一种克尔灵敏度测量及校准方法与流程

本发明涉及材料磁性测量领域，尤其是一种能够定量地确定样品的面内磁化分量的一种克尔灵敏度测量及校准方法。

背景技术

磁光克尔效应测量装置是材料表面磁性研究中的一种重要手段，其工作原理是基于由光与磁化介质间相互作用而引起的磁光克尔效应，其不仅能够进行单原子层厚度材料的磁性检测，而且可实现非接触式测量，在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。克尔显微镜是一种常用的装置，其工作原理为：平面偏振光与非透明的磁性媒介表面相互作用后，被反射的光的偏振平面产生了顺时针或逆时针的旋转，其旋转方向与媒介的磁化方向有关，通常反射光中的椭圆偏振是叠加的，反射光经过反射光路中的检偏器后，克尔旋转转变为磁畴对比度，从而得到样品表面不同区域的磁畴的磁化特征。现有技术缺陷一：现有技术通常使用调节非平面镜及反射镜的方法来改变入射光的方向，涉及的光学元件较多，操作复杂；现有技术缺陷二：由于在样品磁化反转的过程中，磁化的方向并不是严格沿着磁场方向，这种情况下，克尔信号是不同种克尔效应的混合，较难分离不同种克尔效应的贡献。现有技术中，通常在不同条件下测量得到多条磁滞回线，在这个过程中，需要改变光路即光学元件位置，或者是改变外磁场，另外，装置在每一次改变后都需要校准，所述一种克尔灵敏度测量及校准方法能解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明采用具有多种孔径模式的孔径光阑来调节入射到样品的入射光方向以进行不同克尔灵敏度的测量。另外，本发明通过对光电探测器得到的不同种克尔效应的混合信号处理，能够在不改变装置结构的基础上定量地确定样品的两个面内磁化分量。

本发明所采用的技术方案是：

测量装置主要包括激光器、非球面镜i、孔径光阑、偏振器、非球面镜ii、分束器、1/2波片、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器i、光电探测器ii、物镜台、物镜、非球面镜iii、样品、样品台、磁铁、电流表、电源、示波器、计算机、检偏器、目镜，所述激光器的波长在400纳米到800纳米范围可调，所述激光器、非球面镜i、孔径光阑、偏振器、非球面镜ii、分束器、物镜及非球面镜iii组成入射光路，所述样品、非球面镜iii、物镜、分束器、1/2波片、1/4波片、沃拉斯顿棱镜、光电探测器i及光电探测器ii组成反射光路，所述物镜、分束器、检偏器及目镜位于同一直线上且组成检验光路，激光器发出的光依次经过非球面镜i、孔径光阑、偏振器、非球面镜ii后被分束器偏向，并依次经过物镜、非球面镜iii后射到样品表面，被样品反射的反射光依次经过非球面镜iii、物镜后被分束器偏向，并依次经过1/2波片、1/4波片后在沃拉斯顿棱镜中分成两束分别为s偏振和p偏振的正交光，s偏振光进入光电探测器i，p偏振光进入光电探测器ii，光电探测器i中探测到的光强为is，光电探测器ii中探测到的光强为ip，磁铁、电流表、电源、示波器、计算机之间电缆连接，光电探测器i与计算机之间电缆连接，光电探测器ii与计算机之间电缆连接，磁铁产生的磁场沿x轴方向，所述克尔灵敏度包括纯极向克尔灵敏度、竖直方向的纵向克尔灵敏度和横向克尔灵敏度，所述孔径光阑为四种孔径模式的组合，包括孔径模式i、孔径模式ii、孔径模式iii、孔径模式iv，所述四种孔径模式中的透光区域的大小及位置能够进行微调，通过快门控制来达到不同的孔径模式，以能够控制入射到样品表面的光束的入射角，通过调整偏振器、非球面镜ii、分束器ii，能够使得孔径光阑所处的平面与物镜的背聚焦平面共轭，孔径光阑的半径为20mm，其中心在xy平面内的坐标为(0，0)，孔径模式i的开孔为正方形，所述正方形的中心位置在(0mm，0mm)，边长在1mm至10mm可调；孔径模式ii的开孔为长方形，所述长方形的中心位置在(0mm，-14mm)，x方向边长在1mm至3mm范围可调，y方向边长在2mm至5mm可调；孔径模式iii的开孔为长方形，所述长方形的中心位置在(14mm，0mm)，y方向边长在1mm至3mm范围可调，x方向边长在2mm至5mm可调；孔径模式iv的开孔为长方形，所述长方形的中心位置在(0mm，10mm)，y方向边长在1mm至3mm范围可调，x方向边长在2mm至5mm可调，通过调整检偏器方向及位置，能够在目镜中观测到物镜的背聚焦平面上出现的锥光干涉图。

所述一种克尔灵敏度测量及校准方法包括克尔灵敏度测量方法和磁滞回线校准方法，

克尔灵敏度测量方法：

测量纯极向克尔灵敏度时，使用孔径模式i，并通过调节孔径光阑使得其开孔能够成像于锥光干涉图的十字形消光区域内，此时入射光束垂直入射到样品表面，光电探测器i和光电探测器ii记录光强并输入计算机进行处理，得到磁畴图像；

测量竖直方向的纵向克尔灵敏度时，使用孔径模式ii，并通过调节孔径光阑使得其开孔能够成像于锥光干涉图的十字形消光区域内，光电探测器i和光电探测器ii记录光强并输入计算机进行处理，得到磁畴图像；

测量横向克尔灵敏度时，使用孔径模式iv，并通过调节孔径光阑使得其开孔能够成像于锥光干涉图的十字形消光区域内，光电探测器i和光电探测器ii记录光强并输入计算机进行处理，得到磁畴图像。

磁滞回线校准方法：

使用孔径模式iii，调节电源以使得磁铁产生的磁场在-50mt到50mt之间随时间均匀变化，光电探测器i记录光强is，光电探测器ii记录光强ip，并输入计算机进行处理，分别得到纵向克尔和横向克尔构型的面内的磁滞回线，其中纵向克尔构型的面内的磁滞回线的纵坐标为横向克尔构型的面内的磁滞回线的纵坐标为(is-ip)为光强is与光强ip的差值，(is+ip)dc为光强is与光强ip的和的直流分量，(is+ip)ac为光强is与光强ip的和的交流分量；比较纵向克尔和横向克尔构型的面内的磁滞回线，得到两者之间的比例因子。

本发明的有益效果是：

本发明采用特殊设计的孔径光阑来调节入射到样品的入射光方向以进行不同克尔灵敏度的测量，装置结构简单，且测量过程无需改变装置结构，操作简便。另外，本发明通过对光电探测器得到的不同种克尔效应的混合信号处理，能够在不改变装置结构的基础上定量地确定样品的两个面内磁化分量，在不同条件下测量磁滞回线的过程中无需多次校准。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明示意图；

图2是孔径光阑的几种孔径模式放大示意图。

图中，1.激光器，2.非球面镜i，3.孔径光阑，3-1.孔径模式i，3-2.孔径模式ii，3-3.孔径模式iii，3-4.孔径模式iv，4.偏振器，5.非球面镜ii，6.分束器，7.1/2波片，8.1/4波片，9.沃拉斯顿棱镜，10.光电探测器i，11.光电探测器ii，12.物镜台，13.物镜，14.非球面镜iii，15.样品，16.样品台，17.磁铁，18.电流表，19.电源，20.示波器，21.计算机，22.检偏器，23.目镜。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，左下角具有xyz三维方向标，xyz为空间直角坐标系，zx为水平面，xy平面与水平面垂直，如图2是孔径光阑的几种孔径模式放大示意图，具有xy平面坐标系、且与图1中表示的空间方位一致，测量装置主要包括激光器1、非球面镜i2、孔径光阑3、偏振器4、非球面镜ii5、分束器6、1/2波片7、1/4波片8、沃拉斯顿棱镜9、光电探测器i10、光电探测器ii11、物镜台12、物镜13、非球面镜iii14、样品15、样品台16、磁铁17、电流表18、电源19、示波器20、计算机21、检偏器22、目镜23，所述激光器1的波长在400纳米到800纳米范围可调，所述激光器1、非球面镜i2、孔径光阑3、偏振器4、非球面镜ii5、分束器6、物镜13及非球面镜iii14组成入射光路，所述样品15、非球面镜iii14、物镜13、分束器6、1/2波片7、1/4波片8、沃拉斯顿棱镜9、光电探测器i10及光电探测器ii11组成反射光路，所述物镜13、分束器6、检偏器22及目镜23位于同一直线上且组成检验光路，激光器1发出的光依次经过非球面镜i2、孔径光阑3、偏振器4、非球面镜ii5后被分束器6偏向，并依次经过物镜13、非球面镜iii14后射到样品15表面，被样品15反射的反射光依次经过非球面镜iii14、物镜13后被分束器6偏向，并依次经过1/2波片7、1/4波片8后在沃拉斯顿棱镜9中分成两束分别为s偏振和p偏振的正交光，s偏振光进入光电探测器i10，p偏振光进入光电探测器ii11，光电探测器i10中探测到的光强为is，光电探测器ii11中探测到的光强为ip，磁铁17、电流表18、电源19、示波器20、计算机21之间电缆连接，光电探测器i10与计算机21之间电缆连接，光电探测器ii11与计算机21之间电缆连接，磁铁17产生的磁场沿x轴方向，所述孔径光阑3为四种孔径模式的组合，包括孔径模式i3-1、孔径模式ii3-2、孔径模式iii3-3、孔径模式iv3-4，所述四种孔径模式中的透光区域的大小及位置能够进行微调，通过快门控制来达到不同的孔径模式，以能够控制入射到样品15表面的光束的入射角，通过调整偏振器4、非球面镜ii5、分束器ii6，能够使得孔径光阑3所处的平面与物镜的背聚焦平面共轭，孔径光阑3的半径为20mm，其中心在xy平面内的坐标为(0，0)，孔径模式i3-1的开孔为正方形，所述正方形的中心位置在(0mm，0mm)，边长在1mm至10mm可调；孔径模式ii3-2的开孔为长方形，所述长方形的中心位置在(0mm，-14mm)，x方向边长在1mm至3mm范围可调，y方向边长在2mm至5mm可调；孔径模式iii3-3的开孔为长方形，所述长方形的中心位置在(14mm，0mm)，y方向边长在1mm至3mm范围可调，x方向边长在2mm至5mm可调；孔径模式iv3-4的开孔为长方形，所述长方形的中心位置在(0mm，10mm)，y方向边长在1mm至3mm范围可调，x方向边长在2mm至5mm可调，通过调整检偏器22方向及位置，能够在目镜23中观测到物镜13的背聚焦平面上出现的锥光干涉图，所述克尔灵敏度包括纯极向克尔灵敏度、竖直方向的纵向克尔灵敏度和横向克尔灵敏度。

克尔灵敏度测量方法：

测量纯极向克尔灵敏度时，使用孔径模式i3-1，并通过调节孔径光阑3使得其开孔能够成像于锥光干涉图的十字形消光区域内，此时入射光束垂直入射到样品表面，光电探测器i10和光电探测器ii11记录光强并输入计算机进行处理21，得到磁畴图像；

测量竖直方向的纵向克尔灵敏度时，使用孔径模式ii3-2，并通过调节孔径光阑3使得其开孔能够成像于锥光干涉图的十字形消光区域内，光电探测器i10和光电探测器ii11记录光强并输入计算机21进行处理，得到磁畴图像；

测量横向克尔灵敏度时，使用孔径模式iv3-4，并通过调节孔径光阑3使得其开孔能够成像于锥光干涉图的十字形消光区域内，光电探测器i10和光电探测器ii11记录光强并输入计算21机进行处理，得到磁畴图像。

磁滞回线校准方法：

使用孔径模式iii3-3，调节电源19以使得磁铁17产生的磁场在-50mt到50mt之间随时间均匀变化，光电探测器i10记录光强is，光电探测器ii11记录光强ip，并输入计算机21进行处理，分别得到纵向克尔和横向克尔构型的面内的磁滞回线，其中纵向克尔构型的面内的磁滞回线的纵坐标为横向克尔构型的面内的磁滞回线的纵坐标为(is-ip)为光强is与光强ip的差值，(is+ip)dc为光强is与光强ip的和的直流分量，(is+ip)ac为光强is与光强ip的和的交流分量；比较纵向克尔和横向克尔构型的面内的磁滞回线，得到两者之间的比例因子。

本发明采用具有多种孔径模式的孔径光阑来调节入射到样品的入射光方向以进行不同克尔灵敏度的测量而无需改变装置结构，操作简便。另外，本发明通过对光电探测器得到的不同种克尔效应的混合信号处理，能够在不改变装置结构的基础上定量地确定样品的两个面内磁化分量，简化了校准过程。