一种克尔效应测量装置的制作方法

本实用新型涉及光学技术测量领域的一种电磁检测装置，尤其是一种基于泵浦一探测方法的一种克尔效应测量装置。

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。磁光克尔效应测量装置主要是通过检测一束线偏振光在材料表面反射后的偏振态变化引起的光强变化进行样品表面的磁化观测。现有技术缺陷是：在现有技术中，使用泵浦-探测方法来获得时间分辨的克尔信号的实验中，通常使用光弹调制器来改变泵浦光的偏振状态，但是，光弹调制器会发出与其工作频率相同频率的电磁辐射，因此其附近的二极管激光器等设备易受到电磁耦合干扰，特别是在探测光上的耦合，会导致背景信号的产生，且这个背景信号的漂移会限制探测信号的灵敏度，所述一种克尔效应测量装置能解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，采用特殊的原子力显微镜探针，能够对单个纳米结构进行磁光克尔效应测量。另外，采用泵浦-探测方法进行时间分辨的克尔信号测量，通过对泵浦光进行调制及特殊的相敏检测方法，降低光弹调制器发出的电磁辐射对其附近的二极管激光器等设备的电磁耦合干扰，降低背景信号，增加探测信号的灵敏度。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述一种克尔效应测量装置主要包括激光器I、偏振器、凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、样品台、磁铁、信号发生器、示波器、凸透镜II、光弹调制器、半波片I、斩波器、激光器II、凸透镜III、滤波片、半波片II、检偏器、光电探测器、锁相放大器I、锁相放大器II、计算机、入射光路I、入射光路II，所述探针为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为1.5微米，所述探针中在zx平面内具有通孔I、通孔II和通孔III，所述通孔II的轴线沿所述圆台轴线方向，所述通孔I和通孔III的轴线分别位于所述通孔II轴线的两侧、且均与所述通孔II轴线成45度角，探针位于原子力显微镜下端，样品位于样品台上，所述样品、样品台、磁体依次位于探针正下方，所述激光器I发射的激光束依次经偏振器、凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、探针，从而形成入射光路I，所述激光器II发射的激光束依次经斩波器、半波片I、光弹调制器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、探针，从而形成入射光路II，激光器I与激光器II均为掺钛蓝宝石二极管激光器，激光器I发出的激光为探测光，激光器II发出的激光为泵浦光，激光器I与激光器II都连接于计算机，所述探测光与泵浦光之间的脉冲延时可锁定并调节，激光器I发出的探测光能够依次经偏振器、凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、通孔I，并照射到样品上，从样品反射的光能够依次经通孔III、原子力显微镜、透镜台、凸透镜III、滤波片、半波片II、检偏器，并进入光电探测器，激光器II发出的泵浦光能够依次经斩波器、半波片I、光弹调制器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、通孔II，并照射到样品上，光电探测器输出端连接锁相放大器I的输入端，锁相放大器I的输出端连接锁相放大器II的输入端，锁相放大器II的输出端连接计算机，锁相放大器I的参考信号频率与光弹调制器的调制信号频率相同，锁相放大器II的参考信号频率与斩波器的频率相同，所述探针中的通孔I、通孔II和通孔III的直径均为200纳米，半波片II和半波片I均能够以光路为轴线旋转。

利用所述一种克尔效应测量装置进行测量的步骤为：

一.通过原子力显微镜使得探针逼近样品表面，令探针在二微米范围内扫描，扫描速度2nm/s，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

二.探针向上回缩，回缩距离为50纳米，并关闭原子力显微镜的扫描反馈；

三.调整激光器I的位置，使得激光器I发出的激光束能够进入通孔I；调整激光器II的位置，使得激光器II发出的激光束能够进入通孔II；

四.设置斩波器斩波频率为20Hz；

五.设置光弹调制器的调制频率为50kHz；

六.激光器II发出泵浦光，所述泵浦光能够经斩波器、半波片I、光弹调制器、凸透镜II、透镜台、原子力显微镜、通孔II，并照射到样品上，所述泵浦光波长为700纳米；

七.光弹调制器使得所述泵浦光的偏振态以频率50kHz在左旋和右旋圆偏振态之间变化，则样品中的自旋方向随着泵浦光的偏振态变化而变化；

八.激光器I发出探测光，所述探测光能够依次经偏振器、凸透镜I、透镜台、原子力显微镜、通孔I，并照射到样品上，从样品反射的光能够依次经通孔III、原子力显微镜、透镜台、凸透镜III、滤波片、半波片II、检偏器，并进入光电探测器；

九.旋转半波片II，使得光电探测器探测到的光强达到最大值为I；

十.调整检偏器，使得从样品表面反射的s偏振态的探测光在检偏器中的透射率达到最小值；

十一.旋转半波片II，旋转角度为十五度，使得有足够强度的探测光能被光电探测器探测到；

十二.光电探测器探测到的信号强度v＝Iθk sin(2Δ)，其中Δ为探测光的偏振平面的偏移角度，θK为克尔旋转；

十三.光电探测器输出信号至锁相放大器I，锁相放大器I输出信号至锁相放大器II，锁相放大器II输出信号至计算机，并由此计算出克尔旋转θK。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够对单个纳米结构进行测量，对样品表面的磁化动态的测量能达到亚微米量级的空间分辨率。另外，在时间分辨的克尔信号的实验中，通过对泵浦光进行调制及特殊的相敏检测方法，降低光弹调制器发出的电磁辐射对其附近的二极管激光器等设备的电磁耦合干扰，降低背景信号，增加探测信号的灵敏度。

附图说明

下面结合本实用新型的图形进一步说明：

图1是本实用新型示意图。

图中，1.激光器I，2.偏振器，3.凸透镜I，4.透镜台，5.原子力显微镜，6.探针，7.样品，8.样品台，9.磁铁，10.信号发生器，11.示波器，12.凸透镜II，13.光弹调制器，14.半波片I，15.斩波器，16.激光器II，17.凸透镜III，18.滤波片，19.半波片II，20.检偏器，21.光电探测器，22.锁相放大器I，23.锁相放大器II，24.计算机。

具体实施方式

如图1是本实用新型示意图，左下角具有xyz三维方向标，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，zx平面与水平面垂直，所述一种克尔效应测量装置主要包括激光器I 1、偏振器2、凸透镜I 3、透镜台4、原子力显微镜5、探针6、样品7、样品台8、磁铁9、信号发生器10、示波器11、凸透镜II 12、光弹调制器13、半波片I 14、斩波器15、激光器II 16、凸透镜III17、滤波片18、半波片II 19、检偏器20、光电探测器21、锁相放大器I 22、锁相放大器II 23、计算机24、入射光路I、入射光路II，所述探针6为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台轴线方向与水平面垂直，所述圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为1.5微米，所述探针6中在zx平面内具有通孔I、通孔II和通孔III，所述通孔II的轴线沿所述圆台轴线方向，所述通孔I和通孔III的轴线分别位于所述通孔II轴线的两侧、且均与所述通孔II轴线成45度角，探针6位于原子力显微镜5下端，样品7位于样品台8上，所述样品7、样品台8、磁体9依次位于探针6正下方，所述激光器I 1发射的激光束依次经偏振器2、凸透镜I 3、透镜台4、原子力显微镜5、探针6，从而形成入射光路I，所述激光器II16发射的激光束依次经斩波器15、半波片I 14、光弹调制器13、凸透镜II 12、透镜台4、原子力显微镜5、探针6，从而形成入射光路II，激光器I 1与激光器II 16均为掺钛蓝宝石二极管激光器，激光器I 1发出的激光为探测光，激光器II 16发出的激光为泵浦光，激光器I 1与激光器II 16都连接于计算机，所述探测光与泵浦光之间的脉冲延时可锁定并调节，激光器I 1发出的探测光能够依次经偏振器2、凸透镜I 3、透镜台4、原子力显微镜5、通孔I，并照射到样品7上，从样品反射的光能够依次经通孔III、原子力显微镜5、透镜台4、凸透镜III 17、滤波片18、半波片II 19、检偏器20，并进入光电探测器21，激光器II 16发出的泵浦光能够依次经斩波器15、半波片I 14、光弹调制器13、凸透镜II 12、透镜台4、原子力显微镜5、通孔II，并照射到样品上，光电探测器21输出端连接锁相放大器I 22的输入端，锁相放大器I 22的输出端连接锁相放大器II 23的输入端，锁相放大器II 23的输出端连接计算机24，锁相放大器I 22的参考信号频率与光弹调制器13的调制信号频率相同，锁相放大器II 23的参考信号频率与斩波器15的频率相同，所述探针6中的通孔I、通孔II和通孔III的直径均为200纳米，半波片II 19和半波片I 14均能够以光路为轴线旋转。

本实用新型采用高精度的定位装置来获得纳米尺度样品表面的磁化信息，用于磁光克尔信号测量的探针具有通孔，能够对单个纳米结构进行测量。另外，在时间分辨的克尔信号的实验中，通过对泵浦光进行调制及特殊的相敏检测方法，降低光弹调制器发出的电磁辐射对其附近的二极管激光器等设备的电磁耦合干扰，降低背景信号，增加探测信号的灵敏度。