专利名称：一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法
技术领域：
本发明属于物理测量技术领域，具体涉及一种表面磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量装置及测量方法。
背景技术：
测量物质的磁光克尔效应与磁晶各向异性场是薄膜磁学研究领域中的基本探测手段，测量装置均需一个可旋转的磁场在进行磁光克尔效应的测量(Μ0ΚΕ方法)时，需要旋转磁场来找到合适的磁化方向；在进行磁晶各向异性场的测量(R0TM0KE方法)时，需要将磁场进行360°转动，测量各磁场方向的克尔信号。目前，该类装置的磁场主要是利用步进马达带动磁铁来实现旋转，它可以对磁光克尔效应与磁晶各向异性场进行基本的测量，然而存在着很大的不足，例如步进马达带动磁铁转动不可避免地引进了机械振动，给测量结果带来了较大的噪音；用步进马达旋转磁场耗时很长，使得样品受到了更多的环境影响；激光会在长时间的测量中出现漂移，使得测量结果不准确。现有装置的此类问题极大地影响了磁光克尔效应与磁晶各向异性场的测量精度与测量效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种测量精度与测量效率高的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法。本发明提出的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，包括两个部分磁铁控制部分和激光探测部分。磁铁控制部分主要包含磁铁架、电源、ADDA卡以及计算机等部件(如图1)。磁铁架是这样设计的用一大一小两个正方形金属架将四个缠有漆包铜线的铁芯固定，使四个铁芯两两相对并留有空间，每个铁芯上的铜线圈匝数相同。两个电源用于给上述铜线圈提供电流左右两组线圈串联，用第一电源1提供电流，产生横向磁场；上下两组线圈串联，用第二电源2提供电流，产生纵向磁场。计算机通过ADDA卡分别控制两个电源输出电流的大小与方向，从而可以分别控制横向磁场与纵向磁场的大小与方向。由矢量合成原理可知，这样的横向磁场与纵向磁场可以合成平面内任意方向、任意大小(一定范围内)的磁场。这样，计算机通过对电源的控制，就实现了对磁场的控制。激光探测部分主要由激光器、起偏器、检偏器、光电探测器、ADDA卡以及计算机组成(如图2)。激光器发出的激光经通过起偏器形成一束线偏振光打在处于磁场中样品上，反射光通过检偏器过滤后打在光电探测器上，光电探测器接收到的信号经ADDA卡转化，变成数字信号被传输到计算机中，这样就得到了样品在该探测点的克尔信号。利用该系统进行磁光克尔效应的测量时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生某一方向、从负值到正值渐变的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后根据磁光克尔效应，利用磁场和克尔信号的数值作出样品在该测量点的磁滞回线。如果改变光平面与磁场的方向，就可以测到样品探测点在不同方向的磁信息。利用该系统进行磁晶各向异性场的测量时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生一个大小恒定、快速旋转的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后利用样品探测点的克尔信号随360度旋转角度的关系，可以得到样品在该探测点的磁晶各向异性场。本发明的核心在于磁铁控制部分，该测量系统只需通过计算机控制电源输出电流的大小和方向就可以实现对磁场的控制，即可以产生平面内任意方向、任意大小(一定范围内)的磁场，并可以通过设置横向磁场与纵向磁场的变化关系，得到可在面内快速旋转的合成磁场。这样，可以大大缩短测量时间，并能很大程度地减少了周围环境对测量样品的影响；设备不需要进行机械转动就可以实现磁场在面内的任意旋转，消除了机械振动，减小测量噪音，增大测量的准确度。这样，结合磁光克尔效应(MOKE)和旋转磁场磁光克尔效应 (RotMOKE)原理，就可以准确、高效地得到样品的磁信号和磁晶各向异性场。
图1 磁铁控制部分结构图示。
图2:激光探测部分图示。
图3:磁光克尔效应(MOKE)测量示意图。
图4 旋转磁场磁光克尔效应(RotMOKE)测量示意图。
图5:RotMOKE原理图。
图6 磁矩测量示意图。
图7:计算机控制方案。
图8 换向开关电路图。
图9 光电探测器电路图。
图10=MOKE与RotMOKE的程序流程图。
具体实施例方式一、测量系统的理论基础
1、表面磁光克尔效应(SMOKE)原理
线偏振光被磁性介质反射后偏振面和椭偏率会发生改变，这种效应称为磁光克尔效应。研究表面和超薄膜的磁光克尔效应称之为表面磁光克尔效应(SMOKE)。如图3，磁光克尔效应是光通过材料时，材料的介电张量的非对角元引起的效应。本质上是光在传播过程中与磁性介质中的电子自旋轨道耦合作用相耦合引起的效应。一束P光射向样品被反射，当样品是非磁性的，那么反射光也是P光，当样品是磁性的，那么反射光将包含P光分量(Ep)和少量的S光分量(Es)。将作为检偏器的偏振片从消光位置旋转一个很小的角度S，那么光电探测器测量到的光强为
权利要求
1.一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，其特征在于包括两个部分磁铁控制部分和激光探测部分；其中所述磁铁控制部分包含磁铁架、两个电源、ADDA卡以及计算机，其中磁铁架由一大一小两个正方形金属架将四个缠有漆包铜线的铁芯固定而组成，四个铁芯两两相对并留有空间，每个铁芯上的铜线圈匝数相同；两个电源用于给上述铜线圈提供电流左右两组线圈串联，用第一电源1提供电流，产生横向磁场；上下两组线圈串联，用第二电源2提供电流， 产生纵向磁场；计算机通过ADDA卡分别控制两个电源输出电流的大小与方向，从而分别控制横向磁场与纵向磁场的大小与方向；所述激光探测部分由激光器、起偏器、检偏器、光电探测器、ADDA卡以及计算机组成； 其中，激光器发出的激光经通过起偏器形成一束线偏振光打在处于磁场中样品上，反射光通过检偏器过滤后打在光电探测器上，光电探测器接收到的信号经ADDA卡转化，变成数字信号被传输到计算机中，由此就得到样品在该探测点的克尔信号。
2.根据权利要求1所述的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，其特征在于测量所需的磁场是由两个相互垂直的电磁铁所产生的磁场进行矢量合成而得到；通过ADDA卡 D/A转换输出模拟电压，控制电源输出电流的大小；通过ADDA卡输出一路数字信号，控制与电源相连的换向开关，选择正向电流或者反向电流。
3.根据权利要求1所述的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统，其特征在于所述光电探测器由以下基本原件组成1个运算放大器、1个硅光电池、2个电阻R、2个电容C;其中，运算放大器的第4和第7针脚连接士 12V电源，第2和第3针脚接硅光电池，对电流进行放大，第6针为放大信号输出；第一组电阻、电容并联于硅光电池与运算放大器的放大信号输出之间，第二组电阻、电容并联于硅光电池与放大信号输出接地之间。
4.根据权利要求1所述的磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统的测量方法，其特征在于具体步骤为测量磁光克尔效应时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生某一方向、从负值到正值渐变的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后根据磁光克尔效应，利用磁场和克尔信号的数值作出样品在该测量点的磁滞回线；改变光平面与磁场的方向，即测到样品探测点在不同方向的磁信息；测量磁晶各向异性场时，首先将样品置于磁场中心处；然后利用磁铁控制部分使磁铁产生一个大小恒定、快速旋转的磁场，同时利用激光探测部分测量样品在变化磁场中的克尔信号；最后利用样品探测点的克尔信号随360度旋转角度的关系，得到样品在该探测点的磁晶各向异性场。
全文摘要
本发明属于物理测量技术领域，具体为一种磁光克尔效应与磁晶各向异性场测量系统及测量方法。测量系统包括两个部分磁铁控制部分和激光探测部分。磁铁控制部分主要包含磁铁架、电源、ADDA卡以及计算机，计算机通过ADDA卡分别控制两个电源输出电流的大小与方向，分别控制磁场的大小与方向，得到所需的合成磁场；激光探测部分由激光器、起偏器、检偏器、光电探测器、ADDA卡以及计算机组成，激光器发出的激光经通过起偏器、检偏器过滤后射到光电探测器上，信号经ADDA卡转化，传输到计算机中，得到探测点的克尔信号。本发明可消除机械振动，减小测量噪音，增大测量准确度，可以准确、高效地得到样品的磁信号和磁晶各向异性场。
文档编号G01N21/21GK102252969SQ20111009813
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者刘方泽, 吴义政, 梁建辉, 武迪, 胡春瑞 申请人:复旦大学