表面磁光克尔效应实验Ver2.0

I E p ( k i k )
2 2
（4） 整理得到：
I E p ( 2 2 k )
2
（5） 无外加磁场时：
I0 E p 2
2
（6） 所以有：
I I 0 (1 2 k / )
（7） 于是在饱和状态下的克尔旋转角 k 为：
k
I ( M S ) I ( M S )
样品
k
起偏器
检偏器
图1
表面磁光克尔效应原理
根据磁场相对于入射面的相对方位不同，磁光克尔效应可以分为极向克尔 效应、纵向克尔效应和横向克尔效应三种类型。如图 2 所示，当磁化方向垂至于 样品表面时，此时的克尔效应称作极向克尔效应。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，在零度入射角(垂直入射)时，克尔信号的强度 最大。如图 3 所示，当磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面时，此时的克 尔效应称作纵向克尔效应。纵向克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减 小，在零度入射角时，克尔信号的强度为零。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。 因此纵向克 尔效应的探测远比极向克尔效应困难。但对于很多薄膜样品，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，故 纵向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说十分重要。如图 4 所示，当磁化方向 在样品膜面内，并且垂至于入射面时，此时的克尔效应称作横向克尔效应。横向 克尔效应中，反射光的偏振状态不发生变化，仅在 p 偏振光(偏振方向平行于入 射面)入射时，反射率有很小的变化。
4 I0

I
4 I0
（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 k 有关，而与 k 无关。说明在图 5 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： Es / E p k ik 。通过检偏棱镜的光强为：
【实验目的】
1. 了解磁光及磁光克尔效应的原理； 2. 认识金属材料的磁性及其差异； 3. 利用磁光克尔效应测量、研究磁性材料的磁性。
【实验原理】
表面磁光克尔效应是指铁磁性样品(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。 如图 1 所示，当一束线偏振光入射到样品表面上时，如果样品被磁化，会
图 7 表面磁光克尔效应实验扫描图样
【实验仪器】
如图 8 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、光学实验平台及电脑组成。
图 8 表面磁光克尔效应实验系统
1）电磁铁系统 电磁铁系统主要由电磁铁、转台、支架、样品固定座组成。其中电磁铁由支 架支撑竖直放置在转台上，转台可以每隔 900 转动定位，同时支架中间的样品固 定座也可以 900 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
Es k i k Ep
（1） 通过检偏棱镜的光强为：
I E p sin Es cos
2
（2） 将（1）式代入（2）式得到：
I E p sin ( k i k ) cos
（3）
2
2
因为 很小，所以可以取 sin ， cos 1 ，得到：
I E p sin Es cos E p
2 2
sin k cos i k cos
2
因为 很小，所以可以取 sin ， cos 1 ，得到：
I E P K i K
2
2
E P ( 2 2 K K K )
表面磁光克尔效应实验
1845 年，Faraday 发现当外磁场加在玻璃样品上时，透过样品的偏振光的偏 振面将发生旋转，此现象称作 Faraday 效应。随后，Faraday 加磁场于金属表面 上做光反射的实验，但由于金属表面不够平整，因而实验結果不太理想。1877 年， 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 两位学者进行铁磁超薄膜的 磁光克尔效应测量，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线。由于此方法 的磁性测量灵敏度可以达到一个原子层厚度， 并且仪器可以置于超高真空系统中 工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 表面磁性以及由数个原子层构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物 理 领 域 中 的 一 个 极 其 重 要 的 研 究 热 点 。 而 表 面 磁 光 克 尔 效 应 (surface magneto-optic Kerr effect，缩写为 SMOKE)谱作为一种非常重要的超薄膜磁性原 位测量的实验手段，受到越来越多的重视，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性 以及层间耦合等问题的研究。 和其他的磁性测量手段相比较， SMOKE 的优点为： 1．SMOKE 的测量灵敏度极高。国际上现在通用的 SMOKE 测量装置，其探测 灵敏度可以达到亚单原子层的磁性， 这使得 SMOKE 在磁性超薄膜的研究中有着 重要的地位。2．SMOKE 测量是一种无损伤测量。由于探测用的“探针”是激光 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，非常 有利。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 1 mm 以下，因此 SMOKE 可以进行局域磁性的测量，这是 振动样品磁强计和铁磁共振等其他磁性测量手段所无法比拟的。4．相对于其他 的磁性测量手段， SMOKE 系统的结构比较简单， 易于和别的实验设备(特别是超 高真空系统)相互兼容。这有助于提高 SMOKE 的功能并扩展其研究领域。
SMOKE 前置放大器的后面板如图 10 所示。 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 前 置放大器控制主机中，同样，“光路输入”将光电接收器中的输出的光信号接入 SMOKE 前置放大器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”。
导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面转过了一个小的角度， 这个小角度称 为克尔旋转角 k 。同时，一般样品对 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 k 。由于克尔旋转角 k 和克尔椭偏率 k 都是磁 化强度 M 的函数。通过探测 k 或 k 的变化可以推测出磁化强度 M 的变化。
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、1/4 波片组成。 半导体激光器输出波长 650 nm，其头部装有调焦透镜，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，上面有直径不同 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-汤普逊棱镜转盘刻度分辨率 10 ，配螺旋测微头，测微头量程 10 mm， 测微分辨率 0.01 mm，转盘将角位移转换为线位移，实验前须对其定标。 光电接收器为硅光电池，前面装有可调光阑，后面通过连接线与主机相连。 1/4 波片光轴方向在外壳上标注， 外转盘可以 3600 转动， 角度测量分辨率为 10 。 3）主机控制系统 主机控制系统主要由前置放大器部分、克尔信号部分和扫描电源部分组成。 前置放大器部分由光功率计、特斯拉计、光信号和磁信号前置放大器、激光 器电源组成，其前面板如图 9 所示。面板中左边方框为光功率计和特斯拉计，可 切换使用。光功率计分为 2 μW，20 μW，200 μW，2000 μW 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。特斯拉计单位为 mT。中间两个增 益调节方框通过四档切换分别调节光路信号和磁路信号的放大倍数，当左边标 “1”倍放大的琴键开关按下去时为自动档，即通过电脑自动扫描，磁路信号中也 相同。
图 9 SMOKE 前置放大器前面板示意图
探测器输入通过另外一根音频线可以将探测器检测的光信号送入光功率计中显 示(注意：这时主要用来检测光信号，属于手动调节，如果需要电脑采集时，必 须将探测器信号送入“光路输入”)。“DC3V 输出”用作激光器电源。
图 10 SMOKE 前置放大器后面板示意图
2 2
2
2
因为角度 取值较小，并且 I 0 E p 2 ，所以：
I EP ( 2 2 K ) I 0 (1 2 K / )
2
(9)
在饱和情况下 k 为：
k
I ( M S ) I ( M S )
4 I0

I
4 I0
（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 的光路中检偏棱镜和光阑 之间插入一个 1/4 一波片。 本实验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。
图 2 极向克尔效应
图 3 纵向克尔效应
图 4 横向克尔效应
图 5 为常见的 SMOKE 极向克尔效应系统光路图。氦-氖激光器发射的激光 通过起偏棱镜后变成线偏振光，然后从样品表面反射，经过检偏棱镜进入光电探 测器。检偏棱镜的偏振方向与起偏棱镜设置成偏离消光位置一个很小的角度 ， 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，通过检偏棱镜的光强也发生变化。在一阶近似下，光强的变化 和磁化强度呈线性关系， 通过探测器探测到的光强变化就可以推测出样品的磁化 状态。对应纵向克尔效应和横向克尔效应，只需改变入射光和磁场的相对方向， 其他装置完全相同。
B E K O M S D F
W u 0 0 0 2 W u 0 0 2
表面磁光克尔效应实验系统
调零 调零
光路信号
自动/手动
电源
磁路信号
自动/手动
T m W u
特斯拉计
光功率计
W u 0 2 W u 2
8 / 1 4 / 1 2 / 1
8 / 1 4 / 1 2 / 1
1
1
调零
调零
上海复旦天欣科教仪器有限公司
Байду номын сангаас
图 5 常见 SMOKE 系统的光路图
图 6 偏振器件的方位配置
两个偏振棱镜的相对方位设置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 时，通过检偏棱镜的光线 有一个本底光强 I 0 。反射光偏振面旋转方向和 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。 当光线 在图 5 的光路中， 假设入射光为 p 偏振(电场矢量 E p 平行于入射面)， 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 Es ，通常 Es << E p 。在一阶近似下有：