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磁光克尔实验报告.docx

磁光克尔实验报告

少女天空618
2018-05-06 0人钱柜777手机版登陆 0 0 0 暂无简介 举报

简介:本文档为《磁光克尔实验报告docx》,可适用于战略管理领域

得分教师签名批改日期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:年月日提交时间:年月日一、实验目的()了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法()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年MichaelFaraday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。年JohnKerr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(surfacemagnetoopticKerreffect)。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年。图表面磁光克尔效应原理如图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thetak。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epsilonk由于克尔旋转角thetak和克尔椭偏率epsilonk都是磁化。强度M的函数。通过探测thetak或epsilonk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。图极向克尔效应.极向克尔效应:如图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。图纵向克尔效应.纵向克尔效应:如图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。图横向克尔效应.横向克尔效应:如图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后变成线偏振光然后从样品表面反射经过偏振棱镜进入探测器。偏振棱镜的偏振方向与偏振棱镜设置成偏离消光位置一个很小的角度delta如图所示。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delta时通过偏振棱镜的光线有一个本底光强I。反射光偏振面旋转方向和delta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EsEp。在一阶近似下有:Es/Ep=thetakepsilonk()通过棱镜的光强为:()将()式代入()式得到:()因为delta很小所以可以取sindelta=deltacosdelta=得到:()整理得到:()无外加磁场下:()所以有:()于是在饱和状态下的克尔旋转角thetak为:Deltathetak=deltaI(Ms)I(Ms)/I=deltaDeltaI/I()I(Ms)和I(Ms)分别是正负饱和状态下的光强。从式()可以看出光强的变化只与克尔旋转角thetak有关而与epsilonk无关。说明在图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所示:此时在一阶近似下有:。通过棱镜的光强为:因为delta很小所以可以取sindelta=deltacosdelta=得到:因为角度delta取值较小并且所以:()在饱和情况下Deltaepsilonk为:()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的光路中检偏棱镜前插入一个四分之一波片。如图所示。图SMOKE系统测量椭偏率的光路图如图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DA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AD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-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。图表面磁光克尔效应实验扫描图样三、实验仪器:()光学减震台()光路系统,包括入射光路与接收光路()励磁电源主机和可程控电磁铁()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)()信号检测主机()控制系统和计算机。测量装置如图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。)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deg转动定位同时支架中间的样品固定座也可以deg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。)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nm输出功率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mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm、mm共个孔。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mm转盘刻度分辨率deg配螺旋测微头测微头量程mm测微分辨率mm转盘将角位移转换为线位移经过测量外转盘转动deg测微头直线移动mm所以测微移动mm转盘转动prime。实验中设置消光位置偏转deg左右所以侧微移动约mm。会聚透镜为组合透镜焦距为mm。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deg转动角度测量分辨率deg。)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。仪器前面板如图所示:图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muWmuWmuWmW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V输出。图SMOKE光功率计后面板示意图如图所示为SMOKE光功率计后面板示意图最左边方框为电源插座上部ldquo磁路输入rdquo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ldquo光路输入rdquo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ldquo磁路输出rdquo和ldquo光路输出rdquo分别用五芯航空线接入SMOKE克尔信号控制主机后面板中的ldquo磁信号rdquo和ldquo光信号rdquo。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所示图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ldquo伏特rdquo(V)实验中应该调节放大增益使初始信号显示约V左右(具体原因见调节步骤)。中间方框上面一排通过中间ldquo光路-磁路rdquo两波段开关可以在左边表中切换显示光路信号和磁路信号同时对应左右两边ldquo光路电平rdquo和ldquo磁路电平rdquo电位器可以调节初始光路信号和磁路信号的电平大小(实验时要求光路信号和磁路信号都显示在V左右)。下排中ldquo光路幅度rdquo电位器为光信号后级放大增益调节。右边ldquo光路输入rdquo和ldquo磁路输入rdquo五芯航空插座与SMOKE克尔信号控制主机后面板ldquo光信号rdquo和ldquo磁信号rdquo五芯航空插座具有同样作用平时只需接入后面板即可。SMOKE克尔信号控制主机后面板如图所示图SMOKE克尔信号控制主机后面板左边为V电源插座ldquo光信号rdquo和ldquo磁信号rdquo五芯航空插座与SMOKE光功率计控制主机后面板ldquo光路输出rdquo和ldquo磁路输出rdquo分别用五芯航空线相连。ldquo控制输出rdquo和ldquo换向输出rdquo分别用五芯航空线与SMOKE磁铁电源主机后面板ldquo控制输入rdquo和ldquo换向输出rdquo相连。ldquo串口输出rdquo通过九芯串口线与电脑相连。磁铁电源控制主机主要提供电磁铁的扫描电源。前面板如图所示图SMOKE磁铁电源控制主机图中左边方框中表头显示磁场扫描电流单位为ldquo安培rdquo(A)右边方框内上排ldquo电流调节rdquo电位器可以调节磁铁扫描最大电流ldquo手动-自动rdquo两波段开关可以左右切换选择手动扫描和电脑自动扫描。ldquo磁场换向rdquo开关选择初始扫描时磁场的方向。ldquo输出+rdquo和ldquo输出-rdquo接线柱与后面板ldquo电流输出rdquo两个红黑接线柱具有同等作用实验中只接后面板的即可。如图所示为SMOKE磁铁电源控制主机后面板示意图图SMOKE磁铁电源控制主机后面板示意图最左边为V交流电源插座ldquo电流输出rdquo接线柱与电磁铁相连。ldquo控制输入rdquo和ldquo换向输入rdquo通过五芯航空线与SMOKE克尔信号控制主机后面板ldquo控制输出rdquo和rdquo换向输出ldquo分别相连。ldquoVVrdquo两波段开关为扫描电压上限拨至ldquoVrdquo磁铁电源最大扫描电压为ldquoVrdquo此时最大扫描电流为ldquoArdquo拨至ldquoVrdquo磁铁电源最大扫描电压为ldquoVrdquo此时最大扫描电流为ldquoArdquo。)光学实验平台部分FDSMOKEA型表面磁光克尔效应实验系统实验平台采用标准实验操作台台面采用纯铁为基不锈钢贴面的光学平板中间装有减震橡胶。光学元件通过磁性开关底座与台面可以自由固定。台面分为两块尺寸为mtimesm的上面放置电磁铁尺寸为mtimesm的上面放置光学元件。四、实验内容及实验步骤:、仪器连接)将SMOKE光功率计控制主机前面板上激光器ldquoDCVrdquo输出通过音频线与半导体激光器相连将光电接收器与SMOKE光功率计控制主机后面板的ldquo光路输入rdquo相连注意连接线一端为三通道音频插头接光电接收器另外一端为绿、黄、黑三色标志插头与对应颜色的插座相连。将霍尔传感器探头一段固定在电磁铁支撑架上(注意霍尔传感器的方向)另外一端与SMOKE光功率计控制主机后面板ldquo磁路输入rdquo相连注意ldquo磁路输入rdquo也有四种颜色区分不同接线柱对应接入即可。将ldquo磁路输出rdquo和ldquo光路输出rdquo分别用五芯航空线与SMOKE克尔信号控制主机后面板的ldquo磁信号rdquo和ldquo光信号rdquo输入端相连。)将SMOKE克尔信号控制主机后面板上ldquo控制输出rdquo和ldquo换向输出rdquo分别与SMOKE磁铁电源控制主机后面板上ldquo控制输入rdquo和ldquo换向输入rdquo用五芯航空线相连。用九芯串口线将ldquo串口输出rdquo与电脑上串口输入插座相连。)将SMOKE磁铁电源控制主机后面板上的电流输出与电磁铁相连ldquoVVrdquo波段开关拨至ldquoVrdquo(只有在需要大电流情况下才拨至ldquoVrdquo)。)接通三个控制主机的V电源开机预热分钟。、样品放置本仪器可以测量磁性样品如铁、钴、镍及其合金。实验时将样品做成长条状即易磁轴与长边方向一致。将实验样品用双面胶固定在样品架上并把样品架安放在磁铁固定架中心的孔内。这样可以实现样品水平方向的转动以及实现极克尔效应和纵向克尔效应的转换。在磁铁固定架的一端有一个手柄当放置好样品时可以旋紧螺丝。这样可以固定样品架防止加磁场时样品位置有轻微的变化影响克尔信号的检测。、光路调整)在入射光光路中可以依次放置激光器、可调光阑、起偏棱镜(格兰-汤普逊棱镜)调节激光器前端的小镜头使打在样品上的激光斑越小越好并调节起偏棱镜使其起偏方向与水平方向一致(仪器起偏棱镜方向出厂前已经校准参考上面标注角度)这样能使入射线偏振光为p光。另外通过旋转可调光阑的转盘使入射激光斑直径最小)在反射接收光路中可以依次放置可调光阑、检偏棱镜、双凸透镜和光电检测装置。因为样品表面平整度的影响所以反射光光束发散角已经远远大于入射光束调节小孔光阑使反射光能够顺利进入检偏棱镜。在检偏棱镜后放置一个长焦距双凸透镜该透镜作用是使检偏棱镜出来的光汇聚以利于后面光电转换装置测量到较强的信号。光电转换装置前部是一个可调光阑光阑后装有一个波长为nm的干涉滤色片。这样可以减小外界杂散光的影响从而提高检测灵敏度。滤色片后有硅光电池将光信号转换成电信号并通过屏蔽线送入控制主机中。)起偏棱镜和检偏棱镜同为格兰-汤普逊棱镜机械调节结构也相同。它由角度粗调结构和螺旋测角结构组成并且两种结构合理结合通过转动外转盘可以粗调棱镜偏振方向分辨率为o并且外转盘可以o转动。当需要微调时可以转动转盘侧面的螺旋测微头这时整个转盘带动棱镜转动实现由测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。因为测微头精度为mm这样通过外转盘的定标就可以实现角度的精密测量。通过检测这种角度测量精度可以达到分左右因为每个转盘有加工误差所以具体转动测量精度须通过定标测量得到。)实验时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。接着设置检偏棱镜首先粗调转盘使反射光与入射光正交这时光电检测信号最小(在信号检测主机上电压表可以读出)然后转动螺旋测微头设置检偏棱镜偏离消光位置o-o(具体解释见原理部分)。然后调节信号SMOKE光功率计控制主机上的光路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上ldquo光路电平rdquo以及ldquo光路幅度rdquo电位器使输出信号幅度在V左右。)调节节信号SMOKE光功率计控制主机上的磁路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上ldquo磁路电平rdquo电位器使磁路信号大小为V左右。这样做是因为采集卡的采集信号范围是-V光路信号和磁路信号都调节在V左右软件显示正好处于介面中间。、实验操作)将SMOKE励磁电源控制主机上的ldquo手动-自动rdquo转换开关指向手动档调节ldquo电流调节rdquo电位器选择合适的最大扫描电流。因为每种样品的矫顽力不同所以最大扫描电流也不同实验时可以首先大致选择观察扫描波形然后再细调。通过观察励磁电源主机上的电流指示选择好合适的最大扫描电流然后将转换开关调至ldquo自动rdquo档。)打开ldquo表面磁光克尔效应实验软件rdquo在保证通讯正常的情况下设置好ldquo扫描周期rdquo和ldquo扫描次数rdquo进行磁滞回线的自动扫描。也可以将励磁电源主机上的ldquo手动-自动rdquo转换开关指向手动档进行手动测量然后描点作图。)如果需要检测克尔椭偏率时按照图的光路图在检偏棱镜前放置四分之一波片并调节四分之一波片的主轴平行于入射面调整好光路后进行自动扫描或者手动测量这样就可以检测克尔椭偏率随磁场变化的曲线。

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