磁光克尔效应的副本
磁光克尔实验报告
深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 近代物理实验实验名称： 磁光克尔实验学 院： 物理学院指导教师：报告人： 组号：学号 实验地点实验时间： 2015 年 11 月 3 日提交时间： 2015 年 11 月 10 日一、实验目的(1)了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法；(2)掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用。
二、实验原理磁光效应有两种：法拉第效应和克尔效应，1845 年，Michael Faraday 首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是法拉第效应。
1877 年，John Kerr 发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是克尔效应。
克尔效应在表面磁学中的应用，即为表面磁光克尔效应（surface magneto-optic Kerr effect）。
它是指铁磁性样品（如铁、钴、镍及其合金）的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响。
当入射光为线偏振光时，样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化。
表面磁光克尔效应作为一种探测薄膜磁性的技术始于1985 年。
图1 表面磁光克尔效应原理如图 1 所示，当一束线偏振光入射到样品表面上时，如果样品是各向异性的，那么反射光的偏振方向会发生偏转。
如果此时样品还处于铁磁状态，那么由于铁磁性，还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度，这个小角度称为克尔旋转角θk。
同时，一般而言，由于样品对p光和s 光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也发生变化，而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由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化。
强度M的函数。
通过探测θk或εk的变化可以推测出磁化强度M的变化。
按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。
图2 极向克尔效应1．极向克尔效应：如图2 所示，磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。
磁光效应简介
法拉第反射是光在磁场中反射时，偏振面发生旋转的现象。这种现象是由于光 在磁场中反射时，磁场所引起的偏振面旋转角与光反射距离成正比。
磁光克尔效应
总结词
磁光克尔效应是磁光效应的一种 ，在光学测量和光学通信等领域 有重要应用。
详细描述
磁光克尔效应是指在外加磁场作 用下，某些非中心对称晶体或各 向异性媒质中，由于光偏振方向 改变而引起折射率变化的现象。
光学数据加密
利用磁光效应可以对数据进行加密和解密，提高数据的安全性。
光学检测领域的应用
光学传感
利用磁光效应可以设计出各种光学传感器，用于测量物理量的变化，如磁场、温度、压力等。
非线性光学效应
磁光效应可以增强非线性光学效应，如光学倍频、光学参量放大等，为光学检测提供了新的手段。
其他领域的应用
激光雷达
2. Phelan, T. W., & Ritz, T. (2007). Magneto-optic effects in semiconductor quantum dots. Journal of applied physics, 101(6), 063102.
3. Sivak, D. A., & Zhang, X. (2012). Magneto-optic effects in thin film garnets. Journal of magnetism and magnetic materials, 324(20), 3395-3400.
磁光效应的实验研究
近年来，实验研究主要集中在利用磁光效应进行 光学通信、光学传感、光学信息处理等领域。
3
磁光效应的理论模型
理论模型主要基于经典电磁理论和量子力学理论 进行描述。
磁光克尔效应 定义
磁光克尔效应定义磁光克尔效应是指在磁场作用下，光在介质中传播时，光的偏振方向会发生旋转的现象。
这一效应的发现和研究对于光学和磁学领域的发展具有重要的意义，并在实际应用中也有着广泛的应用。
磁光克尔效应最早是由法国物理学家克尔（Verdet）在19世纪发现和研究的。
当光线通过透明的磁性介质时，如玻璃、液体或气体等，若外加磁场沿着光的传播方向，就会引起光的偏振面旋转一个角度，这个角度与磁场的强度和介质的性质有关。
这种现象被称为磁光克尔效应。
磁光克尔效应的产生机制是基于光的电磁性质和磁性介质的相互作用。
当光通过磁性介质时，光的电场和磁场与介质中的电子和磁矩相互作用，从而导致光的偏振面的旋转。
这种旋转是由于光的电场和磁场引起介质中的电子和磁矩的运动，从而改变了光的传播方向。
磁光克尔效应的大小与磁场的强度和介质的性质有关。
一般来说，当磁场越强，克尔常数越大，光的偏振面的旋转角度也就越大。
而不同的介质对于磁光克尔效应的响应也是不同的，克尔常数可以用来描述介质的磁光性质。
光的波长也会对磁光克尔效应产生影响，不同波长的光在介质中所受到的磁光克尔效应也是不同的。
磁光克尔效应在实际应用中有着广泛的应用。
其中最常见的应用就是磁光器件，如光偏转器、光调制器和光开关等。
利用磁光克尔效应可以实现对光的调控和控制，使得光的传输和处理更加灵活和高效。
此外，磁光克尔效应还可以应用于磁光存储技术、光纤通信和激光器等领域。
磁光克尔效应是光学和磁学领域中一种重要的现象和效应。
它的发现和研究不仅对于科学研究具有重要的意义，而且在实际应用中也有着广泛的应用前景。
磁光克尔效应的研究和应用将有助于推动光学和磁学领域的发展，为我们的生活和科技进步带来更多的可能性。
磁光克尔效应及其测量
磁光克尔效应及其测量磁光克尔效应是一种物理现象，它可以使光通过磁场发生变化，从而有助于研究光的特性。
磁光克尔效应的发现起源于二十世纪初，当时，埃尔森弗朗西斯阿伯特克尔（Ernst Franz Abbe）发现当在放射光照射磁场时，克尔指数发生变化，这种现象被称作磁光克尔效应。
磁光克尔效应可以被用来研究和测量光的特性，它主要会影响光的双折射，衍射和色散。
克尔效应有多种类型，其中重要的一种是非线性克尔效应，即通过磁场改变光的双折射。
磁光克尔效应也可以用来测量激光的分布、光的偏振状态和其他特性。
磁光克尔效应的测量主要使用磁光克尔效应测量仪，它可以测量光的显微结构和发送的量子数。
它们可以用来测量光的偏振状态、衍射图像、光的色散等，以及纳米结构的形状和光源。
测量仪也可以用来研究激光脉冲的信号。
在实验室中，磁光克尔效应测量仪可以用来研究光的特性，并发现新的效应。
磁光克尔效应测量仪是一个可以用来探索物理现象的重要工具。
它们可以用来探究激光脉冲的行为、激光腔的性质，以及光的色散和偏振性质。
另外，磁光克尔效应测量仪还可以用来研究复合材料的结构，以及支持纳米尺度结构的力学特性。
在研究光的性质时，磁光克尔效应的测量是一项重要的任务，它可以为研究者提供重要的信息和见解，帮助他们更好地理解光的特性。
磁光克尔效应测量仪也被用于科学和工程领域，为科研和应用提供了重要的研究数据和技术支持。
总之，磁光克尔效应是一种非常重要的物理现象，它可以用来研究光的物理性质和量子特性。
磁光克尔效应测量仪可以用来测量和研究光的衍射图像、偏振状态和其他特性，也可以用于研究复合材料和纳米结构的形状和光源。
另外，研究者还可以使用磁光克尔效应测量仪来探索激光脉冲的信号。
超快磁光克尔效应
超快磁光克尔效应
超快磁光克尔效应（Ultrafast Magneto-Optic Kerr Effect，简称UMOKE）是一种物理现象，涉及磁性材料和光的相互作用。
这种效应主要发生在已磁化的物质表面，当入射的线偏振光在这样的物质表面反射时，其振动面会发生旋转。
这种旋转是由于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在磁性材料中的传播速度不同，以及它们吸收程度的不同，导致相位差和振幅差。
当这些光从材料表面反射后，原本的线偏振光会转变为椭圆偏振光，这种现象被称为磁光克尔效应。
磁光克尔效应的应用非常广泛，特别是在磁畴观察、磁光存储、薄膜磁性原位表征、自旋电子学、太阳磁场测量、原子操纵和冷却、光隔离等方面。
例如，在磁光存储技术中，磁光克尔效应被用来读取磁性材料的磁化状态。
此外，磁光克尔效应还被用于研究超薄磁性膜、磁化动态过程和自旋霍尔效应等领域。
磁科尔效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁光科尔效应的基本原理。
2. 通过实验观察并测量磁光科尔效应的现象。
3. 探讨磁光科尔效应在不同条件下的变化规律。
二、实验原理磁光科尔效应，又称次电光效应（QEO），是指当一束光通过响应于电场的材料时，材料的折射率发生变化的现象。
这种现象与普克尔斯效应不同，其诱导折射率的变化与电场的平方成正比。
磁光科尔效应分为克尔电光效应（直流科尔效应）和光克尔效应（交流科尔效应）两种特殊情况。
三、实验器材1. 磁光克尔效应实验装置2. 可调直流电源3. 可调交流电源4. 光源5. 分束器6. 折射率测量仪7. 计时器8. 记录本四、实验步骤1. 将磁光克尔效应实验装置连接好，确保各部分连接牢固。
2. 打开光源，调整光源强度，使其稳定。
3. 将分束器置于光源和样品之间，调整分束器，使部分光束照射到样品上，另一部分光束作为参考光束。
4. 调整样品，使其位于光路中心。
5. 打开可调直流电源，调整电压，使样品受到直流电场作用。
观察折射率测量仪的示数，记录数据。
6. 关闭直流电源，打开可调交流电源，调整电压和频率，观察折射率测量仪的示数，记录数据。
7. 重复步骤5和6，分别记录不同电压、频率下的折射率变化数据。
8. 分析实验数据，探讨磁光克尔效应的变化规律。
五、实验结果与分析1. 直流电场下，样品的折射率随电压平方增大而增大，符合磁光克尔效应的特点。
2. 交流电场下，样品的折射率随电压平方增大而增大，但随频率变化而变化。
当频率较高时，折射率变化较小；当频率较低时，折射率变化较大。
3. 通过实验数据分析，得出磁光克尔效应的变化规律如下：- 直流电场下，折射率变化与电压平方成正比。
- 交流电场下，折射率变化与电压平方成正比，但随频率变化而变化。
六、实验结论1. 磁光克尔效应实验成功观察到磁光克尔效应现象。
2. 实验结果表明，磁光克尔效应与电压平方成正比，且随频率变化而变化。
3. 该实验验证了磁光克尔效应的基本原理，为磁光克尔效应在光学信息处理、光通信等领域的研究提供了实验依据。
磁光克尔效应数据处理
五、数据记录与数据处理
1、正磁光克尔效应
（1）数据记录：
（2）数据分析：
检偏片与消光位置偏离一小角度时，由上图的左图可得，当加上磁场时，光强增大，所以是正磁光克尔效应。
光强增大到一个恒定值，撤去磁场后，光强仍然不变，由于在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，可判断这时样品被磁化；直到加一个同样大小的反向磁场后，光强减小为初始大小，这时样品被消磁。
根据在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，电脑根据测得的光强大小得出样品磁化强度，自动绘出了样品的磁滞回线如右图。
2、负磁光克尔效应
（1）数据记录：
（2）数据分析：
检偏片与消光位置偏离的偏离角度与正磁光克尔效应实验相反时，由上图的左图可得，当加上磁场时，光强减小，所以是负磁光克尔效应。
光强减小到一个恒定值，撤去磁场后，光强仍然不变，这时样品被磁化；直到加一个同样大小的反向磁场后，光强增大小为初始大小，这时样品被消磁。
根据在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，电脑根据测得的光强大小得出样品磁化强度，自动绘出了样品的磁滞回线如右图。
这时电脑所绘的磁滞回线与正磁光克尔效应不同，因为这时的光强是先减小后增大，而正磁光克尔效应时是先增大后减小。
不过无论是正磁光克尔效应还是负磁光克尔效应，样品的实际磁滞回线应当是相同的，因为两种情况下所加的外磁场是完全相同的。
磁光克尔 实验报告
磁光克尔实验报告引言磁光效应是指光波在磁场中传播时发生的旋光现象。
克尔效应是磁光效应的一种特殊现象，指的是在磁场中垂直于磁场方向的光波传播时，会发生旋光现象。
磁光克尔实验是用来研究磁光效应的一种常用实验方法，本实验旨在通过观察和测量克尔角来研究磁光克尔效应，并验证克尔关系式。
实验装置与原理实验装置主要由磁铁、起偏器、检偏器、光源、光阑、样品、读数器等组成。
光源经过起偏器后，成为偏振光，通过光阑后遇到样品，样品中的光将发生旋光，然后再通过检偏器，最后进入读数器进行测量。
克尔角是克尔效应的一个重要参数，定义为磁场方向与光轴方向（矩形截面晶体的主平面内）法线的夹角。
克尔角的大小直接与样品的性质及磁场的强弱有关。
实验步骤1. 将实验装置按照要求搭建好，调整起偏器和检偏器的角度，使其相互垂直。
2. 使用光源照射样品，调整磁铁的电流大小，观察检偏器的显示值，并记录下来。
3. 改变磁场的方向，逐渐增加电流大小，记录下检偏器的显示值。
4. 根据记录的数据绘制出克尔角随磁场强度的变化曲线。
数据处理与分析根据实验记录的数据，我们可以得到克尔角随磁场强度的变化曲线。
根据克尔关系式可以得到：K = V / (L * B)其中，K为克尔角，V为检偏器的显示值，L为样品的长度，B为磁场的强度。
通过绘制曲线，我们可以观察到克尔角随磁场强度的变化趋势。
一般来说，随着磁场强度的增加，克尔角会呈现出先增大后减小的趋势。
这是因为在磁场较弱时，磁光效应相对较小，克尔角较小；随着磁场强度的增加，磁光效应逐渐强化，克尔角也逐渐增大；当磁场达到一定强度后，由于样品本身的特性限制，克尔角开始减小。
结论通过本次实验，我们成功研究了磁光克尔效应，并验证了克尔关系式。
我们观察到克尔角随磁场强度的变化曲线，并根据该曲线得出了克尔角随磁场强度变化的一般规律。
此外，我们还了解到了磁光克尔效应在光学、材料学等领域的重要应用。
总的来说，本实验对我们深入理解磁光效应以及克尔效应的产生机制起到了重要的作用，为进一步研究相关领域的理论和应用提供了实验基础。
磁光克尔效应在多层超薄磁性膜中的应用
（ ≥
其中ｒ 为反射 的系数 ，为投射的系数 ， 留一 阶量 ， ｔ 保 可得 出 ｔ ｓ的表达式。 和 则磁光克尔效应 的复数偏转 角可 表示为 ：
其 中 Ｕ ｅｐ一（ｒａ Ｎ￣ 】０Ｏ＿ ￣Ａ Ｎ Ｑ ｉ ＝ ｘ［ｉ ｒ ） ％ ，．Ｎ （ｒ ） ｄａ ２／ Ｌ ／
／
。
生产 中显得 尤为重要 ， 由于在磁性传 感 ， 磁光存储等 领域 的
广泛应用 ， 超薄磁性材料的需求越来越 大。而 由于磁光克尔 效应 才探 索超 薄磁性材料方 面的优势 ， 世界各 国无不投入大 量 的资源对磁光方面进行研究 。本文拓展 了传统的磁光克尔
：
相同的 ， 了简便起 见 ， 里我们仅讨论 一种平行 的克尔效 为 这
应这一种情况 。在这种情况下 ， 电张量可以被写成 ： 介
￡ ｏ ￡
＝
Ｐ
ｒ
ｓｆ ＝０
ｌ
０
０
其实部为克尔偏转角 ， 虚步为椭偏率 。
Ⅳ是该物质的折射率 ， Ｑ是该物质 的磁光系数 ， 对于非磁
随着科学技术 的不断进步 ， 种应 用器件的体积原来越 各
小， 速度越来越快 ， 纳米 级别 的材料 的应用越来越广 泛 。 相对 于普通 的半导体器件来说 ，纳米级别 的材料有着许 多优 势。
Ｄ ０ ０ ＝
。
０ ０
Ｕ ＇。 Ｔ ｓ ｃ
因此 ， 获得高 品质 的薄膜和精确控 制物质 ， 在工业及 纳米化
性材料而言 ， ＝ ． Ｑｏ 根据 Ｚ ｋ的理论 ， ａ 边界条件 的矩 阵和介 质的传播矩阵可
表面磁光科尔效应
表面磁光克尔效应(SMOKE)一、磁光效应简介1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，即当外加磁场在玻璃样品上时，透射光的偏极面发生旋转的效应（法拉第效应）；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在观察偏振光从拋光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光科尔效应(magneto-optic Kerr effect)。
1985年Moog和Bader 两位学者研究了生长在Au单晶(100)面上的Fe单晶超薄膜的磁光克尔效应测量实验，成功地得到一个原子层厚度磁性物质的磁滞曲线，并且提出了以SMOKE 来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示磁光克尔效应在表面磁学上的研究。
这是SMOKE首次被用于研究在Au（0 0 1）表面外延生长的Fe超薄膜的磁学性质。
由于SMOKE所表现出的亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系统结合的特点，使它在近些年已经发展成为一种重要的和常规的研究薄膜磁学性质的技术。
它被广泛应用于研究表面超薄膜的磁有序、磁性相变、磁各向异性，以及层间耦合等多种磁学现象。
同时SMOKE在商业上还被应用于商用高密度的磁光存储技术。
SMOKE的优点：和别的磁性测量手段相比，SMOKE具有四个优点：1) SMOKE的灵敏度极高。
国际上现在通用的SMOKE测量装置其探测灵敏度可以达到亚原子层的磁性，这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着重要地位。
2) SMOKE测量是一种无损伤测量。
探测用的“探针”是可见光束，因此不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利。
3) SMOKE 可以测量局域磁性。
由于SMOKE测量到的信息来源于被测介质上的光斑照射点，这意味着SMOKE可以对样品上最小的光斑尺寸范围作局域磁性测量。
磁光克尔效应及其测量
磁光克尔效应及其测量磁光克尔效应是莱布尼兹效应的一种特殊情况，早在1820年英国物理学家威廉莱布尼兹就发现，当一个物体被放置在一种外力的作用下时，比例系数会发生变化。
经过时间的演变，现代物理学家们发现，磁光克尔效应可以在各种材料中发生，特别是金属、半导体和特殊的磁性材料。
磁光克尔效应的学习和研究，有助于我们了解磁场和电场之间的关系以及它们是如何相互影响的。
磁光克尔效应可以用来测量电磁波和磁场强度，这样就可以研究物体本身的特性。
磁光克尔效应的测量是通过在一个环境中放置一个电磁偶合物来进行的，该物体的变化可以用特定的传感器来观测和测量。
在进行测量之前，必须确保测量仪器的准确性和精确度。
磁光克尔效应的测量采用了多种不同的技术，其中包括DECODER 法、半导体磁光克尔测量法和集成磁光克尔测量法。
DECODER法是最初用于研究磁光克尔效应的技术，它可以对外部电磁场进行测量和监测。
半导体磁光克尔测量方法是通过发射激光来测量磁光克尔效应，并且可以检测出磁场的变化。
集成磁光克尔测量法可以同时测量电磁偶合的磁场和电场的强度，并且可以快速检测出磁场的变化，精确测量出磁场的大小。
磁光克尔效应的测量对物理学、电子学和医学等领域都有着重要的作用，其中最为重要的当属磁光克尔测量技术。
磁光克尔测量技术有助于更好地控制和研究电磁场。
它也可以用来测量电子电路中的小型磁场和电场，并可以检测出电子电路中电磁场的变化。
此外，磁光克尔测量技术还可以应用于非接触式检测中，可以用来检测物体上的小型磁场变化，预测这些物体之间的相互作用。
在磁光克尔测量技术进行研究之前，必须有正确的实验设计和正确的仪器，以确保实验的准确性和可靠性。
同时，实验设计必须符合实验的物理学原理，以确保实验的结果尽可能准确。
磁光克尔效应和其测量是物理学领域一个重要的研究领域，就如同莱布尼兹效应一样。
磁光克尔效应的测量可以用来测量电磁波和磁场强度，从而可以开发更精确的传感器和测量仪器，以及更好的电子电路。
时间分辨磁光克尔效应
时间分辨磁光克尔效应随着科技的不断进步，磁光克尔效应被越来越多地应用于物理、材料学、化学和生物学等领域中。
时间分辨磁光克尔效应技术是近年来新兴的一种手段，本文将从以下步骤详细阐述这种技术的原理和应用场景。
1. 什么是磁光克尔效应磁光克尔效应是指在磁场作用下，光的偏振面会发生旋转的现象。
它是由于介质中的电子在磁场下的运动而形成的，因此磁光克尔效应与介质中的电子结构有关。
2. 磁光克尔效应在时间分辨实验中的应用时间分辨实验是指通过实验手段观察分子或材料的运动过程，并探究其物理化学性质，具有非常重要的意义。
在时间分辨实验中，由于单个实验时间很短，需要对光学性质进行时序测量，而这正是磁光克尔效应的优势所在。
磁光克尔效应可以通过改变磁场，测量光的偏振面旋转角度的大小和方向，从而获得样品的磁性信息。
时间分辨磁光克尔效应则是在此基础上，通过时间分辨手段，可以在不同时间点上获得不同的数据，从而观察样品的动态演化过程。
3. 时间分辨磁光克尔效应技术的研究进展随着时间分辨技术的不断发展，时间分辨磁光克尔效应也得到了广泛的应用。
在材料学领域，通过时间分辨磁光克尔效应技术可以探究材料的磁性行为，如反铁磁材料的快速自旋翻转，反铁磁性、铁磁性和自旋诱导平移运动等。
在物理学领域，这种技术可以用于观察分子和氢键生长过程中的自旋、旋量、拓扑和偏振效应。
此外，在生物医学研究中，时间分辨磁光克尔效应技术可以用于观察传染病毒的复制和包覆过程，而在化学领域，这种技术可以用于观察电子转移过程以及化学反应过程中的各种离子自旋。
4. 总结时间分辨磁光克尔效应技术是一种非常有前景的实验技术，在材料学、物理学、化学和生物医学等领域都有广泛的应用前景。
通过这种技术，我们不仅可以了解样品的静态磁性特性，还可以动态观察样品的演化过程，为研究物质特性提供了更加准确和全面的实验手段。
主要技术指标可利用偏光显微成像系统或克尔磁光效应进行二维面
主要技术指标：
1.可利用偏光显微成像系统或克尔磁光效应进行二维面扫描对磁畴进行成像
2.对于利用偏光显微成像系统进行磁畴成像的方式应满足：
(1)需配备高分辨物镜（20x，50x，100x放大倍率）显微成像系统及LED光纤光源，
可精确操控光纤光源的端口位置，并置于衍射面端；
(2)偏光显微成像系统具有高灵敏度低温制冷CCD相机；
(3)克尔灵敏度：0.01度，旋光角度范围1度；
3.对于利用磁光克尔效应采用二维面扫描对磁畴进行成像的方式应满足：
（1）成像方式需配有高聚焦束斑的激光源（<2 微米光斑），及全封闭光路系统；
（2）具有0.02%的反射率变化及0.5 mdeg的克尔转角变化的灵敏度
4.可原位定点测量磁滞回线，并同时记录磁畴的变化；
5.可同时测量面内及面外的磁滞回线；
6.可提供面内矢量磁场，最大磁场强度不低于2000 Oe （15mm 样品）；
7.可提供面外磁场，最大磁场强度不低于8000 Oe ；
8.可开放编程的磁畴成像处理软件，及高度集成的计算机控制系统。
以上三家均符合我们的技术要求。
磁光克尔效应
磁光克尔效应
克尔磁光效应于1876年由J.克尔发现，指入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象。
发现
英文名称：magneto-optical effect
克尔磁光效应入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，1876年由J.克尔发现。
原理
克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。
极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。
[1]
应用
克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴（见磁介质、铁磁性）。
不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。
用此方法还可对磁畴变化作动态观察。
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表面磁光克尔效应实验1877年John Kerr在观测偏振光通过抛光过的电磁铁磁极反射时,发现了偏振面旋转的现象,此现象称磁光克尔效应.1985年Moog和Bader进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量,首次成功地测得了1个原子层磁性薄膜的磁滞回线,并提议将该技术称为SMOKE ( surface magneto 2optic Kerr effect)从此这种探测薄膜磁性的先进技术开始在科研中得到大量的应用.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. SMOKE的磁性解析灵敏度达到1个原子层厚度,并可配置于超高真空系统中进行超薄膜磁性的原位测量,从而成为表面磁学的重要研究方法,已被广泛应用于纳米磁性材料、磁光器件、巨磁阻、磁传感器元件等磁参量测量. 现这一重要的前沿性技术已成为高校近代物理实验中的重要研究性实验.实验原理当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小角度,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, 如图1所示. 同时,一般而言, 由于样品对p偏振光和s偏振光的吸收率不同, 图1 表面磁光克尔效应原理图即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而铁磁性会导致椭偏率有一附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率εK ,即椭圆长短轴之比.按照磁场相对入射面的配置状态不同, 表面磁光克尔效应可以分为3种:a. 极向克尔效应,其磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面;b. 纵向克尔效应, 其磁化方向在样品膜面内,并且平行于入射面;c. 横向克尔效应,其磁化方向在样品膜面内,并且垂直于入射面.对于磁性薄膜,通常纵向克尔效应较明显.待测物的极向、纵向、横向克尔旋转角的强弱由其磁易向轴的方向决定.以下以极向克尔效应为例详细讨论SMO KE系统,原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效应. 激光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光,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设置成偏离消光位置很 ( 如图2 所示) ,这主要是为了区分正负克尔旋转角. 若检偏棱镜方向设置小的角度在消光位置,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. 这样就无法区分偏振面的正负旋转方向, 也就无法判断样品的磁化方向. 当2个偏振方向之间有小角度δ时,通过检偏棱镜的光线有本底光强0I .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.图2 偏振器件配置方位样品放置在磁场中, 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. 在一阶近似下光强的变化和被测材料磁感应强度呈线性关系, 探测器探测到光强的变化就可以推测出样品的磁化状态和磁性参量.在图1 的光路中,假设取入射光为P 偏振光,其电场矢量P E 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很小的垂直于P E 的电场分量S E ,如图2 所示,通常P S E E <<. 在一阶近似下有:K K PS i E E εθ+= （1） 通过检偏棱镜的光强为:2|cos sin |δδS P E E I += （2） 将(1) 式代入(2) 式得到:22|cos )(sin |||δεθδK K P i E I ++= （3）通常δ较小，可取,1cos ,sin ≈≈δδδ得到：22|)(||K K P i E I εθδ++= （4）一般情况下,δ虽然很小,但K θδ<<,而K θ和K ε在同一数量级上,略去二阶项后,考虑到探测器测到的是(4) 式实数部分, (4) 式变为:)2(||22K P E I δθδ+= （5） 无外加磁场下：220||δP E I = （6）所以有：⎪⎭⎫ ⎝⎛+=δθKI I 210 （7） 由(7) 式得在样品达磁饱和状态下K θ为:002I I I K -=δθ （8） 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+K θ和反向饱和时的克尔旋转角-K θ ,则004)()(4)(01I I I B I B I S S K K K ∆=--+=-=-+δδθθθ （9） (9) 式中, )(S B I +和)(S B I -分别是正负磁饱和状态下的光强. 从式（9）可以看出, 光强的变化ΔI 只与K θ有关,而与K ε无关. 说明在图1 光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角.当要测量克尔椭偏率εK 时,在检偏器前另加1/ 4 波片,它可以产生π/ 2 的相位差,此时检偏器看到的是K K K K i i i εεεθ+-=+)(，而不是K K i εθ+，因此测量到的信号为克尔椭偏率.经过推导可得在磁饱和情况下K ε为004)()(4)(21I I I B I B I S S K K K ∆-=+--=-=+-δδεεε （10）式中+K ε表示正向饱和磁场时测得的椭偏率, -K ε表示负向饱和磁场时测得的椭偏率.【实验装置】自制的表面磁光克尔效应实验系统(图3) 由以下几部分组成:1) 光学减震平台.2) 光路系统,包括输入光路与接收光路. 其起偏和检偏棱镜使用格兰2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.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) 前置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做前置放大,并送入信号检测主机中.b. 将霍尔传感器探测到的磁场强度信号做前置放大并送入检测装置.图3 SMOKE 系统简图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做二级放大,分别经A/ D 转换后送计算机处理,同时数字电压表显示克尔信号及磁场强度信号. 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.6) 控制系统与计算机. 由Visual C ++编写的控制程序通过计算机实现自动控制和测量.根据设置的参量,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尔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扫描过程.实验可选用铁磁性金属材料如Fe ,Co,Ni 及坡莫合金等薄膜样品.4 实验内容及实验方法要描绘磁滞回线,需要采集2 组数据. 一组是反映加在样品上磁场强度H 的大小,另一组数据为样品在不同磁场下的磁感应强度B. 本仪器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 的变化来代表克尔旋转角或克尔椭偏率的变化. 对一般的铁磁性材料,克尔旋转角K θ和椭偏率K ε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.实验内容如下:1) 磁场强度的校准. 测得的磁场强度必须是样品待测点的磁场强度值,但霍尔传感器的探头并不可能准确放在该位置,因而必须进行校准.校准的方法是将样品移开,把CT5A 特斯拉计的探头放在样品待测点,并与本仪器霍尔传感器在各种励磁电流时读数值进行对比,从而校准磁场强度H 值.2) 格兰——汤普逊棱镜上螺旋测微装置的定标. 起偏棱镜和检偏棱镜同为格兰——汤普逊棱镜,机械调节结构由角度粗调和螺旋测角组成,将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0.01mm ,转盘分度值为1°,具体测量的精度须通过测微头线位移的角位移定标才能得到.3) 确定格兰2汤普逊棱镜的垂直轴方向和1/4波片的轴向方向. 实验时,要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,而进行椭偏率测量时还要使1/4波片轴向和起偏棱镜方向一致. 所以实验前要通过观察消光现象来确定格兰——汤普逊棱镜垂直轴方向和1/4波片上的轴向方向.4) 光路的调整与系统稳定性的测量.首先按光学实验的常规要求调整好光路,然后将硅基铝膜(玻璃反射镜)样品置于样品台上,观察其SMOKE 曲线是否为直线,以此来判断光路、磁路是否稳定.5) 电磁铁退磁. 若电磁铁存在剩磁,应退磁后再做实验.6) 坡莫合金薄膜的纵向克尔旋转角测定.入射光为p 光,而检偏器首先调整成消光位置,记录此时螺旋测微装置的螺旋刻度读数,然后设置检偏棱镜稍微偏离消光位置,再次记录螺旋刻度读数.根据2 次读数差及格兰——汤普逊棱镜上螺旋测微装置的定标求出δ.在通讯正常的情况下,开始克尔信号的采集.观测坡莫合金薄膜磁滞回线的形成过程,并通过控制软件的“寻找峰值”功能找到两峰值，,即找到了)(S B I +和)(S B I -，则由 2)()(0S S B I B I I -++=，)()(S S B I B I I --+=∆。
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。
三种磁光克尔效应 23
三种磁光克尔效应 23磁光克尔效应是指在磁场作用下，光在材料中传播时发生的偏振状态变化。
根据磁光克尔效应的性质和机制，可以分为三种类型，线性磁光克尔效应、二次磁光克尔效应和非线性磁光克尔效应。
1. 线性磁光克尔效应（Linear Magneto-Optical Kerr Effect，简称L-MOKE）：线性磁光克尔效应是指当外加磁场改变时，光的偏振状态发生线性变化的现象。
这种效应可以通过光的反射或透射来观察。
在光学材料中，当光通过材料时，磁场的改变会引起光的偏振面旋转角度的变化。
这种效应广泛应用于磁光器件和磁存储技术等领域。
2. 二次磁光克尔效应（Quadratic Magneto-Optical Kerr Effect，简称Q-MOKE）：二次磁光克尔效应是指在非共线磁结构下，光的反射或透射产生的二次谐波信号与外加磁场的平方成正比的现象。
这种效应常常用于磁光光谱学研究中，通过测量二次谐波信号的强度和极化方向，可以获得材料的磁性信息。
3. 非线性磁光克尔效应（Nonlinear Magneto-Optical Kerr Effect，简称N-MOKE）：非线性磁光克尔效应是指在高强度激光场下，光的反射或透射产生的非线性光学效应与外加磁场的关系。
这种效应常常出现在强激光与磁性材料相互作用的过程中，包括光学非线性效应和磁光非线性效应。
非线性磁光克尔效应在光学信息处理和磁光存储等领域具有重要应用价值。
总结起来，磁光克尔效应包括线性磁光克尔效应、二次磁光克尔效应和非线性磁光克尔效应。
这些效应在磁光器件、磁存储技术、磁光光谱学和光学信息处理等领域有着广泛的应用前景。
物理实验技术中的磁光克尔效应测量方法
物理实验技术中的磁光克尔效应测量方法磁光克尔效应是指光在磁场中传播时发生的一种现象。
它是由于磁场对光的折射率产生影响而导致的，这种影响可以通过克尔常数来描述。
磁光克尔效应的测量方法在物理实验技术中具有重要的应用，本文将探讨其中的一些方法。
首先，介绍一种经典的磁光克尔效应测量方法：波长法。
这种方法是通过测量不同波长的光在磁场中的折射率差异来确定克尔常数。
实验中，可以使用光源产生连续光谱，例如白炽灯或氙气灯。
将这些光通过一个棱镜分散成不同波长的色散光，在磁场中通过样品后，使用光栅或玻璃片将光反射回去，并进一步分散。
通过测量不同波长的光束在样品后的偏转角度，可以计算出不同波长的折射率变化。
最后，将这些数值代入光的折射率方程，可以求解出克尔常数。
此外，还有一种常用的磁光克尔效应测量方法是旋光法。
这种方法是通过测量不同磁场下旋光度的变化来确定克尔常数。
实验中，可以使用一个旋光仪，将可旋转线偏振片和样品夹在中间。
通过调整线偏振片的角度，并测量通过样品的旋光度，可以得到不同磁场下的旋光度变化。
将这些数值代入旋光度的公式，可以求解出克尔常数。
这种方法相对简单，且测量结果的误差相对较小，因此在实验室中常被应用。
虽然波长法和旋光法是常用的磁光克尔效应测量方法，但仍然存在一些局限性。
例如，波长法需要使用高分辨率的光谱仪，且在测量中需要考虑折射率的非线性效应。
而旋光法则需要比较复杂的仪器来测量旋光度，且在实验中可能受到样品的旋光度过小或过大的限制。
为了克服这些局限性，近年来研究者们提出了一种新的磁光克尔效应测量方法：干涉法。
这种方法利用了干涉现象来测量光的相位差，从而求解出克尔常数。
实验中，可以使用激光做为光源，将其分成两束光，其中一束光经过磁场作用后与另一束光通过样品后再次叠加。
通过调整干涉仪的角度和测量干涉条纹的移动情况，可以计算出相位差的变化。
将这些数值代入相位差的公式，可以求解出克尔常数。
干涉法不仅有较高的测量精度，还能够在较小的磁场范围内进行测量。
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IV. 结论
本实验通过测量一个磁性薄膜的克尔磁滞回线, 对磁光效应的物理效应的物理起 源、唯象理论和微观机制作了更好的解释. 本实验的特色在于运用光弹调制器将与克 尔转角, 克尔椭偏率有关的信号蕴含在参考信号的零阶, 一阶与二阶谐波分量中. 再经 整定器放大后用锁相放大器识别出来, 完成对弱信号的放大.
为验证猜测, 将起偏器转两度, 再次测量克尔转角与磁感应强度的关系. 测得 的磁滞回线如图 3所示. 经比较, 与原猜测符合.
至于克尔椭偏率, 其与磁感应强度的关系, 并不如克尔转角明显. 其主要原因是偏 振的激光经过光弹调制器时, 发生干涉，其一次谐波分量产生变化, 进而改变了克尔 椭偏率. 在光弹调制器的使用说明中写着:” 激光器的极窄的光谱带宽可能导致调制干 扰效应的问题. 这些效应在调制器实验中精确地感兴趣的频率产生杂散信号, 因此是
图 1: 实验光路示意图
示, 应用光弹调制器后, 经过整定器放大后的参考信号的二倍频与直流分量决定克尔 转角, 参考信号的一倍频和直流分量决定克尔椭率. 实验运用了椭偏和锁相放大器巧 妙地完成了对弱信号克尔转角的测量.
3. 克尔转角的标定
由于整定器分别对信号的直流和交流分量进行了放大, 所以锁相放大器测得的信
2. 如果用一个以角速度 ω 旋转的 λ/2 波片代替光弹调制器, 光电探测器的输出信号会 如何变化, 是否也能测出复克尔转角?
二分之一波片就是
o
光和
e
光正入射后相位差
(2n +
1)π,
那么
δ
=
(2n+1)π ,
cos(ωt)
同时
由于斜入射时, 会有较强的反射现象, 那么输出信号的强度将会周期性变化, 由于现在
V. 致谢
感谢 × × × 老师、实验室技术人员、同组人和对实验和报告有帮助的其他人．
[1] 吴思成，荀坤 2015 近代物理实验（第四版）（北京：高等教育出版社）第 134-147 页.
附录 A: 思考题
1. 我们的实验装置对克尔转角和克尔椭偏率的测量精度是否一样高，为什么？
先不考虑光弹调制器对一次谐波分量的影响, （若考虑则克尔椭偏率误差很大） 那么根据公式（1）和（2）可知两者的区别在于一次谐波分量与二次谐波分量的精度, 由于仪器精度决定的绝对误差相同, 都为 0.1mV , 那么因为二次谐波分量较一次谐波 分量大很多, 所以二次谐波分量的相对误差较小. 即克尔转角的测量精度较高.
的公式傅立叶展开后有较复杂的形式, （有一些奇点）所以应该不能简单的用一阶分
量等求出复克尔转角.
磁光克尔效应
×××
×× 大学物理学院 学号：
‘∗
(日期：2017 年 10 月 27 日)
摘要
该实验运用了光弹调制器和锁相放大器对弱信号克尔转角进行了放大, 来测量一 个磁性薄的磁滞回线，对磁光效应的物理效应的物理起源、唯象理论和微观机制作了 更好的理解.
关键词：磁光效应, 克尔转角, 磁滞回线
∗ × × × × ×@ (86)× × × × ~~~~
II. 实验
A. 实验原理
1. 光弹调制器和琼斯矩阵
设 δ 为经过光弹调制器后 y 方向电场分量相对于 x 方向电场分量的相位延迟量,
取 δ0 = δJ0 = 2.405, 为零阶贝塞尔函数的零点, 并测出光强的直流分量 V0, 一次谐波 分量 Vω 和二次谐波分量 V2ω, 即可求出;
√
θk
=
2V2ω 4V0J2 (δJ0 )
号各次谐波分量和直流分量幅度比与光电探测器输出的不一致, （1）式和（2）式将
变为:
θk
=
B V2ω 4V0J2 (δJ0 )
(3)
εk
=
−B Vω 4V0J1 (δJ0 )
(4)
可以考虑将入射光的偏振方向旋转小角度，克尔转角也会旋转小角度来标定 B。
图 2: 克尔转角与磁感应强度的变化关系
III. 实验结果及分析讨论
图 3: 旋转起偏器后的磁滞回线
非常麻烦的. 它们可以容易地具有比被研究的信号更大的量值. 应当注意, 这些效果 对于任何其他光源, 甚至光谱光源（例如汞弧灯和气体放电管）也不重要. ”
B. 实验中各种可能因数对测量误差的影响
影响试验结果的因数有很多. 就样品和光路来说, 如样品表面是否真正与入射激 光垂直, 样品是否与磁感应强度方向垂直, 亥姆霍兹线圈内的磁场强度是否一致等。以 及起偏器, 检偏器, 光弹调制器是否与应成的角度相等; 就仪器精度来说, 锁相放大器 的测量精度和高斯计的测量精度都对误差有影响. 由于光弹调制器对一次谐波分量影 响很大, 暂不作考虑. 至于克尔转角, 回到图 2, 克尔转角大约为 0.3 度, 测量引起的误 差从 0.8 度对应的两段图线来看, 误差大致为 0.03 度, 即误差为 10%.
1
I. 引言
1845 年, 法拉第观察到平面偏振光穿过在光的传播方向加有磁场的玻璃时, 偏振 面会转过一个角度. 之后, 克尔发现平面偏振光从光洁磁极表面反射时, 偏振面会发生 微小偏转., 它们和后来发现的若干效应一起, 统称为磁光效应. 借助磁光效应可以用 光学方法探测物质的磁化状态. 或者在已知试样磁性质的情况下, 测量其所在处的磁 场; 还可以通过外磁场来改变物质对光场的响应行为以达到某种应用目的. 所以, 磁 光效应在磁畴观察、磁光存储、薄膜磁性原位表征、自旋电子学、太阳磁场测量、原 子操作和冷却、光隔离等方面都有重要作用. 本实验通过测量一个磁性薄膜的克尔磁 滞回线, 对磁光效应的物理效应的物理起源、唯象理论和微观机制作了更好的解释.
A. 克尔磁 来测定磁滞回线. 测得的磁滞回线如图 2所示. 算得矫顽力 Hc = B/µ0 = 1.4 × 105A/m, 克尔转角为 0.3 度.
从图中可以看出当外磁场为零时, 仍有不为零的克尔转角. 猜测为通过起偏器入 射的偏振光其偏振方向并不严格沿 x 方向, 而是成 0.5 度的缘故.
(1)
√
εk
=
− 2Vω 4V0J1 (δJ0 )
(2)
2. 锁相放大器
锁相放大器起着抑制干扰和噪声的作用, 并从噪声和干扰中检测信号. 它利用和 被检测信号相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准, 只对被测信号本身和那些 与参考信号同频（或倍频）的分量有响应. 是弱信号检测的一种有效方法. 如图 1所