光反射的实验,但由于他所谓的表面并不够平整,因而实验结果不 能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振化光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时,发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader两位学者进行铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验,成功地得到一原子层厚度磁性物质之磁滞回线,并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的缩写)来作为表面磁光克尔效应,用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法致磁性解析灵敏度达一原子层厚度,且仪器配置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。 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。应用该系统可以自动扫描磁性样品的磁滞回线,从而获 得薄膜样品矫顽力、磁各异性等方面的信息。
表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect,缩写为SMOKE)作为表面磁学的重要实验手段,已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究.自1985年代以来相继出现了多种SMOKE实验方案.由于SMOKE要求能够达到单原子层磁性检测的灵敏度,因此对于光源和检测手段提出了很高的要求.目前国际上比较常见的是用输出功率很稳定的偏振激光器.如Bader等人采用的高稳定度偏振激光器,其稳定度小于0.1。也有用Wollaston棱镜分光的方法,降低对激光功率稳定度的要求.Chappert等人的方案是将从样品出射的光经过Wollaston棱镜分为I和P偏振光,再经过测量它们的比值来消除光强不稳定造成的影响.但这种方法的背景信号非常大,对探测器以及后级放大器的要求很高.也有人采用普通的氦氖激光器在起偏器后加分光镜,将信号分为信号光束和参考光束,通过测量二者的比值来消除由于激光器光强和偏振面不稳定造成的影响.本文给出的SMOKE新型测量系统,采用更为普通的半导体激光器作光源,用常见硅光电池进行克尔信号的采集,同样成功地得到了磁滞回线,且整个系统有较高的检测灵敏度。因此,它是一种普适方案,在一些科研机构和大学近代物理实验室使用后,均取得了良好的实验效果。
磁光信息存储是近年发展起来的新技术,是对传统信息存储技术的革新。开发更多、性能更加优越,而且实用的磁光介质材料是当前信息存储领域的一项重要的任务。测量磁光介质的克尔转角则是研究这些材料的基本手段和方法。对于非开发人员来讲,测量磁光克尔转角的实验一方面能够提高进行物理综合实验的能力,另一方面对信息存储的新技术将有更加深刻的理解,能启发他们利用物理原理在信息存储技术等领域提出新的设想,做出新的贡献。

磁光克尔效应光学中的磁光克尔效应

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磁光克尔效应磁光克尔效应

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,这个转角被叫做磁光法拉第转角(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,这个转角被叫做磁光克尔转角(θk),这种效应叫做磁光克尔效应.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1-1所示).
纵向克尔效应 极向克尔效应 横向克尔效应
图1-1 三种磁光克尔效应
对于已经写入了信息的磁光介质,要读出所写的信息则需要利用磁光克尔效应来进行.具体方法是:将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面上的某点,通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的“0”或“1”。例如,被照射的点为正向磁化,则在该点的反射光磁光克尔转角应为+θk,见图1-2,相反被照射的点为反向磁化,则在该点的反射光磁光克尔转角应为-θk。因此,如果偏振分析器的轴向恰好调整为与垂直于记录介质的平面成θk夹角,那么在介质上反向磁化点的反射光线将不能通过偏振分析器,而在介质的正向磁化处,反射光则可以通过偏振分析器。这表明反射光的偏振面旋转了2θk的角度.这样,如果我们在经过磁光介质表面反射的光线后方,在通过偏振分析器后的光路上安放一光电检测装置(例如光电倍增管),就可以很方便地辨认出反射点是正向磁化还是反向磁化,也就是完成了“0”和“1”的辨认.可见,磁光克尔转角在磁光信息读出时扮演着十分重要的角色.如果把磁光介质附着在可旋转的圆盘表面,就构成了磁光盘.磁光盘旋转时,如果同时有单色偏振光聚焦在磁光盘表面,就可实现光线的逐点扫描,即信息被连续读出。
图 1-2 线偏振光经磁光介质薄膜反射时偏振面发生旋转.

磁光克尔效应磁光克尔转角的测量方法

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磁光克尔效应磁光克尔转角的测量装置

在实际测量时,通常采用He—Ne激光作为光源,波长λ=632.8 nin.磁光介质样品安放在电磁铁建立的磁场之中,磁场的磁感应强度为4 000 Gs左右.在此条件下,通过偏振分析器可顺利地分析出磁光克尔转角θk的大小,见图2-1.由于测量时光信号十分微弱,采用锁相放大器可大大提高测量的精确度。
图 2-1 磁光克尔转角的测量装置

磁光克尔效应磁光介质材料及其θk的大小

随着磁光信息存储技术的发展,目前已经开发出多种磁光介质材料.在这些材料中比较优秀的有:非晶态稀土一过渡金属合金材料(例如Fe-co)、非晶态锰铋铝硅(MnBiA1Si)合金材料和非晶态锰铋稀土(MnBiRE)合金材料等。这些材料通常是采用真空蒸镀、磁控溅射等方法将合金材料沉积于玻璃基底上,磁光薄膜的厚度一般在几百纳米左右。为了提高材料的磁光性能,采取多层膜技术十分有效.磁光克尔转角一般并不大,以铽铁钴(1bFeco)合金薄膜材料为例,在室温下其磁光克尔转角仅为0.3L右。MnBiA1Si的磁光克尔转角可达2.04。如果仅考虑磁光克尔转角的大小,采用简单工艺制备的MnBi合金薄膜的磁光克尔转角达到1.6。左右并不困难.当然,在实际制造磁光盘时,除了考虑磁光克尔转角这一性能外,还需要综合考虑其他性能.目前市场上做成磁光盘产品的磁光介质以铽铁钴(1bFeco)合金薄膜材料为主。

磁光克尔效应影响磁光克尔转角的因素

磁光介质的θk受多种因素的影响。首先是温度,通常情况下,随着温度的升高θk将减小;其次,θk与成分的配比有很大的关系,例如,同样是MnBiRE薄膜,在制备时,RE(稀土)元素含量增加将可能使θk减小;再次,与入射光的波长有密切的关系。如果在测量时采用单色仪,就可以根据需要对磁光材料样品入射不同波长的单色光,从而测得θk与波长的关系曲线,这一曲线被称为磁光谱。在入射光的波长达到某一数值时,θk有一峰值。例如对MnBiRE 薄膜材料而言,θk的峰值出现在波长700Bin附近;第四,与制备的工艺有直接关系,比如退火的程序、时间、环境等都能对θk产生一定的影响。近些年,人们倾向于采用波长更短的光(例如蓝色激光)作为光源来进行磁光信息存储,原因是波长短的光其光子具有更高的能量。[2-6]  [7] 

磁光克尔效应实验

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磁光克尔效应实验原理

如图3-1所示,当一束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,而如果此时样品还处于铁磁状态,铁磁性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。同时,一般而言,由于样品对P偏振光(电场矢量Ep平行于入射面)和s偏振光(电场矢量Ep垂直于入射面)的吸收率是不一样的,即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而T铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率εk,即椭圆长短轴之比。
图 3-1 SMOKE原理图
SMOKE系统图如图3-2所示。所用的光源是普通的国产半导体激光器,工作电压为3 V,输出功率为1.5 mw。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I。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。
图3-2 SMOKE系统
在图3-1的光路中,假设取入射光为P偏振(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Ep的电场分量ES,通常ES<<Ep。在一阶近似下有:ES/Ep = k +iεk此时通过检偏棱镜的光强为:
……………………(3-1)
通常 较小,所以可以取Sin ≈ ,Cos ≈ 1,得到:
…………………………………………………………(3-2)
一般情况下,δ>> k,而 k和εk在一个数量级上,消去二阶项后式(3-2)变为:
...............................................................(3-3)
其中 为无外加磁场时的光强。
式(3-3)移项得在样品达磁饱和状态下克尔旋转角θk为:
………………………………………………………. ..………(3-4)
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θk和反向饱和时的克尔旋转角θk,那么
……………………… (3-5)
式(3-5)中,I(+MS)I(-MS)分别是正负磁饱和状态下的光强。从式(3-5)可以看出,光强的变化ΔI只与克尔旋转角θk有关,而与εk无关.说明在图1这种光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角。由于θk近似正比于磁化强度M,所以可通过对光强的测量,得到磁化强度的相对值。于是,通过改变外加磁场,即得到磁滞回线。
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+iθk)=-θk+iθk 而不是:εkk+iθk: 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:
…………………………..(3-6)

磁光克尔效应实验装置

本测量系统由以下5部分组成:
(1)光学减震平台。
(2)光路系统,包括输入光路与接收光路。激光器用普通半导体激光器,起偏和检偏棱镜都用格兰一汤普逊棱镜,光电检测装置由孔状可调光阑、干涉滤色片和硅光电池组成。格兰一汤普逊棱镜的机械调节结构由角度粗调和螺旋测角组成,测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。测微头分度值为0.01 mm,转盘分度值为1,通过测微头线位移的角位移定标可知其测量精度在2 左右。
(3)励磁电源主机和可程控电磁铁。励磁电源主机可选择磁场自动和手动扫描。
(4)前级放大器和直流电源组合装置。a)将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大,并送人信号检测主机中。b)将霍耳传感器探测到的磁场强度信号作前级放大并送入检测装置。c)为激光器提供精密稳压电源。
(5)信号检测主机。将前置放大器传来的克尔信号及磁场强度信号进行二级放大,分别经A/D转换后送计算机处理,同时用数字电压表显示克尔信号及磁场强度信号的大小。D/A提供周期为20 s、40 s、80 S准三角波,作为励磁电流自动扫描信号。
3.3 仪器主要部件
(1)磁场均匀的SMOKE测量系统专用电磁铁如图3所示.采用了磁轭、磁头由同一个整体环状圈铁锻打出来的方法,使磁轭形状完全接近磁力线走向,减少了漏磁损失,可以在较少的线圈匝数条件下,在宽气隙中产生磁感应强度高达302 mT的磁场。测量表明该磁场稳定性好且与励磁电流有非常好的线性关系。
(2)高稳定度半导体激光器电源。创新地将半导体激光光源用于SMOKE测量系统.一般文献皆认为,因为SMOKE实验中所探测的信号很小,若光源功率稳定性不够理想,信号就会被淹没在本底涨落中。因此,SMOKE须使用稳定度很高的偏振型氦氖激光器,半导体激光器因稳定性差,谱线宽度较大,不适合用SMOKE的光源.经作者反复研究,半导体激光器稳定性差的主要原因在于其电源稳定性差,为此研制了高稳定度的半导体激光器电源,其稳定度可达0.05%,达到国外进口高稳定度氦氖激光器0.1 稳定度的标准。
(3)在SMOKE实验系统中探测器用硅光电池代替光电倍增管。一般的SMOKE装置对信号的采集与放大多采用光电倍增管,光电倍增管灵敏度比硅光电池高,但光电倍增管必须用高工作电压,使用寿命不如硅光电池。本测量系统用硅光电池代替光电倍增管,因为设计了高稳定度的放大器,所得到的信号稳定度仍然很好,符合实验的要求。
(4)实验系统由用Visual C++编写的控制程序通过一台计算机实现自动控制和测量。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。从样品表面反射的光信号以及霍耳传感器探测到的磁场强度信号分别由A/D卡采集,经运算后作图显示,在屏幕上直接呈现磁滞回线的整个扫描过程。
图3-3专用电磁铁

磁光克尔效应励磁电流变化范围

励磁电源可使用20 V和40 V两种三角波交流电压.当使用20 V电压时,实际测量磁铁线圈励磁电流最大值为8.37 A,当使用40 V时,励磁电流最大值为10.8 A。
样品所在处磁感应强度B1与霍耳传感器探测到的磁场强度B2的关系
手动改变励磁电流从0~10.00A变化,每间隔0.5 A用数字式特斯拉计测量电磁铁两极中心处的磁感应强度B,同时记录信号检测主机上霍耳传感器探测到的磁感应强度B的大小,B是以电压大小表示的。实验结果如表3-1所示。
表3-1 Bl与B2的关系
电流/A
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
B1/mT
0
17
35
52
68
85
102
119
135
152
169
B2/V
1.25
1.32
1.38
1.45
1.51
1.57
1.63
1.70
1.76
1.82
1.88
电流/A
5.50
6.00
6.50
7.00
7.50
8.00
8.50
9.00
9.50
10.00
B1/mT
186
202
218
233
248
262
275
285
292
302
B2/V
1.94
2.00
2.05
2.10
2.16
2.22
2.27
2.29
2.32
2.36
从表3-1测量数据可看出两磁极间的磁感应强度最大可达302 mT,在整个测量范围内,用计算机求得B1与B2的相关系数为0.997,而在0-8.50 A 的范围内,B1与B2的相关系数为0.999(86)。这说明样品所在位置处的磁感应强度与实验中霍耳传感器在线探测到的磁场强度有很好的线性关系。
3.4.3 发射一接收系统的稳定度
用半导体激光器直接照射接收器(内置硅光电池),用DT-930 MULTlMETER四位半数字电压表测量其输出电压,每次持续1 min,连续测3次。在测试的60 S内,只是偶见数字表的最后一位跳动。因为DT-930的量程为1.99999 V,仅见最后一位跳动,可见发射-接收系统的最大稳定度不超过0.05%,完全满足实验的要求。
测量的灵敏度
图3-4为NiMn薄膜样品的测量曲线,表3-2是实验数据记录及求出的克尔旋转角大小。可通过它们来检测仪器的稳定度和噪声。
(a)半导体激光器用普通电源供电 (b)半导体激光器用高稳定电源供电
图3-4NiMn薄膜样品在不同电源作用下的测量曲线
表3-2 NiMn薄膜样品在不同电源作用下克尔旋转角的值
电源类型

  

  

  

  

  

  
普通电源
1.45
1.05
1.25
0.40
0.3
0.024
高稳定电源
1.06
1.04
1.05
0.02
0.3
0.0014
由图3-4(a),(b)及表3-2中的实验数据计算结果对比可看出,半导体激光器用普通电源供电时,其噪声是用高稳定电源供电时的20倍左右,且噪声对应的克尔旋转角与信号的克尔旋转角已经接近在一个数量级上,所以半导体激光器使用普通的电源供电无法进行SMOKE实验。用高稳定度激光器电源供电时,噪声所引起的光强波动为±0.01 V,对应的克尔旋转角为0.001 4,这也是本SMOKE系统的所能达到的灵敏度。
实验结果
利用该系统已测量NiMn薄膜材料的多层膜的磁滞回线,如图3-5所示。表3-3是这种材料的实验数据记录,其中克尔旋转角为: 0.028 2。
表3-3 NiMn薄膜样品实验记录
实验材料

  

  

  

  

  

  
NiMn薄膜
2.02
1.00
1.51
1.02
1.67
0.0282
磁场强度H/(Am)
图3-5 NiMn薄膜的磁滞回线图样
结语
磁光克尔法是测量材料特性特别是薄膜材料物性的一种有效方法,表面磁光克尔效应作为表面磁学的重要实验手段,已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究。在本文的实验中用到了SMOKE新型测量系统,它采用普通的半导体激光器作光源,用常见硅光电池进行克尔信号的采集,成功地得到了NiMn薄膜的磁滞回线,且整个系统有较高的检测灵敏度。从本文的测量结果可以看出NiMn多层薄膜有明显的磁滞行为,反应了NiMn多层薄膜比较明显的铁磁特性。[8-9]  [9]  [6]  [11-13] 
参考资料
  • 1.    MOKE原理说明  .WEISTRON兰道科技
  • 2.    Ma Ting jem,Zang Sheng,Fang Rui yi.The influence of temperature on the coercivity and Kerr rotation for MnBiRE thin films [J].Magn. Soc. Japan,1999(12):367-369.
  • 3.    赵凯华.新概念物理教程——光学[M].北京:高等教育出版社,2004:124-128.
  • 4.    Peter H, Herinrich H.Media for erasable magetooptic recordation[J].IEEE Transaction on materic,1989(26):4390-4404.
  • 5.    王伟田,关东仪,周岳亮,吕惠宾,陈正豪.金属Fe薄膜的PLD制备及其非线性光学性质研究[J].物理学报,2005(54):32-34.
  • 6.    曾立荣,彭子龙,朱逢吾,赖武彦.NiMn薄膜的无序有序转变[J].北京科技大学学报,2002(24):12-14.
  • 7.    王煜明.TiNi形状记忆合金薄膜的晶化特性及力学性能研究[J].吉林大学学报,2000(3):56-58
  • 8.    姜训勇,徐惠彬,蒋成保,宫声凯.形状记忆薄膜的研究进展[J].材料导报,2000(4):7-9.
  • 9.    Naslain R.Fibermatrix interphases and interfaces in ceramic matrix composites processed by CVI[J].Composites Interface,1993(1):253-256.
  • 10.    Seong-Rae Lee,Sanghyun Yang,Young Keun Kim.ApplPhys Lett[J].Appl. Phys. Lett., 2001(25):4001
  • 11.    Henrytm.Ellipsometric measurement of the Kerr mage top the effect [J].Applied Optics,1979(8):813-817.
  • 12.    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].真空科学与技术报,1997(17):243-246.
  • 13.    廖延彪.偏转光学[M].北京:科学出版社,2005:137-140.