专利名称：一种磁光椭偏测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种磁光椭偏测量装置及测量方法，属磁性材料的磁光测量技术领 域。
背景技术：
磁性材料的磁光性质，广泛应用在磁光存储方面，磁光椭偏是一种非常重要的磁 性薄膜和超薄膜磁光性质的检测手段，利用磁光椭偏可以测得铁磁样品的折射率N、消光系 数K、磁光耦合系数Q等，同时还可利用它进行磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的 研究。和其它磁光性质测量手段相比较，磁光椭偏检测具有以下优点(1)测量灵敏度极 高，可以实现亚原子层磁性的测量(2)是一种无损伤测量；(3)磁光椭偏测量系统结构比较 简单，易于和其他实验设备，特别是超真空系统相互兼容，实现原位检测。由于磁光椭偏要求能够达到单原子层磁性检测的灵敏度，因此对于光源和检测手 段提出了很高的要求。在现有的磁光椭偏测量设备中，主要存在入射角测量不精确，导致磁 光耦合系数产生较大误差的问题。在杂志 Applied Physics Letter 上发表的 Generalized magneto-optical ellipsometry 一文(Author :A. Berger, M. R. Pufall, Vol. 71，No. 7，18 August 1997)就是 利用磁光椭偏测得200nm厚的坡莫合金薄膜的复折射率N和复磁光耦合系数Q，此文中激光 入射角为45°，当入射角变化1°时，磁光耦合系数将会产生8. 09%的误差，严重影响测量 精度，从而可以看出准确测量出入射角对于磁光耦合系数的测量具有重要的影响。但由于 电磁铁的磁极间隙较小，所以入射角一直很难精确测量，在此专利中我们将分光计进行改 造并引入测量光路中，从而很好的解决了这一问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出了一种磁光椭偏测量装置及测 量方法。该方法具有操作简单、入射角测量准确等特点。本发明的技术方案是按以下方式实现的，一种磁光椭偏测量装置，由电源、激光光源、光路系统、电磁铁、PC机组成，其特征 在于光路系统由衰减片，光阑、起偏器、分光计、检偏器、光阑、CCD组成，光路系统位于激光 光源之后，依激光光源传送次序先后排列为衰减片、光阑、起偏器、分光计、检偏器、光阑、 (XD ；(XD的输出端连接到PC机上，以观察记录并计算测量结果。一种利用上述装置进行磁光椭偏测量的方法，步骤如下①将测量装置接通电源，给CCD供电，点亮激光光源及PC机，打开电磁铁电源；②将分光计置于电磁铁的两个磁极中间，并使得分光计上的样品台位于磁场中心 位置；③将样品固定在样品台上，调整样品使其在水平方向上转动，使得样品表面与磁 场方向平行或者垂直(当样品表面与磁场方向平行时，可进行纵向磁光椭偏的测试；垂直时为极向磁光椭偏检测)；④调节激光光源后面放置的衰减片、光阑、起偏器的位置，使得激光从分光计的一 平行光管入射到样品表面上，激光经反射后沿另一平行光管射出，然后将平行光管固定，记 录此时分光计旋转刻度盘上的角度約左、钓右；⑤调节光阑的位置，转动光阑，是入射到样品表面的激光光斑最小；调整检偏器后 面放置的光阑的位置与孔径大小，使得CCD接收的光斑强度呈现高斯分布；⑥转动检偏器，调节检偏器的偏振角使得CCD接收的光强最大，并调节衰减片，避 免(XD发生饱和；⑦选定起偏器起偏角度为e工，检偏器检偏角度为e 2，记录不加磁场时CCD接收的 激光光强I。；正向调节电磁铁电流im，记录此时的激光光强1+ ；反向调节电磁铁电流至-im，
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记录此时的激光光强1_，从而得到^~=、，并记录、，02；⑧保持起偏器的起偏角度不变，旋转检偏器，增加检偏角度02，重复步骤⑦， 其中检偏角度9 2增加步长为5°，增加至不大于90°为止，从而得到一系列e” e2和与
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其相对应的7数组；⑨将分光计的样品台取下，则激光将沿直线射出，保持入射光的平行光管位 置不变，松开分光计出射光平行光管的固定螺丝，将分光计出射光的平行光管的支 架拆下，转动旋转刻度盘使得出射光平行光管与入射光平行光管成180°，然后固定 出射平行光管，记下此时分光计旋转刻度盘上的读数朽￡、約右则可以计算出入射角 ⑩将入射角起偏角、检偏角92和测得的7输入PC机，由PC机计算得到样
品的磁光耦合系数Q与折射率N。步骤⑩中计算Q所用到的公式为
；
其中 系统的反射衰减矩阵为A =
为磁滞衰减反射矩阵元，
为非磁性反射系数，)表示取复数的实部，e” e2分别为起偏角与检偏角喁为复折射 角；a，b，c表示磁场空间磁矩的单位矢量，a2+b2+c2 = 1，且对于极向磁光椭偏a = 0，b = 根据折射定律，样品的折射率N为 其中〒=-iln(库+—(，) +呼_瑰如表示复数的
虚数部分，e表示自然对数的底。本发明的特点如下(1)、光路中加入分光计可以精确测量入射角，由于分光计测量角的分辨率可以达 到0.01°，故测量精度高。(2)、通过对分光计改造，使其一平行光管可拆卸，避免了测量角度时需移动电磁 铁的麻烦，使测量更加精确、方便。(3)、光路简单实用，光路中所需的光学器件都是通用的光学器件，成本低。(4)、操作方便，无需移动电磁铁就可进行材料纵向、极向磁光椭偏的测量。
图1是本发明测量装置的结构示意图。其中1、激光光源，2、衰减片，3、光阑，4、起偏器，5、分光计，6、电磁铁，7、电磁铁电 源，8、检偏器，9、光阑，10、CCD，11、PC机。图2是本发明测量装置中分光计的结构示意图。其中12、样品台，13、平行光管，14、调节螺丝，15、支架，16、固定螺丝，17、旋转刻度 盘，18、底座，19、电磁铁。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例1 (装置实施例)一种磁光椭偏测量装置，如图1所示，由电源、激光光源1、光路系统、电磁铁6、PC 机11组成，其特征在于光路系统由衰减片2，光阑3、起偏器4、分光计5、检偏器8、光阑9、 (XD10组成，光路系统位于激光光源1之后，依激光光源1传送次序先后排列为衰减片2、光 阑3、起偏器4、分光计5、检偏器8、光阑9、(XD10 ；(XD10的输出端连接到PC机11上，以观 察记录并计算测量结果。实施例2 (方法实施例)一种利用上述装置进行磁光椭偏测量的方法，步骤如下①将测量装置接通电源，给(XD10供电，点亮激光光源1及PC机11，打开电磁铁电 源7 ；②将分光计5置于电磁铁6的两个磁极中间，并使得分光计5上的样品台12位于 磁场中心位置；③将样品固定在样品台12上，调整样品使其在水平方向上转动，使得样品表面与 磁场方向平行或者垂直(当样品表面与磁场方向平行时，可进行纵向磁光椭偏的测试；垂 直时为极向磁光椭偏检测)；④调节激光光源1后面放置的衰减片2、光阑3、起偏器4的位置，使得激光从分光 计5的一平行光管入射到样品表面上，激光经反射后沿另一平行光管射出，然后将平行光 管固定，记录此时分光计5旋转刻度盘17上的角度夠左、钓右；⑤调节光阑3的位置，转动光阑3，使入射到样品表面的激光光斑最小；⑥调整检偏器8后面放置的光阑9的位置与孔径大小，使得(XD10接收的光斑强 度呈现高斯分布；转动检偏器8，调节检偏器8的偏振角使得CCD10接收的光强最大，并调 节衰减片2，避免(XD10发生饱和；⑦选定起偏器4起偏角度为0”检偏器8检偏角度为02，记录不加磁场时(XD10 接收的激光光强h ；正向调节电磁铁电流Im，记录此时的激光光强1+ ；反向调节电磁铁电流
至-im，记录此时的激光光强1_，从而得到f = +Iq ，并记录e^ e2；⑧保持起偏器4的起偏角度不变，旋转检偏器8，增加其检偏角度02，重复步 骤⑦，其中检偏角度9 2增加步长为5°，增加至不大于90°为止，从而得到一系列e” e2
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和与其相对应的y数组；⑨将分光计5的样品台12取下，则激光将沿直线射出，保持入射光的平行光管位 置不变，松开分光计5出射光平行光管的固定螺丝16将分光计5出射光的平行光管的支架 15拆下，转动旋转刻度盘17使得出射光平行光管与入射光平行光管成180°，然后固定出 射平行光管，记下此时分光计5旋转刻度盘17上的读数約左、朽右则可以计算出入射角 ⑩将入射角 起偏角、检偏角e2和测得的"r输入PC机，由PC机计算得到样
品的磁光耦合系数Q与折射率N。
权利要求
一种磁光椭偏测量装置，由电源、激光光源、光路系统、电磁铁、PC机组成，其特征在于光路系统由衰减片，光阑、起偏器、分光计、检偏器、光阑、CCD组成，光路系统位于激光光源之后，依激光光源传送次序先后排列为衰减片、光阑、起偏器、分光计、检偏器、光阑、CCD；CCD的输出端连接到PC机上，以观察记录并计算测量结果。
2.一种利用权利要求1所述装置进行磁光椭偏测量的方法，步骤如下①将测量装置接通电源，给CCD供电，点亮激光光源及PC机，打开电磁铁电源；②将分光计置于电磁铁的两个磁极中间，并使得分光计上的样品台位于磁场中心位置；③将样品固定在样品台上，调整样品使其在水平方向上转动，使得样品表面与磁场方 向平行或者垂直(当样品表面与磁场方向平行时，可进行纵向磁光椭偏的测试；垂直时为 极向磁光椭偏检测)；④调节激光光源后面放置的衰减片、光阑、起偏器的位置，使得激光从分光计的一平行 光管入射到样品表面上，激光经反射后沿另一平行光管射出，然后将平行光管固定，记录此 时分光计旋转刻度盘上的角度约左、巩右 ’⑤调节光阑的位置，转动光阑，是入射到样品表面的激光光斑最小；调整检偏器后面放 置的光阑的位置与孔径大小，使得CCD接收的光斑强度呈现高斯分布；⑥转动检偏器，调节检偏器的偏振角使得CCD接收的光强最大，并调节衰减片，避免 (XD发生饱和；⑦选定起偏器起偏角度为，检偏器检偏角度为02，记录不加磁场时CCD接收的激光 光强Io ；正向调节电磁铁电流Im，记录此时的激光光强1+ ；反向调节电磁铁电流至，记录 此时的激光光强1_，从而得到t= r ，并记录、，02；⑧保持起偏器的起偏角度9工不变，旋转检偏器，增加检偏角度e2，重复步骤⑦，其中 检偏角度02增加步长为5°，增加至不大于90°为止，从而得到一系列0” 92和与其相AI对应的数组；⑨将分光计的样品台取下，则激光将沿直线射出，保持入射光的平行光管位置不变，松 开分光计出射光平行光管的固定螺丝，将分光计出射光的平行光管的支架拆下，转动旋转 刻度盘使得出射光平行光管与入射光平行光管成180°，然后固定出射平行光管，记下此时分光计旋转刻度盘上的读数m则可以计算出入射角 ⑩将入射角％起偏角e、检偏角e 2和测得的^ 输入pc机，由PC机计算得到样品的 磁光耦合系数Q与折射率N。
全文摘要
一种磁光椭偏测量装置及测量方法，属磁性材料的磁光测量技术领域，装置由电源、激光光源、光路系统、电磁铁、PC机组成，利用上述装置可进行磁光椭偏的测量。本发明的特点如下(1)光路中加入分光计可以精确测量入射角，由于分光计测量角的分辨率可以达到0.01°，故测量精度高。(2)通过对分光计改造，使其一平行光管可拆卸，避免了测量角度时需移动电磁铁的麻烦，使测量更加精确、方便。(3)光路简单实用，光路中所需的光学器件都是通用的光学器件，成本低。(4)操作方便，无需移动电磁铁就可进行材料纵向、极向磁光椭偏的测量。
文档编号G01N21/01GK101865827SQ20101019789
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者吴仕梁, 宋平, 李萍, 王晓, 薛其坤, 连洁, 马峥, 高尚 申请人:山东大学