一种空间分辨磁光克尔效应测量装置的制造方法
【专利摘要】一种空间分辨磁光克尔效应测量装置，包括光路系统、三维压电样品台和电流源控制单元，该系统不仅可以在变化磁场下对单点快速进行极向或纵向克尔信号扫描测量，还可以在固定磁场下以矩阵扫描的方式对区域内各点进行克尔信号测量，可实现对区域静态磁畴、动态磁畴的精确测量的一种空间分辨磁光克尔效应测量装置，同时在固定磁场下，可实现对整个待测区域的磁畴结构的观测。
【专利说明】
一种空间分辨磁光克尔效应测量装置
技术领域：
[0001] 本发明属于光学技术测量领域，具体涉及一种空间分辨磁光克尔效应测量装置， 其主要用途在于测量磁滞回线进而得到样品表面的磁畴分布，同时该系统具有观察磁畴结 构的功能。
【背景技术】：
[0002] 材料表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和不同原子构成的多层膜的磁 性，是当今磁存储领域中的较为重要的研究热点，磁光克尔效应测量装置是表面磁性研究 中的一种重要手段，它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。
[0003] 目前，磁光克尔效应测量装置均采用固定样品台，只能对材料固定的区域进行磁 有序、磁各向异性及磁畴等问题研究，无法实现在固定磁场下以矩阵扫描的方式对区域内 各点进行克尔信号的测量，无法实现对区域静态磁畴、动态磁畴的精确测量。现有的实验装 置极大地限制了磁光克尔效应的使用范围和测量效率。
【发明内容】
：
[0004] 本发明目的：针对现有技术和设计中的不足，提出一种不仅可以在变化磁场下对 单点快速进行极向或纵向克尔信号扫描测量;还可以在固定磁场下以矩阵扫描的方式对区 域内各点进行克尔信号测量，可实现对区域静态磁畴、动态磁畴的精确测量的一种空间分 辨磁光克尔效应测量装置;同时在固定磁场下，可实现对整个待测区域的磁畴结构的观测
[0005] 本发明技术方案:一种空间分辨磁光克尔效应测量装置，该装置包括光路系统、三 维压电样品台和电流源控制单元；
[0006] 光路系统主要包括激光器、衰减器、扩束器、斩波器、格兰泰勒棱镜、二分之一波 片、显微物镜、凸透镜和(XD等光学器件。
[0007] 三维压电样品台和电流源控制单元由三维压电样品台、电磁铁、三维压电样品台 控制器、电流源控制器以及计算机组成;通过计算机控制信号采集，磁场扫描和样品台移 动;计算机通过控制三维压电样品台扫描测量，能够得到空间依赖的磁滞回线，并直接反应 磁性样品局域的磁畴分布。
[0008] 所述三维压电样品台位移精度可以达到20nm。
[0009] 激光经显微物镜聚焦后分辨率可以达到550nm。
[0010]本发明测量系统的理论基础：当线偏振光打在磁性样品上时，其反射光的偏振面 会发生旋转，旋转角度大小同材料的磁化强度成正比，称为磁光克尔效应。磁光克尔效应起 源于左旋和右旋圆偏振光在磁性材料中有着不同的折射率。
[0011]磁光克尔效应唯象的解释:线偏振光是左圆和右圆偏振光的叠加。
[0012] 磁性介质中左圆、右圆偏振光驱动介质当中电子做左旋和右旋圆周运动，由于磁 场作用，Lorenz力对电子作用不同导致左旋、右旋在传播时介质的响应，也就是介电常数不 同，因而导致磁光克尔效应。由于这左圆和右圆偏振光的折射率不同，在介质中传播会有不 同的相移，从而引起反射光偏振面的旋转；同时由于介质对这两种模式的吸收率也不同，从 而改变反射光的椭偏率。通常，这两种效应在磁性介质中同时存在，因此，可以通过测量偏 振光反射或者折射后的偏振情况来研究磁性材料的磁学性质。由于大多数的磁性材料都有 很强的吸收率，实验上通过测量反射光的偏转角度来反应磁性显得更为方便。
[0013] 工作原理为：假设一线偏振的P光从样品的表面反射回来，如果样品是完全非磁 的，反射回来的光依然是纯粹的P光;如果样品带有铁磁性，那么反射回来的光当中必然会 掺杂S光的成分，Es/Ep就是所谓的kerr rotation，于是测量S光就成为了实验的的主要目 的。实验上我们用一个偏振片放在光电二极管前面，并且使偏振片与P光的偏振面成一小角 (d)放置，于是有：1=10(1+20'/C )，其中10= | Ep | 2d2，表示kerr rotation为零时的光强， Es/Ep=0'+i0"，0'是kerr转角，0"是椭偏率，由于0'和0"都随着磁化强度的变化呈线性的 变化，所测到的光强随磁场的变化而变化，表现为一个磁滞回线的形式。
[0014] 磁光克尔效应观察样品的磁畴结构，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，通过格兰泰勒棱镜后的CCD观察反射光时，将观察到与各磁畴对应 的明暗不同的区域，明区和暗区互为反畴。利用磁光克尔效应观察磁畴结构的优点：1.不受 温度的限制，可以在各种温度下观察磁畴结构。2.有些材料的畴壁较厚，畴与畴壁间的界限 不明显，表面散磁场很小，粉纹不易集中。对于这种情况，磁光效应法是一种有效的方法。3. 磁光效应法可用于观察磁畴的动态变化。
[0015] 有益效果:本发明采用三维压电样品台扫描测量，能够得到空间依赖的磁滞回线， 并直接反应磁性样品局域的磁畴分布，可实现对磁滞回线和磁畴信息的测量。单点loop功 能：在变化磁场下对单点快速进行极向或纵向克尔信号扫描磁场测量，可判断易/难磁化 轴，矫顽力，磁学性质。磁畴成像功能:在固定磁场下以矩阵扫描的方式对区域内各点进行 克尔信号测量，可实现对区域静态磁畴、动态磁畴的精确测量;在固定磁场下，可实现对整 个待测区域磁畴结构的观测
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的测量装置结构图；
[0017] 图2位本发明的平衡光桥放大光路。
【具体实施方式】
[0018] 图1中标号：1为半导体激光器，2为衰减器，3为扩束器，4为斩波器，5为格兰泰勒棱 镜，6为分束镜，7为立方体分束镜，8为分束镜，9为显微物镜，10为薄膜样品，11为电磁铁，12 为三维压电样品台，13为格兰泰勒棱镜，14为凸透镜，15为白光源，16为二分之一波片，17为 格兰泰勒棱镜，18为反射棱镜，19为格兰泰勒棱镜，20为凸透镜，21为三维压电样品台控制 器，22为锁相放大器，23为光电平衡探测器，24为CCD，25为电流源控制器，26为计算机；图2 中标号：1为二分一波片，2为格兰泰勒棱镜，3为反射棱镜，4为光电平衡探测器。
[0019]本发明一种空间分辨磁光克尔效应测量装置，包括两部分:光路系统部分;三维压 电样品台和电流源控制系统部分和计算机控制系统组成。
[0020] 如图1所示，所述光路系统如下：当中的激光光源是635nm的半导体激光器1，输出 功率为3mW，激光经过一个功率衰减器2(用以控制激光强度），后通过扩束器3(通过扩束放 大主要是为了减小光束的发散角）。扩束后经过斩波器4,经过格兰泰勒5,使得入射光是一 个具有高偏振度的线偏振光，然后依次经过分束镜7、8，并通过显微物镜9，聚焦到样品10表 面。其中白光源15经过样品10反射进入(XD 24,通过CCD 24可以观察样品的移动，进而可以 通过控制样品台将激光打到样品表面的特定位置。在移动样品时，应该将激光强度衰减至 最低，从而可以观察到最清晰的图像。设备中的激光光斑可以最小聚焦到〇.55um。当样品是 磁性介质时，被样品反射返回的激光偏振面将会发生偏转。经样品反射的激光依次通过显 微物镜9、分束镜8到达立方分束镜7，被立方分束镜7沿90度角分束的反射光。经立方体分束 镜7分离的S分量经过二分之一波片16 (该波片用来调节输入到格兰泰勒棱镜17前的光的偏 振方向）使得经过格兰泰勒棱镜17的两束光强基本相等。这两束光分别进入平衡光桥的两 个探测器A和B。光电平衡探测器23有三个信号输出口，分别为光电二极管A的输出电压信号 Ia，光电二极管B的输出电压信号Ib以及光电二极管A和B差分输出信号电压Ia-Ib。
[0021] 功率衰减器:用于控制激光的强度，有多个档位，一般情况下，测量时使用最低档， 使激光光强最强。通过C⑶观测样品表面时，使用最高档，使激光光强最弱，这样才可以清晰 地观测到样品表面。
[0022] 锁相放大器利用斩波器产生参考信号，并将被测信号与参考信号进行比较，从而 只对被测信号本身以及与参考信号相同频率、相同相位的噪声分量进行放大。因此，能高效 的去除背景噪音，显著提高信噪比。
[0023] 由于一般磁性物质克尔旋转角小，反射光强变化比较微弱，故采用平衡光桥放大 光路对克尔信号进行探测。这样可以消除实验系统中光强波动带来的影响。当在特定的半 波片与入射线偏振光的夹角下，两束光强相减为零，因此当反射光有微小变化时，平衡光桥 光路可以灵敏的将这一变化检测出来，并通过锁相放大器连接计算机，进行数据采集。这种 差分方法的独到之处是激光强度起伏引起的随机噪声在两路正交分量间表现一致，当平衡 点调得比较好时差分信号也基本为零，因而保证测量系统有高的共模抑制比和良好的动态 响应特性。
[0024] 如图2所示，经样品反射的线偏振光入射到二分之一波片1后入射到格兰泰勒棱镜 2，将经过样品反射的光分解为水平和竖直两个正交分量，一束直接入射到光电平衡探测器 23的光电二极管A，另一束经反射入射到光电平衡探测器23的光电二极管B。调整半波片使 其主轴与线偏光的振动平面角度变化，即可控制光电二极管A、B接收到的光强大小相同，此 时光桥达到平衡。当入射光的偏振面发生旋转时，经过格兰泰勒棱镜2的两束光强发生变 化，光电二极管A、B的差分输出Ia-Ib发生变化，入射光的克尔旋转角即正比于Ia-Ib。这种差 分方法的独到之处是激光强度起伏引起的随机噪声在两路正交分量间表现一致，当平衡点 调的比较好时差分信号基本为零，因而保证测量系统有较高的共模抑制比。
[0025] 本发明的核心在于三维压电样品台和电流源控制系统部分。样品台和电磁铁控制 部分主要由三维压电样品台、电磁铁、三维压电样品台控制器、电流源控制器以及计算机组 成。
[0026] 该测量系统只需通过计算机控制电源的输出范围、扫描步长和三维压电样品台的 扫描范围和步长即可实现在变化磁场下对单点快速进行极向或纵向克尔信号扫描测量和 在固定磁场下以矩阵扫描的方式对区域内各点进行克尔信号测量。极大地提高了磁光克尔 效应的使用范围和测量效率。
[0027] 性能指标：
[0028]本发明中，显微物镜9的分辨率可以达到550nm;
[0029]电磁铁11的磁极间距可调；
[0030] 三维压电样品台12位移精度可以达到20nm;
[0031] 最小克尔转角检出角0.5mdeg:
[0032] 最小反射率变化率检出量0.02%。
[0033]更具体的光路系统:本发明中激光器1采用的是半导体激光器，波长A = 635nm，激 光器1发出的激光通过功率衰减器2，再通过扩束器3、斩波器4、偏振片5、分束镜6、立方分束 镜7、分束镜8,通过显微物镜9,经过样品10反射，反射光经过分束镜8被分为两束，其中一束 经过格兰泰勒棱镜19、凸透镜20，射入(XD24，然后CCD24将采集到的信号送入计算机26，另 一束经过分束镜8,经过立方体分束镜7、二分之一波片16,再经过格兰泰勒棱镜17,激光被 分为两束，其中一束直接射入光电平衡探测器23,一束经过反射棱镜18,射入光电平衡探测 器23,然后光电平衡探测器23将采集的信号送入锁相放大器22,锁相放大器22连接计算机 26;白光15通过凸透镜14，经过格兰泰勒棱镜13、分束镜6、立方体分束镜7、分束镜8，再透过 显微物镜9，经过样品10反射，反射光经过显微物镜9，再经过格兰泰勒棱镜19、凸透镜20，射 入CCD24;样品座连接三维压电样品台12，并置于电磁铁11中间，电流源控制器25与电磁铁 11连接，三维压电样品台12与三维压电样品台控制器21连接，并且电流源控制器25和三维 压电样品台控制器21都与计算机26连接，受计算机26控制，计算机26收集光电平衡探测器 转换的Kerr信号，并且控制电流源控制器25与三维压电样品台控制器21，从而实现空间分 辨的磁光克尔信号采集。
[0034 ] 计算机控制系统由Lab v i ew程序编写。
[0035]操作控制系统包括三个部分:磁场扫描电流源控制部分、样品扫描压电样品台控 制部分和信号采集部分。
[0036]工作原理是计算机机输出指令至电流源控制器和三维压电样品台控制器，设定输 出电流范围(-6A至6A )、扫描电流的步长和设定三维压电样品台扫描方式。同时通过锁相放 大器采集反射光的克尔旋转角经平衡探测器转换成的电压信号绘制磁滞回线。
【主权项】
1. 一种空间分辨磁光克尔效应测量装置，其特征是包括光路系统、三维压电样品台和 电流源控制单元;光路系统中激光器（1)产生的激光通过衰减器（2)，再依次通过扩束器 (3)、斩波器(4)、起偏器(5)、分束镜(6)、立方体分束镜(7)、分束镜(8)、通过显微物镜(9)、 经过样品（10)反射，反射光经过分束镜（8)被分为两束，其中一束经过过格兰泰勒棱镜 (19)、凸透镜(20)，射入CCD(24)，CCD(24)将采集到的信号送入计算机(26)，反射光另一束 经过分束镜(8)，经过立方体分束镜(7)、二分之一波片（16)，再经过格兰泰勒棱镜（17)，激 光通过格兰泰勒棱镜（17)被分为两束，其中一束直接射入光电平衡探测器(23)第一输入 端，一束经过反射棱镜（18)，射入光电平衡探测器(23)第二输入端，然后光电平衡探测器 (23)将采集的信号送入锁相放大器(22)，锁相放大器(22)连接计算机;另设有白光源，发出 的白光（15)通过凸透镜（14)，经过格兰泰勒棱镜（13)、分束镜(6)、立方体分束镜(7)、分束 镜(8)，再透过显微物镜(9)，经过样品（10)反射，反射光经过显微物镜(9)、格兰泰勒棱镜 (19)、凸透镜（20)，射入CCD(24);样品（10)置于样品座，样品座固定于三维压电样品台 (12)，并置于电磁铁（11)中间，电流源控制器(25)与电磁铁（11)连接，三维压电样品台（12) 与三维压电样品台控制器(21)连接，并且电流源控制器(25)和三维压电样品台控制器(21) 都与计算机(26)连接，受计算机(26)控制，计算机(26)收集光电平衡探测器转换的Kerr信 号。2. 根据权利要求1所述的空间分辨磁光克尔效应测量装置，其特征是所述三维压电样 品台和电流源控制部分由三维压电样品台、电磁铁、三维压电样品台控制器、电流源控制器 以及计算机组成;通过计算机控制信号的采集，磁场的扫描和样品台的控制;通过计算机控 制三维压电样品台扫描测量，能够得到空间依赖的磁滞回线，并直接反应磁性样品局域的 磁畴分布。3. 根据权利要求2所述的空间分辨磁光克尔效应测量装置，其特征是所述程控高精度 三维压电样品台位移精度20nm 〇4. 根据权利要求1所述的空间分辨磁光克尔效应测量装置，其特征是所述激光经显微 物镜聚焦后分辨率550nm〇
【文档编号】G01R33/14GK105891744SQ201610205612
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】徐永兵, 刘墨玉, 阮学忠, 吴竞, 黎遥, 刘波
【申请人】南京大学