表面磁光Kerr效应装置搭建

表面磁光Kerr效应装置搭建王祯钰田传山殷立峰魏大海王煜复旦大学物理系摘要：本文简要介绍了磁光Kerr效应的原理及分类，较为详细地介绍了表面磁光Kerr效应（SMOKE）测量系统的搭建，并对所搭建的系统进行了测试。关键词：表面磁光Kerr效应（SMOKE）磁滞回线一引言磁光效应有两种：Faraday效应和Kerr效应[1]。1845年，MichaelFaraday首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是Faraday效应。1877年，JohnKerr发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是Kerr效应。Kerr效应在表面中的应用，即为表面磁光Kerr效应（SurfaceMagneto-OpticKerrEffect，简称SMOKE），它作为一种探测薄膜的磁性的技术始于1985年。单考虑磁性的贡献。当一束偏振光打到样品表面时，铁磁性会导致反射光偏振面转过一个小角度，这个小角度叫做Kerr旋转角θk。同时，铁磁性会导致椭偏率也有一个小变化，这个变化叫做Kerr椭偏率εk。由于Kerr旋转角θk和Kerr椭偏率εk都是磁化强度M的函数，因此，可以通过测量θk或εk的变化，而反映M的变化。用SMOKE来进行磁性测量，有下述五个主要优点：（1）灵敏度高。SMOKE可以测得亚单层的磁性。（2）原位（insitu）测量。通过和超高真空（UHV）设备相连接，利用SMOKE对样品进行原位测量，可以得到所要研究的样品的性质，免去对样品加保护层时可能引入的各种影响。（3）局域测量。通过聚焦，可以使光斑直径在1毫米至几百微米，从而测量样品上不同点的信号。因此，可以通过生长锲形样品（wedge），从而研究样品性质随厚度的变化，或是样品性质随组分的变化，给出相变点的位置[2]，大大加快测量速度，减少系统误差。（4）装置简单，容易搭建。（5）无损测量。由于测量用的是光探针，因此不会对样品造成任何破坏。此外，SMOKE既能测薄膜样品的面内信号，又能测垂直信号，实验中只要改变磁场方向即可。SMOKE最大的不足之处在于不能给出绝对磁矩。基于上述优点，SMOKE是现代一种常用的重要的表面磁性研究手段。它在磁有序、磁各向异性及磁性超薄膜相变行为等研究中有着广泛而重要的应用。近来，由于自旋霍尔效应（spinHalleffect）[3]的备受关注和磁光记忆材料的不断研究开发，不论在科研还是在实用中，SMOKE都扮演着越来越重要的角色。二原理及分类2.1原理从宏观上讲，磁光效应来源于介电常数张量中非对角元的不对称性[4]。入射到磁性材料上的线偏振光可以看成左旋偏振光和右旋偏振光的叠加，由于介电常数张量中非对角元的不对称，造成了左旋偏振光和右旋偏振光在样品中的传播速度不一样，从而左旋偏振光和右旋偏振光有一个相位差，于是，反射光的偏振面就发生了旋转。同理，介电常数张量中非对角元的不对称使得样品对左旋偏振光和右旋偏振光的吸收率也不一样，这就导致了反射光椭偏率的变化。从微观上讲，经典的看法是磁光效应是由Lorentz力引起的。电子在左旋偏振光或右旋偏振光作用下作圆周运动。在磁场作用下，电子受到一个Lorentz力F=-ev×B。假设磁场是沿着光传播的方向加的，那么如果电子作左旋运动，则受到的力是指向圆心的，于是运动半径会减小，导致电偶极矩减小evrrrverTeIA21222；反之，如果电子作右旋运动，则受到的力是背向圆心的，于是运动半径会增大，导致电偶极矩增大。由此可见，电子对于左旋偏振光和右旋偏振光的响应是不同的，从反作用的角度考虑，这就造成了磁光效应。从量子力学的角度来看，磁光效应是自旋轨道耦合的结果。在电子的坐标系中看，根据Lorentz变换，原来的光的电矢量就有了磁场的效应，与电子的角动量发生作用，从而影响了电子的运动，即自旋轨道耦合项~(▽V×P)·s导致了磁光效应。Kittle[5]证明了自旋轨道耦合引起的波函数的变化给出磁光效应，Argyres[6]用微扰论给出过磁光效应的详细推导。2.2分类按照磁化强度M方向与入射面的方向的不同，磁光Kerr效应可以分为三类（如图一）：极向Kerr效应（polar）、纵向Kerr效应（longitudinal）与横向Kerr效应（transverse）。（1）极向Kerr效应：M垂直于样品表面并且平行于入射面。信号强度随入射角的减小而增大，在0度入射时达到最大（因为此时，Lorentz力公式F=evBsinθ中，θ与入射角互余）。（2）纵向Kerr效应：M在样品膜面内并且平行于入射面。纵向Kerr效应的强度随入射角的增大而增大，在0度时为0（因为此时，Lorentz力公式F=evBsinθ中，θ等于入射角）。通常情况下，纵向Kerr信号比极向Kerr信号小一个数量级，因此，纵向Kerr效应的探测远较极向Kerr效应的探测困难。但对于很多薄膜、超薄膜样品由于退磁场的影响，易轴往往平行于膜面，故而，纵向Kerr效应的探测是极为重要的。（3）横向Kerr效应：M在样品膜面内，并且垂直于入射面。由于此时M没有垂直于电子圆周运动方向的分量，因此通常反射光的偏振状态不发生变Transverse(c)Longitudinal(b)Polar(a)MMM图一：三种磁光构型化。实验表明，横向Kerr效应只有在p光入射时，在磁场反向时，才有一个很小的反射率的变化。三测量系统3.1测量原理通常情况下，非磁性样品对p光和s光的吸收率不一样会导致反射光的椭偏率的变化，而没有磁各向异性的样品也可能因有其他的各向异性而使反射光的偏振方向发生偏转（由于p光和s光的传播速度不同），因此，如果采用椭圆偏振光或是一般的线偏振光来探测是十分困难的。所以，一般采用p光或是s光进行探测。下面以p光为例。如图二，入射光p光由起偏器调节，反射光由检偏器检偏。起偏器与检偏器透振方向设成88°~89°，即近似消光位置（偏过一个小角度δ约为1°~2°）。起偏器与检偏器不设成完全消光而设成近似消光位置是因为：（1）探测的是光强，如设成完全消光位置，则测得的正比与磁化强度M的平方，而设成近似消光位置，则测得的与M成正比。（2）为了区分正负Kerr旋转角（如图三）。scomponentKerrrotationθkIncidentlight:linearpolarizedferromagneticsample图二：p光通过样品后产生的Kerr转角示意图pcomponentpcomponent如果样品处于非磁性状态，则反射光状态不发生改变。如果样品是处于铁磁状态，则反射光中含有一个很小的电场分量Es垂直于Ep:psEE=θk+iεk。此时，通过检偏器的光强为：I=︱Epsinδ+Escosδ︱2=︱Ep︱2︱sinδ+(θk+iεk)cosδ︱2≈︱Ep︱2︱δ+(θk+iεk)︱2≈︱Ep︱2(δ2+2δθk)=I0(1+2k)，由此可得，饱和状态下，Kerr旋转角为：θk=004)()(4IIIMIMIss，其中，I0=︱Ep︱2δ2为M=0时的光强，I（+Ms）、I（－Ms）分别为正负饱和状态下的光强。由于θk近似正比于M，所以可以通过光强的测量，得到磁化强度的相对值。于是，通过改变外加磁场，即可得到磁滞回线。3.2光路搭建如图四，激光依次通过光阑(a)、聚焦透镜(a)和偏振棱镜(a)打到样品上，样品置于电磁铁磁场均匀的位置，反射光依次通过光阑(b)、偏振棱镜(b)和聚焦透镜(b)打到光电探头上。我们用的是He-Ne线偏激光器，波长6328A，功率10mW，功率稳定度0.1%。这里功率稳定度非常重要，因为所探测的信号非常之小，如果功率稳定度差了，信号就会淹没在本底的涨落中了。激光器通过一个光学调节架固定在一个调整台上，使其具有升降、俯仰、调整台台面面内旋转3个自由度。一对偏振器均是GlenThompson棱镜，消光比5101，主透射比（对6328A，的波长）90%，通光孔径8mm。这里消光比非常重要。通光孔径越小，光路越难调，但通光孔径稍大一点，价格会高出好多，综合考虑这两方面因素，选择了8mm。偏振镜的调节架有2个平移、1个升降、1个绕轴自转和俯仰，共5维可调。起偏器方向检偏器方向δ起偏器方向检偏器方向θk0θk0θk0θk0图三：正负Kerr旋转角的区分示意图1激光器2光阑(a)3聚焦透镜(a)4偏振棱镜(a)5电磁铁和样品6光阑(b)7偏振棱镜(b)8聚焦透镜(b)9光电探头10光电探头内放大器电源一对聚焦透镜的作用一方面是使光斑尽可能小，利于局域测量，另一方面是拉长光路，使偏振镜等尽可能远离磁场，尽量避免Faraday效应。其调节架有升降自由度即可。光电探头上有窄带通滤光片，带通10A，滤掉其它的干扰电磁波。所有光学元件均置于隔低频的光学平台上，光路准直，过各元件中心。3.3电路搭建如图五，整套系统实现计算机自动控制。计算机有一路模拟输出通过D/A转换控制磁场电源，由于我们的磁铁电源只能提供正向电流，故计算机还有一路数字输出通过D/A转换控制磁场换向开关来实现磁场的换向。光电探头采集到的信号通过A/D转换，输入计算机。67892431(a)5(b)图四：光路图（a）简图（b）实物照片3.3.1磁场换向开关电路如图六，磁场换向开关电路，其中三极管为3DK4A，电阻R1=2000Ω，R2=10kΩ，R3=R4=10Ω。当控制信号Vin为高电平时，继电器1合上，2断开；而当Vin为低电平时，继电器2合上，1断开。从而通过控制Vin为高低电平，就可以达到控制磁场电源为正向和反向的目的。3.3.2光电探头内放大器电路光电探头为一个光电二极管加上放大电路置于铝盒内构成。光电二极管前有窄带通滤光片，采集到的信号经电路放大后由BNC信号线输出。放大电路如图计算机A/D转换D/A转换探测器磁场电源换向开关图五：计算机控制方案R1继电器组1继电器组2R4R3R2+12VVin继电器组1继电器组2磁场电源+—磁场线圈(a)(b)图六：磁场换向开关电路（a）继电器组控制磁场换向电路（b）D/A控制继电器组电路七，为一个负反馈，可以通过调节连接的电阻的大小来调节放大的倍数。图七：放大器电路图3.3.3信号采集由于放大器电源的地、BNC信号输出的地与光电探头的外壳（铝盒）相连，并接光学平台，故信号用的是系统地，与数据采集卡共地，经验表明，信号采集采用差分模式（DIFF）或单端非参考地模式（NRSE）（如图八）比较好[7]。3.4控制软件图八：信号采集模式（a）DIFF（b）NRSE用Labview编写的整个实验的数据采集和控制程序，界面如图九。1FromTo：设置磁场扫描范围2Step：设置磁场改变步长3Delay：设置每点测量时间4Batch：设置扫场次数5Test：系统测试图九：实验的数据采集和控制界面四系统测试及改进4.1系统测试结果我们用的样品是在GaAs衬底上长的Fe（15A），上面覆盖有Au（30A）,测得磁滞回线如图十（磁场只扫了一次）。样品矫顽力Hc=45Gauss，信号约为39.30mV，噪音约为0.11mV，信噪比约为357。这说明我们搭的这套SOMKE系统能够正常工作，并且能够得到比较好的信噪比。由于并没有用放大倍数最大的档，因此，这并不是这套系统的极限水平。4.2系统的改进：1）信号输入模式的改进我们在数据采集时用的是NRSE的模式，如果采用DIFF模式，有可能信噪比会更好一些。2）搭光桥的方案可以在光路中用分光的方法搭一个光桥，滤掉高频噪音，从而改善信噪比[3]。参考文献：[1]朱伟荣，复旦大学硕士生毕业论文，1996[2]Z.Tian,C.S.Tian,L.F.Yin,D.Wu,G.S.Dong,X.F.Jin,andZ.Q.Qiu,Phys.Rev.B70,12301(2004)[3]Y.K.Kato,R.C.Myers,A.C.Gossard,D.D.Awschalom,Science306,1910(2004)[4]Z.Q.Qiu,S.D.Bader,Rev.Sci.I