磁光克尔效应研究

磁光克尔效应研究
摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背
景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。

表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，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的相变行为等问题的研究。

本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。

关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应
1.引言
1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。

随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，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两位学者对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，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。

由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。

2.磁光克尔效应
图1 克尔效应示意图
一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时，反射光将是一束椭圆偏振光，而且偏振方向将发生产生旋转。

相对于入射的线偏振光（以椭圆的长轴为标志）的偏振面方向有一定的偏转，偏转的角度为克尔转角，短轴与长轴的比为椭偏率，
如图1所示。

复磁光克尔角定义为：，其大小正比于样品的磁化强度。

表1给出了常见的磁性物质在室温下的磁光克尔转角的数值。

克尔效应产生的原因如下：当磁性物质在外加磁场作用下磁化或铁磁性物质自发磁化，就让物质本身的折射率造成磁双折射
（magnetic birefringence）的现象，即其右旋折射率和左旋折射率不相同。

一束线偏
振光可以分解成两个振幅相同的左旋光与右旋光，而左旋光与右旋光在磁性材料中有不同
的吸收和反射系数，不同的传播速度使得两种光产生相位差，同时也能造成振幅上的不同。

这样，两个振幅不同、且具有相位差的左旋光与右旋光在反射后就会叠加成一束椭圆偏
振光。

表1 常见磁性物质在室温下的磁光克尔转角
一般情况下，克尔磁光效应分极向克尔磁光效应、纵向克尔磁光效应与横向克尔磁光
效应（按磁化强度同入射面的相对取向不同划分），如图2所示。

极向克尔磁光效应是指
磁化强度矢量M与介质界面垂直时的科尔效应。

这是三种克尔效应中，克尔转角最大、最
明显的。

纵向克尔磁光效应指的是磁化强度矢量M既平行于光的入射面，也平行于介质表
面时的科尔效应。

横向克尔磁光效应是指磁化方向平行于材料表面但垂直于反射平面的克
尔效应。

横向克尔磁光效应中事实上仅仅是反射率有微小的变化，没有偏振面的旋转。

其
最大的优点在于：即使入射光是非极化光源经由磁性介质反射后，其反射光的振幅也是磁
光强度矢量的线性函数。

图2 极向、纵向和横向克尔效应示意图
3.磁光克尔测量技术
3.1工作原理
当一束线偏振光入射到不透明的样品表面时，如果样品室各向异性的，反射光将变成
椭圆偏振光，并且偏振方向与入射光的偏振方向相比会发生一定角度的偏转。

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转过一个小
的角度，此角即为磁光克尔旋转角?K，如图3所示即椭圆长轴和参考轴之间的夹角。

一般
而言，由于样品对P偏振光和S偏振光的的吸收率不同，即使样品处于非磁状态，反射光
的椭偏率也要发生变化，而样品的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?K，即椭圆长短轴之比。

3.2磁光调制法
图3 表面磁光克尔效应原理图
早期测量中应用较多的是磁光调制法，实验装置如图4所示。

在频率为ω的外加交
变磁场或电场的驱动下入射电场的偏振面发生微小的调制变化。

最终分析从检偏器出来并
被检测的光电信号中的交流成分可得到要测量的克尔角?k。

测量装置中采用调制锁相技术，因此可获得较高的性噪比。

但是要通过调节检偏器的方位角使信号幅度最大来确定克尔旋
转角，带来一定的测量误差和不便。

高次
频信号的存在使波形偏离正弦或余弦变化规律，给波形的判断带来困难。

同时调制器
的品质因数和使用条件不同也会影响数据的稳定性。

这种方法多用于单波长和单参数克尔
角的测量。

图4磁光调制测量装置示意图
1.激光器；
2.光阑；
3.起偏器；
4.调制元件；
5.调制信号源；
6.调制线圈；
7.样品；
8.磁场；
9.检偏器；10.测角仪；
11.光电探测器和信号放大器； 12..示波器；
3.3旋转检偏器的位相偏移测定法
旋转检偏器的方法是通过测量检偏器的方位角在不同位置时光信号强度的变化来求得
磁光克尔转角和椭偏率吗，实验装置如图5所示。

此方法实验图像清楚，所用光学元件少，避免了某些场合使用特种光学元件所引起的间接测量误差，光谱测量的范围较宽，系统可
以自行定标，是一种磁光效应的绝对测量方法，特别适用于材料磁光效应光谱特性的研究。

整个系统易于实现自动化操作，使测量过程更加简单，数据的密度和质量也得到相应的提高。

此装置对一般的磁光样品，绝对测量的准确率可达到0.01?。

1. 石英光纤；
2. 准直镜；
3. 光阑；
4. 起偏器； 5、6. 反光镜； 7. 样品；
8. 熔石英1/4波长器 9. 步进电机； 10.检偏器； 11.防震光学平台
图5旋转检偏器的实验装置示意图
3.4消光法
1996年，朱伟荣对Bader和Chappert等人的方案做了修改，提出了一种新的SMOKE
系统，图6为系统的光路示意图。

在偏振镜后面加一分光镜，将光束一分为二，参考光束
直接直接送入探测器1，信号光束经过样品和偏振镜2后送
入探测器2。

通过测量信号光束和参开光束的比值来消除激光器光强和偏振面不
??稳定造成的影响。

系统的灵敏度可达0.0001～0.0002。

图6 SMOKE系统光路图
4.磁光克尔效应的应用
4.1在现代数据存储技术中的应用
目前无论是在工业上科技、资讯的高度发展对储存元件记录密度的需求越来越高，满
足此种要求的办法是利用克尔效应研发制造磁光记录光碟和硬盘。

通过一束激光聚焦在特
定的磁光记录介质薄膜上就能够实现磁光记录。

写入信息时，记录介质位于特定的外加磁
场中，因为磁光介质有良好的垂直于膜面的各向异性，当具备一定条件时，这种介质中的
磁畴的磁化方向就能与外加磁场方向相反或一致。

由此，利用这种介质局部磁化方向的正、反即可代表“0”和“1”两类信息。

磁光记录信息的读取就是利用磁光克尔效应实现的。

拿某个写入信息后的介质（磁光
介质）来说，介质（磁光介质）中的磁畴的磁化方向有正反两种类型。

一束激光照射在介
质（磁光介质）表面的某一位置时，假如该处对应的磁畴为反向磁化，则反射光的克尔转
角为?k；反之该处对应的磁畴为正向磁化，则反射光的克尔旋转角为?k。

如果在通过介质（磁光介质）表面反射的反射光路上放一探测器，就能够容易地检测出反射处是反向磁化
还是正向磁化，即读出了“0”和“1”。

4.2研究材料表面的磁学特性及其用途
表面磁性和由数个原子层所构成的超薄膜以及多层膜磁性，就是目前凝聚态物理领域
中的一个非常重要的热点研究课题。

表面磁光克尔效应（SMOKE）更成为表面科学中磁性
测量的主要工具，业已被大量、广泛地应用在磁有序、磁各
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