克尔效应实验报告
克尔效应实验报告
近代物理实验报告实验题目：表面磁光克尔效应班级：学号：学生姓名：实验教师：表面磁光克尔效应实验报告一、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、实验装置（1）光学减震台；（2）光路系统,包括入射光路与接收光路；（3）励磁电源主机和可程控电磁铁；（4）前级放大器和直流电源组合器（a.为激光器提供精密稳压电源；b.将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入系统控制装置中的信号检测装置中；c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置)；（5）信号检测主机；（6）控制系统和计算机。
三、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。
研究性实验报告_晶体的电光效应1
基础物理实验研究性报告晶体的电光效应院系仪器科学与光电工程学院作者张海霞 10171124胡笛 10171147目录摘要 .................................................................... - 3 - 关键字 .................................................................. - 3 - 实验要求................................................................. - 4 - 实验原理................................................................. - 4 -1.电光晶体和泡克尔斯效应............................................. - 4 -2 电光调制原理....................................................... - 5 -(1) 横向调制实验................................................. - 6 -(2) 直流偏压对输出特性的影响.................................... - 8 - 实验仪器................................................................ - 10 - 实验步骤................................................................ - 10 -1 调节光路.......................................................... - 10 -2 电光调制器T—V工作曲线的测量..................................... - 11 -3 动态法观察调制器性能.............................................. - 11 - 数据记录与处理.......................................................... - 12 - 原始数据表格........................................................ - 12 - T—V工作曲线数据表............................................. - 12 - T—V工作曲线................................................... - 13 - 数据处理................................................................ - 14 - 误差分析及改进方法...................................................... - 14 - 实验思考题.............................................................. - 15 - 实验总结................................................................ - 16 -摘要激光是一种光频电磁波.具有良好的相干性.与无线电波相似.可用来作为传递信息的载波。
晶体的电光效应实验报告
晶体的电光效应实验报告晶体的电光效应实验报告引言：晶体是一种具有有序排列的原子、离子或分子的固体物质。
它们在光学、电子学和通信等领域中具有重要的应用。
本实验旨在探究晶体的电光效应，通过实验观察和数据分析，深入了解晶体在电场作用下的光学行为。
实验装置和步骤：实验装置包括：晶体样品、光源、电源、电极、偏振片等。
实验步骤如下：首先，将晶体样品放置在实验台上，并连接电源和电极；然后，使用光源照射晶体样品，并通过偏振片调节光的偏振方向；最后，记录观察到的光学现象，并根据实验数据进行分析和解释。
实验结果：在实验过程中，我们观察到了晶体的电光效应。
当电场施加到晶体上时，晶体的折射率发生了变化，导致光线的传播速度发生改变。
这种现象称为克尔效应。
通过调节电场的强度，我们发现晶体的折射率随电场的变化而变化，进一步验证了克尔效应。
此外，我们还观察到了晶体的双折射现象。
在无电场作用下，晶体的折射率相同，光线以相同的速度传播。
然而，在电场的作用下，晶体的折射率变化，光线被分成了两束，分别沿着不同的方向传播。
这种现象称为晶体的双折射现象，也是晶体的电光效应的重要表现形式之一。
数据分析：通过实验测量和数据分析，我们可以得出晶体的电光效应与电场强度之间存在一定的关系。
随着电场强度的增加，晶体的折射率也随之增加。
这种关系可以通过线性拟合得到一条直线，从而可以预测在不同电场强度下晶体的折射率。
此外，我们还可以通过实验数据计算晶体的电光系数。
电光系数是衡量晶体电光效应强弱的指标，它描述了晶体折射率随电场变化的程度。
通过实验测量晶体在不同电场下的折射率，并将其与电场强度进行对比，我们可以计算出晶体的电光系数。
讨论和结论：通过本实验，我们深入了解了晶体的电光效应。
晶体在电场作用下表现出的克尔效应和双折射现象，为我们理解晶体在光学领域的应用提供了重要的实验基础。
此外，我们还发现晶体的电光效应与电场强度之间存在一定的关系，并通过实验数据计算出晶体的电光系数。
克尔效应和普克尔效应
克尔效应和普克尔效应一、引言克尔效应和普克尔效应是描述磁性和电性之间奇妙相互作用的两种效应。
它们分别揭示了在导体中电流流动时与磁场的关系，以及在磁场中运动的电荷的独特行为。
本文将对这两种效应进行综述，包括其基本原理、应用领域以及实验观察的结果。
二、克尔效应基本原理：克尔效应是指当电流通过导体时，该导体周围产生的磁场与外部磁场相互作用，导致导体内部出现电流分布不均匀的现象。
这一效应是由奥地利物理学家恩斯特·克尔于1888年首次描述的。
观察现象：当导体中有电流流过时，克尔效应导致导体两侧的电流密度分布不均匀，使得导体表面产生一定的电势差。
这一现象在外部观察时表现为导体两侧产生的电压差。
数学描述：克尔效应可以用数学公式描述，其中包括电流、磁场强度和导体材料的参数。
数学模型揭示了克尔效应的影响因素和导体内部电流分布的规律。
应用领域：克尔效应在电磁感应、磁传感器和电流测量等领域有广泛应用。
磁流计就是基于克尔效应工作的一种传感器，用于测量电流。
三、普克尔效应基本原理：普克尔效应是指在导体中存在电流的情况下，当导体被放置在磁场中时，会产生一个电动势。
这一效应是由德国物理学家霍尔曼·普克尔于1853年首次发现的。
观察现象：在普克尔效应中，导体中的自由电子在受到外部磁场力的作用下，会发生偏转，从而在导体两侧产生电势差。
这一电势差垂直于电流方向和磁场方向。
数学描述：普克尔效应可以通过霍尔系数描述，该系数表示电势差与电流、磁场的关系。
数学模型表明电势差与电流方向、磁场方向和材料参数有关。
应用领域：普克尔效应在霍尔传感器、霍尔元件和磁传感器等领域有广泛应用。
霍尔传感器常用于测量磁场强度和检测运动。
四、克尔效应和普克尔效应的区别物理机制：克尔效应描述的是电流通过导体时，导体内部电流分布不均匀导致的电势差；而普克尔效应描述的是导体中存在电流时，在外部磁场作用下导致的电势差。
产生电势差的方向：在克尔效应中，电势差方向垂直于电流方向和磁场方向；而在普克尔效应中，电势差方向垂直于电流方向和磁场方向。
电光调制实验报告模板
一、实验目的1.了解电光调制的工作原理及相关特性；2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；二、实验原理某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。
电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。
利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，图2-1是几种电光调制器的基本结构形式。
图2-1：几种电光调制器的基本结构形式a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。
通过克尔盒时不改变振动方向。
到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。
），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。
这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。
所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。
Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。
对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。
由此即实现了对光的调制。
泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。
因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。
磁光效应实验报告
轴不够重合，检偏棱镜，透镜聚焦位置不好，抑或是测量时噪音过大，影像数据的读取。
四、
参考文献
[1]. Qiu Z Q , Bader S D. Surface magneto-optic Kerreffect [J ] . Journal of Magnetism and Magnetic Materials , 1999 ,200 :664～678. [2]. 赵凯华. 新概念物理教程·光学[M] . 北京:高等教育出版社,2004. [3]. 刘公强，乐志强，沈德芳。磁光学。 上海科学技术出版社，2002. [4]. 廖延彪. 偏振光学[M] . 北京:科学出版社,2005. [5]. 吴思诚 王祖铨. 近代物理实验 高等教育出版社，2005. [6]. M. Faraday, Trans. Roy. Soc. (London) 5 (1846) 592. [7]. J. Kerr, Philos. Mag. 3 (1877) 339. [8]. J. Kerr, Philos. Mag. 5 (1878) 161. [9]. E.R. Moog, S.D. Bader, Superlattices Microstruct. 1 (1985) [10]. 543. [11]. S.D. Bader, E.R. Moog, P. GruK nberg, J. Magn. Magn. [12]. Mater. 53 (1986) L295. [13]. S.D. Bader, J. Magn. Magn. Mater. 100 (1991) 440. [14]. J.C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, [15]. Vol. II, chap. XXI, Clarendon Press, Oxford, 1873, pp.399-417. [16]. Z.Q. Qiu, S.D. Bader / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999) 664}678 677
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。
实验题目磁光克尔效应测量磁各向异性
实验题目：磁光克尔效应测量磁各向异性
指导老师：吴义政
一、实验目的、意义和要求
利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线，同时确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。
希望通过实验，学生能够了解磁光效应的原理以及实验装置，同时掌握测量各向异性的方法，对特定材料体系了解决定磁各向异性的因素。
二、参考书籍与材料
1 《凝聚态磁性物理》，姜寿亭等，科学出版社
三、实验前需了解的相关知识
原理方面的问题：
1 检偏器，1/4波片等光学元件的原理。
2法拉第效应和磁光克尔效应的原理。
实验方面的问题：
1光学光路搭建
2 光探测器原理。
四、实验室可提供的器材
磁光测量所属的光学元件、磁铁和计算机。
五、实验内容和要求
1 原理上，了解磁光测量的三种配置，了解利用磁光效应测量各向异性的原理。
2. 实验上能够搭建磁光克尔效应所用的光路，并能够调试实验到最佳状态，并探索
提高实验精度的方法。
3. 能够分析不同方向的磁矩对于磁光克尔效应的影响。
六、实验报告的要求
1实验原理；
2 介绍所组装仪器的实验原理及实验方法；
3 记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析、讨论；
4 记录实验数据，并对结果进行分析讨论；
5 写出本实验的总结、收获和体会。
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。
磁光效应物理实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解磁光效应的原理及其在光学领域中的应用；2. 掌握磁光效应实验的基本操作；3. 通过实验，测定磁光效应中的一些关键参数，如磁光克尔效应和法拉第效应；4. 分析实验数据，得出磁光效应的相关规律。
二、实验原理磁光效应是指电磁波在磁场中传播时，其电磁场分布发生变化的现象。
主要包括磁光克尔效应和法拉第效应。
1. 磁光克尔效应：当线偏振光通过具有磁光性质的介质时，其偏振面会旋转一个角度，称为克尔角。
克尔效应的大小与磁场的强度和介质的磁光常数有关。
2. 法拉第效应：当线偏振光通过具有法拉第效应的介质时，其偏振面会旋转一个角度，称为法拉第角。
法拉第效应的大小与磁场的强度、介质的法拉第常数以及光在介质中的传播速度有关。
三、实验仪器与材料1. 磁光克尔效应实验装置：包括线偏振光源、磁光克尔效应样品、检偏器、光电池等；2. 法拉第效应实验装置：包括线偏振光源、法拉第效应样品、检偏器、光电池等；3. 直流稳压电源、磁铁、光具座、光电池读数仪等。
四、实验步骤1. 磁光克尔效应实验：（1）将线偏振光源发出的光通过检偏器，得到线偏振光；（2）将线偏振光照射到磁光克尔效应样品上，调节磁铁的位置，使样品处于磁场中；（3）通过检偏器观察光电池的输出信号，记录克尔角；（4）改变磁场强度，重复上述步骤，得到一系列克尔角数据。
2. 法拉第效应实验：（1）将线偏振光源发出的光通过检偏器，得到线偏振光；（2）将线偏振光照射到法拉第效应样品上，调节磁铁的位置，使样品处于磁场中；（3）通过检偏器观察光电池的输出信号，记录法拉第角；（4）改变磁场强度，重复上述步骤，得到一系列法拉第角数据。
五、实验数据整理与归纳1. 对磁光克尔效应实验数据进行处理，得到克尔角与磁场强度的关系曲线；2. 对法拉第效应实验数据进行处理，得到法拉第角与磁场强度的关系曲线；3. 根据实验数据，分析磁光克尔效应和法拉第效应的规律。
六、实验结果与分析1. 磁光克尔效应实验结果表明，克尔角与磁场强度呈线性关系，符合磁光克尔效应的规律；2. 法拉第效应实验结果表明，法拉第角与磁场强度呈线性关系，符合法拉第效应的规律；3. 通过实验，验证了磁光效应在光学领域中的应用，如光学隔离器、光开关等。
电光效应实验报告
现代测控系统集成设计报告——晶体的电光效应—泡克尔斯效应实验姓名：***学号：**********班级：硕2022专业：测试计量技术与仪器报告日期：2013年1月3日目录一、实验原理 (1)二、仪器介绍 (7)三、实验内容 (9)四、数据处理 (11)五、注意事项 (12)一、实验原理某些晶体在外加电场中，随着电场强度E的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应。
通常将电场引起的折射率的变化用下式表示:式中a和b为常数，n0为E0=0时的折射率。
由一次项aE0引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔电光效应（pokells）；由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔效应（kerr）。
由（1）式可知，一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。
光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。
通常用折射率椭球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系，在主轴坐标中，折射率椭球方程为：式中n1，n2，n3为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。
如图一所示，当晶体上加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球的方程变为图一晶体折射率椭球只考虑一次电光效应，上式与式（2）相应项的系数之差和电场强度的一次方成正比。
由于晶体的各向异性，电场在x、y、z各个方向上的分量对椭球方程的各个系数的影响是不同的，我们用下列形式表示：上式是晶体一次电光效应的普遍表达式，式中γij叫做电光系数(i=1,2,…6;j=1,2,3)，共有18个，E X、E Y、E Z是电场E在x、y、z方向上的分量。
式（4）可写成矩阵形式：电光效应根据施加的电场方向与通光方向相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效应。
利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制；利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制。
表面磁光克尔效应实验
2. 实验原理－－橫向克尔效应
图4 横向克尔效应 如图4所示，磁化方向在样品膜面内，并且垂直于 入射面。横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。 这是因为在这种配置下，光电场与磁化强度矢积的方 向永远没有与光传播方向相垂直的分量。横向克尔效 应中，只有在偏振光（偏振方向平行于入射面）入射 条件下，才有一个很小的反射率的变化。
1. 历史背景
3．SMOKE测量到的信息来源于介质上的 光斑照射的区域。由于激光光束的束斑可用聚 焦到1mm以下，这意味着SMOKE可以进行局 域磁性的测量。这一点是其他磁性测量手段诸 如振动样品磁强计和铁磁共振所无法比拟的。
在磁性超薄膜的研究中，样品的制备是一 个周期较长而代价昂贵的过程。有人已经实现 在同一块样品上按生长时间不同而制备出厚度 不等的锲形磁性薄膜。这样从一块样品上就能 够得到磁学性质随薄膜厚度变化的信息，可以 大大提高实验效率。无疑，SMOKE的这种局 域测量的特点使它成为研究这类不均匀样品的 最好工具。
2的光线有一个本底光强。 反射光偏振面旋转方向和
同向时，则光强增大，反向
时，则光强减小，因此，样 品的磁化方向可以通过光强 的变化来区分。
2. 实验原理－－SMOKE的数学推导
在图2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于 Ep 的电场分量 Es ，通常 Es << Ep 。在一阶近似下有：
两个偏振棱镜的设置状态 主要是为了区分正、负克尔 旋转角。
若两个偏振方向设置在消 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。
表面磁光克尔效应实验
当两个偏振方向之间有一个小角度时，通过 偏振棱镜2的光线有一个本底光强。反射光偏振面 旋转方向同向时光强增大，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。
表面磁光克尔效应实验扫描图样
克尔信号分析
虽然表面磁光克尔效应的测量结果是克尔 旋转角或者克尔椭偏率，并非直接测量磁 性样品的磁化强度。但是在一阶近似的情 况下，克尔旋转角或者克尔椭偏率均和磁 性样品的磁化强度成正比。表面磁光克尔 效应实际上测量的是磁性样品的磁滞回线， 因此可以获得矫顽力、磁各向异性等方面 的信息。
磁性材料可分为顺磁质、抗磁质、铁磁质等， 磁性材料可分为顺磁质、抗磁质、铁磁质等，它们 的磁化机制各不相同在这里不作详细介绍。 的磁化机制各不相同在这里不作详细介绍。 磁性材料又可分为硬磁材料、软磁材料、 磁性材料又可分为硬磁材料、软磁材料、矩磁材料 等等，它们的磁滞回线是各有特点的 等等，它们的磁滞回线是各有特点的
B
B
B
O
H
H
O
H
硬磁材料 软磁材料 矩磁材料
磁化原理
（1）、一般材料的磁化原理 ）、一般材料的磁化原理 B0
（a）无外磁场时
B/
（b）有外磁场时
（2）、铁磁质的磁化原理 ）、铁磁质的磁化原理B0Fra bibliotek（a）无外磁场时
（b）有外磁场时
课后问题
如何判断是哪种克尔效应？
如何判断正负克尔效应？正负克尔效应的产 生与什么因素有关？
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。
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。
光学磁场实验报告
一、实验目的1. 理解光学磁场的产生原理；2. 掌握光学磁场实验装置的使用方法；3. 通过实验验证光学磁场的基本特性；4. 分析光学磁场在实际应用中的重要性。
二、实验原理光学磁场是指电磁波（如光波）在传播过程中，由于电磁场的相互作用，产生的磁场效应。
根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会产生感应电场，而变化的电场又会产生感应磁场，二者相互诱导，形成电磁波。
本实验采用克尔效应（Kerr Effect）原理，即当光波通过具有非线性光学性质的物质时，其偏振状态会发生变化，从而产生光学磁场。
实验装置主要包括以下部分：1. 光源：提供连续可调的激光；2. 起偏器：将激光分解为两个正交的线偏振光；3. 分析器：将光波分解为两个正交的线偏振光；4. 非线性光学材料：如克尔棱镜，用于产生光学磁场；5. 测量系统：用于测量光波偏振状态的变化。
三、实验仪器与设备1. 光源：连续可调激光器；2. 起偏器：线偏振片；3. 分析器：线偏振片；4. 非线性光学材料：克尔棱镜；5. 测量系统：光电探测器、计算机；6. 其他辅助设备：激光器电源、光路调节装置等。
四、实验步骤1. 调节光路，使激光束垂直照射到克尔棱镜上；2. 将起偏器放置在光路中，使激光束分解为两个正交的线偏振光；3. 将非线性光学材料（克尔棱镜）放置在光路中，使光波通过；4. 通过调节分析器，观察光波偏振状态的变化；5. 利用光电探测器测量光波偏振状态的变化，并记录数据；6. 改变激光器的输出功率，重复实验步骤，观察光波偏振状态的变化；7. 分析实验数据，验证光学磁场的基本特性。
五、实验结果与分析1. 实验结果表明，当激光束通过克尔棱镜时，其偏振状态发生变化，产生了光学磁场；2. 随着激光器输出功率的增加，光波偏振状态的变化幅度增大，说明光学磁场的强度与激光器输出功率成正比；3. 实验结果与理论分析相符，验证了光学磁场的基本特性。
六、实验总结1. 本实验成功验证了光学磁场的产生原理，掌握了光学磁场实验装置的使用方法；2. 通过实验，加深了对光学磁场基本特性的理解，为光学磁场的实际应用奠定了基础；3. 实验结果表明，光学磁场在光学通信、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。
MOKE磁光克尔实验报告
Magneto-Optical Kerr Effect and magnetic anisotropiesAravind Anjana and Zhou QingyuanPhysics Department,Freie Universit¨a t Berlin UniversityJune9,2021Contents1Abstract1 2Introduction2 3Geometry23.1Magnetic properties of ferromagnetic (2)4Hysteresis loop34.1Magnetic Anisotropy (3)4.2Magnetocrystalline Anisotropy (4)4.3Shape anisotropy (5)5Magnetic Domains5 6Contrast and Kerr rotation5 7Magnetic Field Calibration6 8Setup7 9Data analysis and Formula derivation79.1Calibration of Magneticfield (7)9.2Magnetic anisotropy (8)10Kerr angle910.1Kerr Microscopy (10)11Conclusion11 12In addition12 1AbstractIn this experiment,we use longitudinal Magnetic-Optical Kerr Effect(MOKE)to examine the magnetic properties of a thin Bcc Fe single-crystal,then we measure the hard and easy magnetization axis in thefilm plane to determine the shape and crystal anisotropy.At last,a polar Kerr microscope is used to analyze the domain pattern of a rare-earth iron garnetfilm and to study the response of the domains under external magneticfields.2IntroductionMOKE explains how the material’s surface can rotate the polarization of the light reflected from the material.This effect was observed by John Kerr in1887.Magneto-optical effects happen when the magnetization of the material affects the transmission of polarized light(Faraday Effect)or when the magnetization of the material affects the reflection of polarized light(Kerr Effect)[1].3GeometryKerr effects are classified based on the applied magneto-optic geometry The effects are dependent on the orientation of the magnetization concerning the incident and sample planes[34].•In the polar Kerr effect,the magnetization direction is perpendicular to the plane of thefilm and parallel to the plane of incidence.•In the longitudinal Kerr effect,the magnetization is in the plane and the scattering plane of the light.•In the transverse Kerr effect,there will be no change in the reflected light polarisation as no component of light is propagating along the direction of magnetization.Figure1:The three basic MOKE configurations[2]3.1Magnetic properties of ferromagneticEach electron has a magnetic dipole moment and within the electron shell orbital,the two electrons present have opposite spin dipole moment.Opposite direction dipole moments can conceal each other,which means the total dipole moment of afilled electron equal to zero.Therefore,some elements with partiallyfilled shells can be magnetic[13].Because of the Pauli exclusion principle,two electrons cannot occupied the same orbital.When the orbitals of the unpaired outer valence electrons from adjacent atoms overlap,the distributions of their electric charge in space are farther apart when the electrons have parallel spins than they have opposite spins[13].However,this effect cannot keep all spins align in a certain direction(because of thermalfluctuation,the motion of electron is random).In general,the energy is dependent on the direction of magnetization relative to the crystallographic lattice,which makes magnetic dipole moments to a particular direction.This phenomena is known as magnetic anisotropy(magnetic anisotropy is also from inverse magnetostriction and single-domain magnet)[14].Although as above described,in real magnetic distribution,only in a certain region the magnetic dipole moments point at a same direction.And these regions are called magnetic domains(also known as Weiss domains.fig.2)[15]. The magnetization will change under the appliedfield and also the magnetic domain.As the magneticfield increases, the magnetism will be align with the magneticfield in the end(fig.3).Figure2:Magnetic domain distribution description,right side is H=0and left side is at saturation point[16]Figure3:Magnetization vs.Applied magneticfield.The circle implied magnetic domain changing:start with the zero magnetization,to the end aligned with magneticfield[17].4Hysteresis loopHysteresis loop depicts the relation between the induced magneticflux density(B)and magnetizing force(H) which can show magnetic properties of materials and resembles one cycle of magnetization.The properties of a good permanent magnet are defined in terms of the remanence and coercivity of the magnet materials[31].The magnetism within a material is preserved even after the magnetismfield disappears.This capability of the material is called Remanence.The measurement of the reverse magnetizingfield applied for which the residual magnetism of the material vanishes is called its Coercivity.The magnetizing force is implemented to the sample(first time)which will increaseflux density B along the dashed line till a point where it cannot be increased anymore called the saturation(b).Then the magnetization force is reduced to zero but there is however someflux left in the sample which is called remanence(c).Then the magnetization force applies in the reverse direction to make residual magnetism to zero(d)fig.4.As the magnetization force now increases in the reverse direction,the sample becomes saturated again in the opposite direction(e).If B is reduced and then increased with the direction reversed,the H draws the path in the other direction forming a closed loop.4.1Magnetic AnisotropyMagnetic Anisotropy is how the magnetic properties are influenced by the direction of an appliedfield concerning crystal lattice.It strongly affects the shape of the B-H curve which controls coercivity and remanence.To reach the saturation point,higher or lower magneticfields are needed which is based on the orientation of thefield concerning the crystal lattice.[20].Magnetic Anisotropy has significant functional value as it is utilized in the design of most magnetic materials for commercial plans.For most of the magnetically anisotropic materials,there exist two directions to magnetize the material called Easy axis and Hard axis(fig.5).•Easy axis is the direction within a crystal by which a small magneticfield applied can reach the saturation magnetization.Figure4:Hysteresis loop depicts the relationship between induced magnetic density B and magnetizing force H[3].Figure5:Co20F e20,the schematic picture to show the hard axis and easy axis.•Hard axis is the direction within a crystal by which a large magneticfield is needed to reach saturation magnetization.There are various types of magnetic anisotropy but for our experiment we only focus on crystalline anisotropy and shape anisotropy.4.2Magnetocrystalline AnisotropyCrystalline anisotropy is a ferromagnetic property that depends on grain size and shape.The most obvious method to observe it is by measuring magnetization curves along with different crystal directions.Based on the orientation of the sample in the magneticfield,the magnetization approaches saturation in different magneticfields by which easy axis and hard axis can be observed.Crystalline anisotropy energy can be interpreted by thefirst series expansion of the angle between magnetization direction and the sample axes.In short it is the series of expansion of direction cosines of M s,relative to the crystal axes x=[100],y=[010],and z=[001][10].For cubic systems the expression for this energy is as follows[12]:E cryst=K0+K1(α21α22+α21α23+α22α23)+K2α21α22α23+ (1)K is the crystalline anisotropy constants,We set the z as our rotation axis,soα3=0,then the equation becomesM=K0+K1sin2(φ)cos2(φ).(2) Where E cryst is crystalline anisotropy energy per volume,(φ)is the angle between applied magnetization and crystal axis in cubic structure.Therefore,the Crystalline anisotropy energy is the energy needed to deflect themagnetic moment in a single crystal from the easy to hard direction.4.3Shape anisotropyShape anisotropy is due to the shape of the magnetic sample.This anisotropy is due to the dipole-dipole interactions that occur in ferromagnets.It is defined as the magnetic strayfield energy per volume as a function of the magnetization direction.The charges or poles are generated on the surface of the sample which creates an isolated magneticfield called the demagnetizingfield.It is called the demagnetizingfield because it acts in opposition to the magnetization that produces it.[19]For uniformly magnetized magnetic ellipsoids bodies,the shape anisotropy can be quantificationally described by the demagnetization tensor N which depends only on the shape.[33]Thenwe get[20]E shape=(µ02)H D M S=(µ02)NM2S(3)Where E shape is shape anisotropy energy which can be shown as a function of demagnetization factor(N)and saturation magnetization(M S).The demagnetization factor(N)depends on the magnetization direction.H D=N M S is the demagnetizationfield,which superposes the external magneticfield in an antiparallel orientation.5Magnetic DomainsThe magnetic domain is a region within a magnetic material in which the magnetization is in a uniform direction. This indicates that the specific magnetic moments of the atoms are aligned with one another and they point in the same direction.When it is cooled below a certain temperature called Curie temperature the magnetization of ferromagnetic material immediately splits into several small regions called magnetic domains.The magnetization within each domain points in a uniform direction,but the magnetization of various domains may point in different directions.[23]These domains need to be divided by domain walls where the magnetization orientates coherently from a direction in one domain to that in the next domain Fig2.Generally,it experiences an angular displacement of90°or180°.A domain wall is a progressive reorientation of different moments across afinite distance(N´e el and Bloch walls).[22]The domains of the sample arefilmed by the Kerr Microscopy,so with the help of an external magneticfield the domain orientation and the wall separations width can be changed6Contrast and Kerr rotationLight is a transverse electromagnetic wave that can be molded optically into the plane,circularly or elliptically polarised ually,the plane of polarisation is the plane that includes the electricfield E and the direction of propagation.When the electricfield is polarised in the plane of incidence it is known as p-polarised light.On the other hand when the electricfield is polarised perpendicular to the plane of incidence then it is known as s-polarised light.[27]When plane-polarized light is reflected from a metallic surface,it is said to be elliptically polarised.If the incident light is p or s polarised then the light reflected can still be plane polarised.this is due to the reflecting surface being the plane of symmetry for the system.[26].When p-polarised light is reflected from a magnetic surface the reflected light not only as a p-component but also a small s component.This second electric field component is out of phase with the reflected p-component.Therefore the reflected light becomes elliptically polarised with its axis rotated from the incident polarization plane.This is also the case with s-polarised light (Fig refpolarised).These two effects are said to be Kerr ellipticity and Kerr rotation.[28]The MOKE can be characterized based on its rotation and ellipticity properties.Linearly-polarized light can be decomposed into left and right circularly-polarized components.Each of these components has the same phase velocity and amplitude. When linearly-polarized light interacts with magnetized materials,the polarization state of the light will change in two ways.Thefirst way involves the rotation of the polarization axis,and the second is a change from linearly-polarized to elliptically-polarized light that is characterized by the ellipticity.[32]The changes in polarization are transformed by the analyzer into the light intensity change.The KerrθK cannot be estimated directly.Instead,we measure the contrast c,which is the measure for the signal to noise ratio.The contrast is defined asc(α)=I+−I−I0=2.I+−I−I++I−(4)where I+and I−are the saturation signals at both magneticfield directions and I0is the average intensity.We cannot measure the angle directly,so we use the Malus law that defines as a completely plane-polarized light is incident on the analyzer,the intensity I of the light transmitted by the analyzer is directly proportional to theFigure6:Illustration of p-polarised and s-polarised light.square of the cosine of the angle between the transmission axes of the analyzer and the polarizer.Malus law gives an expression of the contrast in terms of the analyzer positionαand the Kerr rotationθI=I0.cos2θ(5) whereθis the angle between polarizer polarization of the incoming light.This angle can be given asθ=αβwhereαrefers to the angle between an arbitrary axis and the polarizer andβto the same arbitrary axis and the polarization of the incoming light.In our experiment we measured close to the extinction angle,therefore theMalus law can be rewritten as:I±=I0.cos2(α±β−π2)=I0.sin2(α±β)(6)For small angles I±will be approximately equal to I0.(α±β)2.Therefore contrast equation is re-written asc(α)=4αβα2+β2(7)7Magnetic Field CalibrationFor determining the magneticfield,we use Ampere’s lawB·d l=µI.(8)Where,B-magneticfield,l-length in the loop,µ-permeability for material.For solenoid,our loop should be likefigure.[7],The equation is split into two partFigure7:Magneticfield calculation in coilsuch that,B iron·l iron/µiron+B air·l air/µair=NI(9)where N is the number of coils,l is the length of air or solenoid.Here the relative permeability isµiron/µ0=5000,µair/µ0≈1.The length of solenoid is less than0.3meter,thefirst term of LHS is ignored.Then our equationbecomes:B=µ0NIl.(10)µ0≈4π10−7H/m is permeability,N is number of coil windings,l is the length of slit.8SetupThe main components of the Setup areLight Source He Ne Laser(output:0.5mW)Sample FeAnalyzer Polarization FilterRecorder PhotodiodeSignal amplifier A/D converterMagnetic Camp Field Generator Iron RingKerr microscope CCD cameraExternal magnticfield Generation electromagnetTable1:ComponentsIn our experiment,a linearly polarized He-Ne laser is used as light source.The laser beam is reflected from the Fefilm and then passes a polarizationfilter.The intensity of the light is recorded with a photodiode.the Kerr rotation of the Fefilm is small,a direct measurement that is impossible through the analyzer’s single positioning. Kerr rotation is measured by rotating the analyzer and using the intensity contrast depending on the analyzer angle.The photodiode signal is amplified and reported on a computer with an A/D converter.The sample isfixed in a ring shaped iron core,which is covered by a coil.The magneticfield is proportional to the computer-controlled current of the coil and can be calibrated using a Hall-probe.The sample is rotatable and is magnetized along the [100]or the[110]direction of the bcc Fefilm.For visualization of the domains,a Kerr microscope is used.The Kerr microscope is implemented for polar MOKE geometry using a CCD camera.An electromagnet is used for the production of the external magneticfield.Figure8:Experimental setup[21]9Data analysis and Formula derivation9.1Calibration of MagneticfieldThe MOKE experiment is observed when the external magneticfield is applied to the ferromagnetic material and it changes the magnetization.The external magneticfield is induced by the coils by applied voltage.The number of coils is300,slit length is12mm,from the eq.10,for our theoretical approximation:the dependence of magnetic field on the current is B=µ0∗300∗4∗103/12≈31.4mT/A I.The data is collected by the Hall probe,which can measure the magneticfield of the slit(fig.8.The computer will record magneticfield amplitude with changing the coil current.In this part,we missed to record the data,so we will use the theoretical assumption and add a randomfluctuation in range of1mT(fig.9).Figure9:Simulation of relation between magneticfield and current.Blue dots are the data points and red line is fitting resultAnd thefitting result is:B=(31.6±0.4)mT/AI+(0.5+0.0)mT(11)9.2Magnetic anisotropyThe hysteresis loops is the relationship between the sample Fefilm magnetization and the applied magneticfield which are recorded in under different angles in order tofind the easy axis and hard axis(fig.12),however from them we barely could distinguish the hard and easy axis.In general,a ferromagnetic material hysteresis loop should be like above(fig.5).From eq.2,φ[110]of hard axis(bcc Fe)is45◦to easy axis.So the energy difference is∆E=E[110]−E[100]=K0+K1sin2(π4)cos2(π4)−K0=K14.(12)We can get the energy difference via the difference of hysteresis loop integration.neglect thefluctuation on both side.Here need to mention that the saturation magnetization is2.1T/µ,we rescale the20◦and55◦hysteresis loop(we should select65◦,but60,65,70are not acceptable).[1](figure.[10]).The difference between integral ofFigure10:Hysteresis loop for hard and easy axisThe noise is too large,our rescaled data is made by manual adjustment.easy hysteresis loop and hard axis hysteresis loop,multiplyingµis the energy difference,which is just14offirstorder anisotropy constant.The integral we use python to calculate,and ignore the noise on both side,and makean approximation in the bottom of the hysteresis loop.Noticed the unit isT·m2=J/A,µ=1.245∗10−6N/A2,J=N·m,We can get the energy difference∆E=(9.09±0.11)∗103J/m3.Then K1is equal to(3.636±0.044)∗104J/m3. And a reference number of this is4.4∗104J/m3[25],the percentage error to reference value is17.3%.10Kerr angleData is useless to analyse the Kerr angle,so here we only show how to analyse the angle and give an expectation. From eq.4,first we need tofind the saturation magnetization,corresponding to the I+and I−,and in our expectation, the hysteresis loop should be likefig.11.Hence the both signal like linearly dependent,we can use the interceptFigure11:Contrast calculationfirst step:find saturation signals.We use the15◦to simulate the calculation. from thefitting result to get the contrast,which in our case equal to0.0465.We should record data of angles between±5◦to the extinction angle(s-polarized).Depend on this,we simulated the signal to analyse and give an expectation.From[9][10],it shows the Kerr rotation angle almost equal to zero of longitude direction,and also in the literature[21]givesθk 1.By using a proper value4.64∗10−4◦[30],since it is so small(compare to1◦),theeq.7can be further approximated to:c(α)≈4αβα2=4βα(13)Which just became a linear dependence,then we can compare these two approximation.By eq.4and eq.6,we add afluctuation to simulate.(a)Linearfitting(b)Eq.7fittingFigure12:Comparison of differentfitting function of Kerr rotation angleKerr angle(deg)Error(deg)percentage errorLinearfitting0.01250.0068250%Eq.8fitting0.03510.0088719%Table2:Fitting comparsionThefitting result shows in table.[2].We cannot tell which is better.Even we adjust the amplitude offluctuation, the result for error does not change much(linearfitting seems better but with a huge error).In the end,we show that how the result change if we increase the noise in table.3.10.1Kerr MicroscopyKerr microscopy is based on Kerr effect.The polarization of reflection light can be recorded,which can be used to observe the domain changing.First we observe Pt/Co/Pt domain structure,with the magneticfield increased,we can see the bubble region generation(figure.[13]),in the picture,we can see area increased.The grayscale responseFigure13:Under different currentThe shape is like bubble.to the intensity of magnetization.The we can do the integration to the image to get hysteresis loop(figure.[14]). From this hysteresis loop,we can derive that this is a Hard-Ferromagnetic material,the saturation nearly does notFigure14:The integral to the image under different currentchange when varying the magneticfield.Therefore it is suitable for permanent magnets and magnetic recording and memory devices[31].Then we observed the Yttrium iron garnet,which we can see the domain wall clearly(fig.[15]).This shape is like maze.We can see the domain wall.For clarify,the bright area is parallel domain,and the darker area is anti-parallel domain.and this is also a anisotropy reflection.[23].When we reverse the magnetic current from-1to 1A,the pattern just shows reverse transition,from dark to bright for the grayscale(compare to thefirst sample),Figure15:YIG sample under different magneticfieldthe distribution of domain remains.Same procedure for Yttrium iron garnet to get hysteresis loop(figure.[16]).This shape is much different with Pt/Co/Pt,normally defined as soft-ferromagnetic.This is what we use to buildFigure16:YIG hysteresis loopFrom this loop,the domain area is not big,to some degree,the behaviour like linear.transformer and motor cores to minimize the energy dissipation withflippingfields.And also we canfind that thesaturation magnetization is much larger.What we are interested in is the width of these stripes under the remanence.The idea is to measure the widthof this winding region,is the mean of random inscribed circle17.For one pixel is equal to6.9µm,so our parallel domain width is80.6±6.9µm.For anti-parallel direction,it is95.8±6.9µm.11ConclusionIn this experiment,wefirst use the hall probe to calibrate the magneticfield,and get the dependence on current,we simulate the signal and afterfitting it equals to31.6±0.4mT/A*I.For calculating the anisotropy constant.This value can be derived by the energy difference,and K1=36.36±0.44J/m3(fig.10).the reference value is4.4∗104J/m3[25].Kerr rotation angle is measured by contrast from Malus law,which is eqaul to0.0125±0.0068◦or0.0351±0.0088◦for differentfitting respectively(fig.[12]),and reference value is4.64∗10−4◦[30].For the Kerr microscopic,we measure two sample,one is Pt/Co/Pt(fig.13),which domain region like bubble,another is YIG(fig.15),which domain region like maze.When we change the magnetic to reversed direction,there issymmetric property for both samples.The hysteresis loop for each other is quite different,one for hard-ferromagneticmaterial(fig.14),another is soft-ferromagnetic material(fig.16).In the end,we measure the width of domain wall in remanence,it is80.6±6.9µm for parallel domain thickness and95.8±6.9µm for anti-parallel domain thickness. 12In additionApart from the calculation,we will briefly introduce our idea how to measure the thickness,and give the data collected and some simulation result details as supplies material.There is also the fail reason analysis.About domain thickness calculation,wefirst want to get the average value for the whole area.Athough openCV support to change grayscale,it cannot distinguish them.Our initial idea,is set bright area as0,dark area as1; then randomly select position to draw the circle,and increase the radius,is when reach the boundary equal to1 and crossing centering point,we record this value.And else condition just change the center position.In the future, with deep learning development,the program can mark which area is parallel magnetic domain area.It will be easy to calculate the average thickness.The data we got is like lost the signal(fig.18).So we do much of simulation toFigure17:Change grayscale and use inscribed circle to calculate the average length.our data.And about the simulation detail,first about calibration of magneticfield,we use theoretical value0.0314(a)0-45(b)50-85(c)90-130Figure18:Comparison of rotation angleas slope,and add a0.001fluctuation as noise.And for Kerr rotation angle simulation we input the exact eq.4and eq.6with a noise around0.01,and also we set the noise equal in the range of0.001.Andfitting result is table.3. The reason for that is when the angle close to zero,the contrast will change largely,but the angle which we cannot Noise0.010.0010.00001linearfitting Kerr angle0.01250.009940.00965eqfitting Kerr angle0.03500.02740.0266Table3:Noise and Kerr angle relation,the simulation Kerr angle we use0.000464,this is far away from bothfitting measure.As for failure analysis,some signals areflat and with small area likefig.19The photo diode needs to be adjust every time to keep align,and also we need to assume what we will get in the experiment.Therefore,it is indeed a lesson to examine the data each time.(a)No signal or the sensitivity too low(b)Photo diode saturatedFigure19:Failure of dataReferences[1]Magneto-optical Kerr effect in spin split two-dimensional massive Dirac materials G Catarina,N M R Peresand J Fern´a ndez-Rossier[2]Direct imaging of the magnetization reversal in microwires using all-MOKE microscopy A.Stupakiewicz,MTekielak[3]https:///[4]P.N.Argyres,Phys.Rev.97,334(1955).[5]D.Srikala,V.N.Singh,A.Banerjee Effect of induced shape anisotropy on magnetic properties of ferromagneticcobalt nanocubes and B.R.Mehta2[6]E.Kneller,Ferromagnetismus(Springer,Berlin,1962),Chs.7,8,13,19.[7]A.Hubert und R.Sch¨a fer,Magnetic Domains(Springer,Berlin,1998),Chs.3.7.3,5.6.1.[8]A.K.Zvezdin und V.A.Kotov,Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials(Institute of PhysicsPublishing,Bristol,1997),Chs.7.1-3,9.3.[9]S.D.Bader,SMOKE,J.Magn.Magn.Mater.100,440(1991).[10]J.Zak,E.R.Moog,C.Liu,und S.D.Bader,Phys.Rev.B43,6423(1991).[11]M.E.Brubaker,E.R.Moog,C.H.Sowers,J.Zak,and S.D.Bader,J.Magn.Mater.103,L7(1992).TransverseKerr magnetometry for the study of thinfilms presenting perpendicular and in-plane anisotropy[12]Donna Sue Chuang,MIT,(1994)Magnetic anisotropy in ultrathin epitaxialfilms grown on surfaces vicinal toCu(001).[13]/wiki/FerromagnetismOrigin of magnetism[14]Aharoni,Amikam(1996).Introduction to the Theory of Ferromagnetism Clarendon Press.ISBN0-19-851791-2[15]Feynman,Richard P.;Robert B.Leighton;Matthew Sands(1963).The Feynman Lectures on Physics,Vol1.Pasadena:California Inst.of Techology.pp.37.5-37.6ISBN0465024939[16]Ashima A.Optical and electricfield control of magnetism Helmholtz-Zentrum Berlin,2018.01.ResearchGate.[17]Ahmad A.Structural and Magnetic properties of Vannadium Doped M-Type Barium Heexaferrite[18]Katsuaki Suganuma Wide Bandgap Power Semiconductor Packaging:Materials,Components,and Reliability[19]https:///irm/3-magnetic-anisotropy[20]https:///courses/materials-science-and-engineering,Lecture25Hysteresis in Ferromagnetic Mate-rials[21]FU physics department MOKE protocol for advanced lab course[22]https:///Physics/Magnetism/ferromagmaterials.xhtml[23]https:///wiki/Magneticdomain[24]Subhankar,B.Niru,C.Wolfgang,K.Effect of Inter-Partical interactions in Magnetic Nano particle Ensembles,Sensor Letters11(11):1,2013.09.DOI:10.116/sl.2013.3059.[25]Jun,Y.Qiong,W.Hao-liang,L.Xiang-Qun Z.Determination of magnetic anisotropy constants in Fe ultra-thinfilm on vicinal Si(111)by anisotropic magnetoresistance Nature.scientific reports(2148).2013.06.[26]”Hecht Optics-2nd edition”,E.Hecht,A.Zajac,p95(1989).[27]”Electromagneticfields and waves”,P.Lorrain,D.Corson(1970),2nd Edition,pp462.[28]Growth and study of magnetostrictive FeSiBC thinfilms,for device applications,Mannan Ali(1999)[29]T.Yonemoto.T.Miyagawa,Magneto-Optical Kerr Rotation Spectra for Fe and TbFe Films on(Cu/SiO2)Multilayered Films,1992,doi:10.1109/TJMJ.1992.4565350[30]https:///a//mxp/student-projects/2017spring/s17kerreffectResults[31]http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/solids/hyst.html[32]Shingo Yamamoto and Iwao Matsuda,Measurement of the Resonant Magneto-Optical Kerr Effect Using a FreeElectron Laser[33]Xiaolong Fan,Hengan Zhou,Jinwei Rao,Xiaobing Zhao,Jing Zhao,Fengzhen Zhang Desheng Xue Magneticfield-dependent shape anisotropy in small patternedfilms studied using rotating magnetoresistance[34]https://de.zxc.wiki/wiki/Magnetooptischer Kerr-Effekt。
新型磁光效应实验报告
一、实验目的1. 了解新型磁光效应的基本原理及其在光学器件中的应用。
2. 掌握新型磁光效应实验装置的操作方法。
3. 通过实验验证新型磁光效应的特性，如法拉第效应、磁光克尔效应等。
4. 分析实验数据，探讨新型磁光效应在不同领域中的应用前景。
二、实验原理磁光效应是指电磁波在磁场中传播时，其偏振状态发生改变的现象。
新型磁光效应实验主要研究以下两种效应：1. 法拉第效应：当一束平面偏振光穿过含有磁场的介质时，光的偏振面会旋转一个角度，该角度与磁场强度、介质的旋光率和光的波长有关。
2. 磁光克尔效应：当一束光在具有非线性磁光性质的介质中传播时，由于介质的非线性，光强和磁场强度之间的关系不再满足线性关系，从而导致光强和磁场强度的平方成正比。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：新型磁光效应实验装置、激光器、偏振片、检偏器、磁场发生器、磁场计、数据采集系统等。
2. 实验材料：磁光介质（如磁光玻璃、磁光晶体等）、光缆、实验样品等。
四、实验步骤1. 搭建实验装置：将激光器、偏振片、检偏器、磁场发生器、磁场计等连接到新型磁光效应实验装置上。
2. 调整实验参数：设置激光器的工作波长、偏振片的偏振方向、磁场发生器的磁场强度等参数。
3. 进行实验：将磁光介质放入磁场中，调整磁场发生器的磁场强度，观察偏振片和检偏器之间的光强变化。
4. 数据采集：利用数据采集系统记录不同磁场强度下偏振片和检偏器之间的光强变化数据。
5. 分析实验数据：根据实验数据，绘制光强与磁场强度之间的关系曲线，分析新型磁光效应的特性。
五、实验结果与分析1. 法拉第效应：在实验中，观察到随着磁场强度的增加，偏振片和检偏器之间的光强逐渐减弱，符合法拉第效应的特性。
2. 磁光克尔效应：在实验中，观察到随着磁场强度的增加，偏振片和检偏器之间的光强变化与磁场强度的平方成正比，符合磁光克尔效应的特性。
3. 不同磁光介质的比较：实验结果表明，不同磁光介质的法拉第效应和磁光克尔效应特性存在差异，为磁光器件的设计和优化提供了理论依据。
克尔效应
克尔效应介质因电场作用而引起折射率变化的现象称为电光效应，介质折射率和电场的关系可表示为：+++=20bE aE n n 式中n 0是没有外加电场（E =0）时的折射率，a 和b 是常数，其中电场一次项引起的变化称为线性电光效应，由Pokels 于1893年发现，故也称为Pokels 效应；由电场的二次项引起的变化称为二次电光效应，也称为Kerr 效应，是由Kerr 在1875年发现。
电光效应的特点是几乎没有延迟时间，能几乎同步地随电场快速变化，其响应频率可达1010Hz 。
所以，“光开关”、“光调制器”、“光断续器”有极快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。
一、实验目的1．学习克尔效应的原理；2．测量光通过克尔介质的双折射率随外加电场的变化规律。
二、实验仪器光具导轨（带有刻度），一对偏振器，卤灯及其支架，克尔盒，高压供电电源（10Kv ），函数发生器，一个半透明屏，型号为BPY47型光电池，莱宝多功能夹具，f=100mm 透镜滞支座。
三、实验原理光进入某些晶体后，会按光矢量振动方向不同而出现两束沿不同方向传播的折射光，这种现象称为双折射。
一些晶体之所以能产生双折射现象，是由于媒质（晶体）对光矢量振动方向不同的光波表现出不同的折射率，也就是媒质的光学各向异性。
一些晶体或光学材料在外加电场的影响下，它们的光学性质会发生改变，这种现象称为电光效应。
而一些具有对称中心的晶体和各向同性煤质，在外电场作用下也能产生感应双折射，其双折射率与外加电场的电场强度的平方成正比，所以称为二次电光效应，又以其发现者 J.keer 的名字命名，称为克尔效应。
将上所媒质置于电场中，线偏振光沿垂直电场方向通过媒质时，将被分解为沿电场方向振动和垂直电场方向振动的两束线偏振光，以n e 和n o 分别表示平行和垂直于电场的光振动的折射率，实验规律表明：（1）200kE n n e λ=-λo 是其真空中的波长，k 是克尔常数，单位为cm/v 2。
表面磁光克尔效应 2
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：表面磁光克尔效应学院：物理科学与技术学院组号指导教师：报告人：学号：实验地点：实验时间：实验报告提交时间：五、数据处理5.1、纵向克尔效应：图1、纵向实验图纵向克尔效应是指磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。
因此信号的强度会随光的入射角的减小而减少。
当信号垂直入射时强度为零。
当样品被纵向磁化时，当外部磁场增强，原本不带磁的样品上的磁场强度也随着增强，则接受的信号会越强。
而当外部磁场消失，样品上的磁场也不会消失，而接受的信号强度会一直保持在最大值。
直到外部加上一个反向磁场时，样品上带的磁场才会消失，而此时的信号会减少到初始状态。
由实验中得出，当磁性样品的磁性增大时，会出现克尔旋转角，从而使激光再次打入探测仪。
因而出现了能量的变化。
图1为测得的信号，虽变化不明显，但是基本上与理论相符。
5.2、极向克尔效应：图2极向实验图图3、极向克尔效应理想图极向克尔效应是指磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。
极向克尔信号的变化与纵向相反，其强度随光的入射角的减小而增大，若信号垂直入射则其强度最大。
样品上的磁场大小随外加磁场的变化而变化。
当外加磁场增大时，样品被磁化并其磁场强度增大。
而外加磁场消失样品上的磁场也消失了。
图3为极向克尔效应的理想图，而图2为实验图。
从图2发现接受的信号强度随着外加磁场的增大而减小，与理论相反。
极向克尔信号极弱，在调整电路时除了问题，没有找准消光点，而是光强最大点，导致在实验中当磁性样品的磁性增大时，会出现克尔旋转角，信号强度反而减小。
六、实验结论本次实验的操作较为困难，主要是调节仪器光路，不仅需严格的按照光路调节的步骤进行，并且还要非常的仔细，否则会造成信号的衰减。
老师教我们一个小的技巧，就是拿一张白纸来判断激光是否对准各个仪器的中心。
一开始我们在调节仪器光路时很粗心，各个仪器之间没有保持平行，而激光没有对准仪器中心，虽然光线有透过仪器，但那个光线是由仪器内部反射出来的，结果接受的信号及其不精确。
Kerr效应
光学—应用光学2.6.02-00 克尔效应你会学到…… Æ 光的偏振 Æ 双折射Æ 光的各向异性 Æ 光的调制 Æ 电光调节器 → PLZT 元件实验原理：单色垂直偏振光入射到与垂直方向成45度角的PLZT （铅镧锆钛的化合物）元件上。
当电场加在PLZT 元件上时会引起光的双折射。
在PLZT 的另一面，寻常光和非寻常光的相位转移作为电压的函数记录了下来，这表明相位转移与各电压的平方成比例。
从比例的不变计算出对PLZT 元件的克尔常数。
实验设备： 克尔单元，PLZT 元件 08641.00 1高压电源，0-10 kV 13670.93 1氦氖激光器 1.0 mW, 220V AC 08181.93 1偏振滤光器，固定杆上 08610.00 2光学导轨 l= 60 cm 08283.00 1光学导轨底座，可调节 08284.00 2光学导轨滑块，h = 30 mm 08286.01 4光学导轨滑块，h = 80 cm 08286.02 1光生伏打电池 08722.00 1通用测量放大器 13626.93 1数字万用表 07122.00 2屏蔽线， BNC, l = 750 mm 07542.11 1适配器，BNC 插孔/4 mm 双插头 07542.27 1导线， l = 750 mm, 红色 07362.01 2导线， l = 750 mm, 蓝色 07362.04 3完成实验装置，实验手册 克尔效应P2260200 手册编号00117.02有更高级的光学（121页）分析器后面的相对光强I I 是加在PLZT 元件上的电压U和寻常光与非寻常光之间的相位转移Δ的函数。
过去，克尔效应用硝基苯来验证，但它有毒并且需要上千伏的电压，而PLZT 仅需要几百伏的电压是不错的选择。
实验目的：1. 在PLZT 上加不同电压产生不同的电场强度时记录寻常光与非寻常光之间的相位移动。
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近代物理实验报告实验题目：表面磁光克尔效应班级：学号：学生姓名：实验教师：表面磁光克尔效应实验报告一、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、实验装置（1）光学减震台；（2）光路系统,包括入射光路与接收光路；（3）励磁电源主机和可程控电磁铁；（4）前级放大器和直流电源组合器（a.为激光器提供精密稳压电源；b.将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入系统控制装置中的信号检测装置中；c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置)；（5）信号检测主机；（6）控制系统和计算机。
三、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。
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，在入射角时（垂直入射）达到最大。
图3 纵向克尔效应2．纵向克尔效应：如图3 所示，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，在入射角时为零。
通常情况下，纵向克尔信号中无论是克尔旋转角还是克尔椭偏率都要比极向克尔信号小一个数量级。
正是这个原因纵向克尔效应的探测远比极向克尔效应来得困难。
但对于很多薄膜样品来说，易磁轴往往平行于样品表面，因而只有在纵向克尔效应配置下样品的磁化强度才容易达到饱和。
因此，纵向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说是十分重要的。
图4 横向克尔效应3．横向克尔效应：如图4 所示，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。
这是因为在这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。
横向克尔效应中，只有在p 偏振光（偏振方向平行于入射面）入射条件下，才有一个很小的反射率的变化。
图5 常见SMOKE 系统的光路图以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE 系统，原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效应。
图5 为常见的SMOKE 系统光路图，氦－氖激光器发射一激光束通过偏振棱镜1 后变成线偏振光，然后从样品表面反射，经过偏振棱镜2 进入探测器。
偏振棱镜2 的偏振方向与偏振棱镜1 设置成偏离消光位置一个很小的角度δ，如图6 所示。
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。
通过偏振棱镜2 的光强也发生变化。
在一阶近似下光强的变化和磁化强度呈线性关系，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。
图6 偏振器件配置两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区分正负克尔旋转角。
若两个偏振方向设置在消光位置，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。
当两个偏振方向之间有一个小角度δ时，通过偏振棱镜2 的光线有一个本底光强I0。
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。
在图2 的光路中，假设取入射光为p 偏振（电场矢量E p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于E p的电场分量E s，通常E s<<E p。
在一阶近似下有：E s／E p=θk+εk (1)通过棱镜2 的光强为：(2)将（1）式代入（2）式得到：(3)因为δ 很小，所以可以取sinδ=δ，cosδ=1，得到：(4)整理得到：(5)无外加磁场下：(6)所以有：(7)于是在饱和状态下的克尔旋转角θk为：Δθk=[δI(+M s)-I(-M s)]／4I0=δΔI／4I0 (8)I(+M s)和I(-M s)分别是正负饱和状态下的光强。
从式（8）可以看出，光强的变化只与克尔旋转角θk有关，而与εk无关。
说明在图5 这种光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角。
在超高真空原位测量中，激光在入射到样品之前，和经样品反射之后都需要经过一个视窗。
但是视窗的存在产生了双折射，这样就增加了测量系统的本底，降低了测量灵敏度。
为了消除视窗的影响，降低本底和提高探测灵敏度，需要在检偏器之前加一个1/4 波片。
仍然假设入射光为p 偏振，四分之一波片的主轴平行于入射面，如图7 所示：此时在一阶近似下有：。
通过棱镜2 的光强为：因为δ 很小，所以可以取sinδ=δ，cosδ=1，得到：因为角度δ 取值较小，并且，所以：(9)在饱和情况下Δεk为：(10)此时光强变化对克尔椭偏率敏感而对克尔旋转角不敏感。
因此，如果要想在大气中探测磁性薄膜的克尔椭偏率，则也需要在图 5 的光路中检偏棱镜前插入一个四分之一波片。
如图7 所示。
图7 SMOKE 系统测量椭偏率的光路图如图5 所示，整个系统由一台计算机实现自动控制。
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。
光强变化的数据由A/D 卡采集，经运算后作图显示，从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程，如图7 所示。
表面磁光克尔效应具有极高的探测灵敏度。
目前表面磁光克尔效应的探测灵敏度可以达到10－4度的量级。
这是一般常规的磁光克尔效应的测量所不能达到的。
因此表面磁光克尔效应具有测量单原子层、甚至于亚原子层磁性薄膜的灵敏度，所以表面磁光克尔效应已经被广泛地应用在磁性薄膜的研究中。
虽然表面磁光克尔效应的测量结果是克尔旋转角或者克尔椭偏率，并非直接测量磁性样品的磁化强度。
但是在一阶近似的情况下，克尔旋转角或者克尔椭偏率均和磁性样品的磁化强度成正比。
所以，只需要用振动样品磁强计（VSM ）等直接测量磁性样品的磁化强度的仪器对样品进行一次定标，即能获得磁性样品的磁化强度。
另外，表面磁光克尔效应实际上测量的是磁性样品的磁滞回线，因此可以获得矫顽力、磁各向异性等方面的信息。
图8 表面磁光克尔效应实验扫描图样四、测量装置如图9 所示，表面磁光克尔效应实验系统主要由电磁铁系统、光路系统、主机控制系统、光学实验平台以及电脑组成。
1）电磁铁系统电磁铁系统主要由CD 型电磁铁、转台、支架、样品固定座组成。
其中CD 型电磁铁由支架支撑竖直放置在转台上，转台可以每隔90°转动定位，同时支架中间的样品固定座也可以90°定位转动，这样可以在极向克尔效应和纵向克尔效应之间转换测量。
2）光路系统光路系统主要由半导体激光器、可调光阑（两个）、格兰－汤普逊棱镜（两个）、会聚透镜、光电接收器、四分之一波片组成，所有光学元件均有外壳固定，并由不锈钢立柱与磁性开关底座相连。
半导体激光器输出波长650nm ，输出功率2 毫瓦左右，激光器头部装有调焦透镜， 实验时应该调节透镜，使激光光斑打在实验样品上的光点直径最小。
可调光阑采用转盘形式，上面有直径分别为1mm 、1.5mm 、2mm 、2.5mm 、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、6mm 共10 个孔。
在光电接收器前同样装有可调光阑，这样可以减小杂散光对实验的影响。
格兰－汤普逊棱镜通光孔径8mm，转盘刻度分辨率1°，配螺旋测微头，测微头量程10mm，测微分辨率0.01mm，转盘将角位移转换为线位移，经过测量，外转盘转动10°，测微头直线移动3.00mm，所以测微移动0.01mm，转盘转动2′。
实验中设置消光位置偏转2°左右，所以侧微移动约0.6mm。
会聚透镜为组合透镜，焦距为157mm。
光电接收器为硅光电池，前面装有可调光阑，后面通过三芯连接线与主机相连。
四分之一波片光轴方向在外壳上标注，外转盘可以360°转动，角度测量分辨率1°。
3）主机控制系统表面磁光克尔效应实验系统控制主机主要由光功率计部分、克尔信号部分和扫描电源部分组成。
光功率计部分由光功率计、光信号和磁信号前置放大器、激光器电源组成。
仪器前面板如图9 所示：图9 SMOKE 光功率计前面板示意图面板中左边方框为光功率计，分为2μW，20μW，200μW，2m W四档切换，表头采用三位半数字电压表。
光功率计用来测量激光器输出光功率大小，以及通过布儒斯特定律来确定格兰－汤普逊棱镜的起偏方向。
中间增益调节方框内两个电位器分别调节光路和磁路信号的前置放大器放大倍数。
右边激光器方框为半导体激光器电源直流3V 输出。
图10 SMOKE 光功率计后面板示意图如图10 所示，为SMOKE 光功率计后面板示意图，最左边方框为电源插座，上部“磁路输入”将放置在磁场中的霍尔传感器输出的信号按照对应颜色接入SMOKE 光功率计控制主机中，同样，“光路输入”将光电接收器中的输出的光信号接入SMOKE光功率计控制主机进行前置放大。
下部“磁路输出”和“光路输出”分别用五芯航空线接入SMOKE 克尔信号控制主机后面板中的“磁信号”和“光信号”。
克尔信号控制主机主要将经过前置放大的光信号和磁路信号进行放大处理并显示出来，另外内有采集卡通过串行口将扫描信号与计算机进行通讯。
SMOKE 克尔信号控制主机前面板如图11 所示，图11 SMOKE 克尔信号控制主机前面板示意图图中，左边方框内三位半表显示克尔信号（切换时可以显示磁路信号），单位为“伏特” （V），实验中应该调节放大增益使初始信号显示约 1.25V 左右（具体原因见调节步骤）。