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

一、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)[]1。1985年Moog和Bade r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。

二、光学中的磁光克尔效应

当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，透射光线的偏振面与入射

θ)[]2。反射光线的光的偏振面相比有一转角，这个转角被称作磁光法拉第转角(

F

偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角θ)，这种效应叫做磁光克尔效应。

(

K

磁光克尔效应包括三种情况[]3：(1)纵向磁光克尔效应，即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应；(2)极向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应；(3)横向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。

三、磁光克尔测量技术

(一)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

θ，如图1所示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

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

ε，即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

椭圆长短轴之比。

(二)发展过程

1963年福勒(Fowler)等人首次利用极向磁光克尔效应成功的观察到不透明

立方铁氧体3YFeO 和3

HoFeO 中的磁畴[]4，同时也测量了垂直入射时这两种材料的极向磁光克尔效应，所用的装置如图2[]4所示。测试精度在0.1'之内。

图2 福勒极向克尔效应测量

在上述设备的基础上，1955年贝尔实验室的洪(Wun)[]4用极头中间打孔的电磁铁代替图2中的线圈，费尔得常熟比蒸馏水更大的偏磷酸盐玻璃做法拉第元件，用光斩波器和锁定放大器来提高信噪比，测定了三溴化铬(3CrBr )的克尔转角.

1981年，沈德芳用极向克尔回线翻转的办法研究了Cd-Co 和Cd-Fe 无定形

薄膜的退火对补偿温度的影响[]5。所用的装置如图3[]5所示。加在X-Y 记录仪X 方向的讯号是与样品磁场成正比的霍尔电压，Y 方向的讯号是与样品垂直方向的磁化强度以及极向克尔效应成比例的差分放大器的输出。因此连续改变磁场的大小和方向就可以画出一个磁滞回线。根据回线的有无和大小可以迅速而方便的检查样品的均匀性和克尔效应的大小。

O. 光源

L. 准直透镜

I. 可变光阑

F. 干涉滤波器

P. 福斯特型起偏棱镜

C. 法拉第补偿元件

S. 磁化线圈中的样品

G . 格兰—汤姆逊后置检偏器

PT.光电倍增管

图3 极向克尔回线测试系统

1983年，柯纳尔(Connell)借用史密斯(Smith)1969年的工作[]6，用椭偏仪测

量了钛铁合金的磁光常数。方法是先测量椭偏常数Δ和Ψ，在通过迭代计算得到克尔旋转角和椭偏率，据称这一方法的测量精度较高，旋转角和椭偏率的相对测量精度达 005.0。他还用这些测量结果推算出介电张量的对角元和非对角元。

现在已经发展了多种测量磁光克尔效应的方法，如磁光调制法[]9,8,7、旋转检

偏器的位相偏移测定法[]11,10和消光法[]12。

(1) 磁光调制法，

早期测量中应用较多的是磁光调制法[]9,8,7，实验装置如图4[]9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 θ。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

A. 检偏器

B. 光束分裂器

D. 光电检测器 P. 起偏器

DA.差分放大器 M. 反射镜

L .He-Ne 激光器 S. 样品

V. 真空泵 EM.电磁铁

Ha.霍尔元件 R .X-Y 记录仪

PS.直流电源 T. 热电偶

FC.磁场控制器

H. 插入加热器获加液氮的孔

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；