表面磁光克尔效应

表面磁光克尔效应

（物教101林晗）

摘要

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。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。

利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线，确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。研究铁磁（FM)/反铁磁（AFM)双层膜的交换偏置（Exange bias）现象。

关键词：偏振光；振动面；磁畴

目录

摘要 (1)

序论 (3)

1表面磁光克尔效应原理 (3)

1．1 表面磁光克尔效应 (4)

1.2 交换偏置 (4)

2三种克尔效应分析 (4)

2.1极向克尔效应 (5)

2．2纵向克尔效应 (5)

2.3横向克尔效应 (5)

3实验光路图 (5)

3.1光路图的连接 (5)

3.2光路图的特点 (6)

4克尔信号分析 (7)

4.1磁滞回线原理 (7)

4.2磁化原理 (8)

5表面克尔磁光效应的实际应用 (8)

5.1磁性材料的开发 (9)

5.2提高器件的速率． (9)

结语 (9)

参考文献 (9)

附件一 (10)

序论

磁光效应指的是光与处于磁化状态的物质之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括克尔磁光效应、科顿-穆顿效应(磁双折射效应)和塞曼效应、法拉第效应等。物质的磁化都是这些效应起源的重要条件,这些效应反映了物质磁性与光间的联系。这些都被广泛用于探索研究与技术相关的磁材料。

目前研究和应用最广泛的磁光效应为法拉第效应和克尔效应。1845年,英国物理学家法拉第首次发现了线偏振光透过放置磁场中的物质,沿着磁场方向传播时,光的偏振面发生旋转的现象,后来被称为法拉第效应[1]。受到了法拉第效应的启示,1876年,克尔发现了线偏振光入射到磁化媒质表面反射时偏振面发生旋转的现象,即克尔效应[2]。直到1985年,Moog和Bader两位学者提出用SMOKE 来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerreffect)的缩写,以此表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究,成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,开启了超薄磁性物质与界面磁性材料研究的大门

1表面磁光克尔效应原理

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。

1．1 表面磁光克尔效应

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. 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,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.

1.2 交换偏置（Exange Bias）

铁磁(FM) / 反铁磁(AFM) 体系(如双层膜) 在外磁场中从高于反铁磁奈尔温度冷却到低温后,铁磁层的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点,其偏离量被称为交换偏置场,通常记作HE,同时伴随着矫顽力的增加,这一现象被称之为交换偏置.

2.三种克尔效应分析

2.1极向克尔效应

磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。通常情况下，极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大，在垂直入射时达到最大。

2．2纵向克尔效应

磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。纵向克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减小，在零入射角时为零。

2.3横向克尔效应

磁化方向在样品膜面内，并且垂至于入射面。横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。

3实验光路图

3.1光路图的连接

3.2光路图的特点

偏振器件配置

4.克尔信号分析

5.表面克尔磁光效应的实际应用

5.1磁性材料的开发

随着计算机应用的普及,和人们对硬盘空间需求的增大,因此人们对磁性材料的研究也达到了一个新的阶段.磁性材料的应用也很广泛，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等。可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。

磁性材料包括烧结钕铁硼磁体，粘结钕铁硼磁粉、钐钴磁磁体，钕铁硼磁体，特种形状磁体，复合型永磁体、铁氧体永磁材料、铁氧体软磁材料、金属软磁材料、非晶及纳米晶磁性材料，以及各种磁性功能材料。

5.2提高器件的速率．

由于磁性材料应用的广泛，因此器件的微型化已成为一种大趋势，这就使得对体积较小且功率较大的驱动器的需求变得越来越迫切．NiMn形状记忆合金薄膜具有优良的性能．一是可以在单位体积中产生出比传统的块体材料驱动器更大的能量密度．二是可以加快加热（冷却循环）的周期，从而提高循环的工作周期，故可以提高器件的响应速率．

结语

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。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。

参考文献：

1.《卫生职业教育》2008年15期磁光材料的典型效应及其应用

2.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.

3. 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.