磁光克尔效应.docx

教学目的1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品 上时，透射光的偏振面将发生旋转，随后他加磁场于金属表面上做光反射的实验，但由于金 属表面并不够平整，因而实验結果不能使人信服1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过 的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)1985年Moog 和Bader两位学者进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量,成功地得到一原子层厚度磁性物质 的磁滞回线，并且提出了以 SMOKE 来作为表面磁光克尔效应 (surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究由于此方法的磁性测量灵 敏度可以达到一个原子层厚度，并且仪器可以配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面 磁学的重要研究方法表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物理领域中的 一个极其重要的研究热点而表面磁光克尔效应(SMOKE)谱作为一种非常重要的超薄膜 磁性原位测量的实验手段，正受到越来越多的重视并且已经被广泛用于磁有序、磁各向异 性以及层间耦合等问题的研究。

和其他的磁性测量手段相比较，SMOKE具有以下四个优点：1. SMOKE的测量灵敏度极高国际上现在通用的SMOKE测量装置其探测灵敏度可以 达到亚单原子层的磁性这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着重要的地位2.SMOKE 测量是一种无损伤测量由于探测用的“探针”是激光束，因此不会对样品造 成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利3. SMOKE测量到的信息来源于介质上的光斑照射的区域由于激光光束的束斑可用聚 焦到1mm以下，这意味着SMOKE可以进行局域磁性的测量这一点是其他磁性测量手段 诸如振动样品磁强计和铁磁共振所无法比拟的在磁性超薄膜的研究中，样品的制备是一个 周期较长而代价昂贵的过程有人已经实现在同一块样品上按生长时间不同而制备出厚度不 等的锲形磁性薄膜这样从一块样品上就能够得到磁学性质随薄膜厚度变化的信息，可以大 大提高实验效率无疑，SMOKE的这种局域测量的特点使它成为研究这类不均匀样品的最 好工具4. 相对于其他的磁性测量手段，SMOKE系统的结构比较简单，易于和别的实验设备(特 别是超高真空系统)相互兼容这一点有助于提高它的功能并扩展其研究领域。

我们试制的 表面磁光克尔效应实验系统可以和超高真空系统相连，所以既可以完成磁性薄膜在大气中的 SMOKE测量，也可以完成在超高真空中的SMOKE测量实验由于SMOKE能够达到单原子层磁性检测的灵敏度，即相当于能够测量到小于千分之一度的 克尔旋转角因此，对于光源和检测手段提出了很高的要求目前国际上比较常见的是用功 率输出很稳定的偏振激光器Bader等人采用的高稳定度偏振激光器，其稳定度小于0.1% 也有用Wollaston棱镜分光的方法，降低对激光功率稳定度的要求Chappert等人的方案是 将从样品出射的光经过Wollaston棱镜分为s和p偏振光，再通过测量它们的比值来消除光 强不稳定所造成的影响但是这种方法的背景信号非常大，对探测器以及后级放大器的要求 很高原理：磁光效应有两种：法拉第效应和克尔效应，1845年，Michael Faraday首先发现介质 的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是法拉第效应1877年，John Kerr发现铁磁体 对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是克尔效应克尔效应在表面磁学中的应用，即为 表面磁光克尔效应(surface magne to-op tic Kerr effec t)。

它是指铁磁性样品(如铁、 钴、镍及其合金)的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响当入射光为线偏振光时，样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化表面磁光克尔效应作为一种档叫蛊札祈光如图1所示，当一束线偏振光入射到样品表面上时，如果样品是各向异性的，那么 反射光的偏振方向会发生偏转如果此时样品还处于铁磁状态，那么由于铁磁性，还会导致 反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度，这个小角度称为克尔旋 转角同时，一般而言，由于样品对p光和S光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状 态，反射光的椭偏率也发生变化，而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为 克尔椭偏率由于克尔旋转角和克尔椭偏率都是磁化强度的函数通过探测或的变化可以推 测出磁化强度的变化按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应图2极向克尔效应A1.极向克尔效应：如图2所示，磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面通常 情况下，极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大，在入射角时（垂直入射）达到最 大图3纵向克尔效应」2. 纵向克尔效应：如图3所示，磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。

纵向 克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减小，在入射角时为零通常情况下，纵向克尔 信号中无论是克尔旋转角还是克尔椭偏率都要比极向克尔信号小一个数量级正是这个原因 纵向克尔效应的探测远比极向克尔效应来得困难但对于很多薄膜样品来说，易磁轴往往平 行于样品表面，因而只有在纵向克尔效应配置下样品的磁化强度才容易达到饱和因此，纵 向克尔效应对于薄膜样品的磁性研究来说是十分重要的團4横向克尔敢应口3. 横向克尔效应：如图4所示，磁化方向在样品膜面内，并且垂至于入射面横向 克尔效应中反射光的偏振状态没有变化这是因为在这种配置下光电场与磁化强度矢积的方 向永远没有与光传播方向相垂直的分量横向克尔效应中，只有在偏振光（偏振方向平行于 入射面）入射条件下，才有一个很小的反射率的变化S 5常见SMOKE系统的光路團」以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE系统，原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效应图5为常见的SMOKE系统光路图，氦一氖激光器发射一激 光束通过偏振棱镜1后变成线偏振光，然后从样品表面反射，经过偏振棱镜2 进入探测器偏振棱镜2的偏振方向与偏振棱镜1设置成偏离消光位置一个很小 的角度5，如图6所示。

样品放置在磁场中，当外加磁场改变样品磁化强度时， 反射光的偏振状态发生改变通过偏振棱镜2的光强也发生变化在一阶近似下 光强的变化和磁化强度呈线性关系，探测器探测到这个光强的变化就可以推测出 样品的磁化状态两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区分正负克尔旋转角若两个偏振方 向设置在消光位置，无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转，反映在光强的 变化上都是强度增大这样无法区分偏振面的正负旋转方向，也就无法判断样品 的磁化方向当两个偏振方向之间有一个小角度5时，通过偏振棱镜2的光线有 一个本底光强10反射光偏振面旋转方向和5同向时光强增大，反向时光强减小, 这样样品的磁化方向可以通过 光强的变化来区 分图6偏振器件配置检怩器的般偏器在涓光点时偏振方InJ通过棱镜2的光强为:I = E sin 5 + E cos 5 2p s将（1）式代入（2）式得到:E2psin 5 + (0+ i e )cos5 2k因为5很小，所以可以取sin5=5 , cos5 =1，得至u：5 + (0 + i e )k k4)整理得至：无外加磁场下：所以有：2(5 2 + 250 )k5)6)I = I (1 + 20 / 5)0k7)于是在饱和状态下的克尔旋转角0 k为:AOk5 I (+M ) -1 (-M ) 5 AI= S S =—4 I 4 I08)I(+MS)和I(-Ms)分别是正负饱和状态下的光强。

从式(8)可以看出，光强的 变化只与克尔旋转角0 k有关，而与e k无关说明在图5这种光路中探测到的克 尔信号只是克尔旋转角在超高真空原位测量中，激光在入射到样品之前，和经样品反射之后都需要 经过一个视窗但是视窗的存在产生了双折射，这样就增加了测量系统的本底， 降低了测量灵敏度为了消除视窗的影响，降低本底和提高探测灵敏度，需要在 检偏器之前加一个1/4波片仍然假设入射光为p偏振，四分之一波片的主轴平 行于入射面，如图7所示：此时在一阶近似下有：ES / EP =~8K +岀K通过棱镜2的光强为：I = \EpSind + ECosd |2 =旦卩|Sin8 —豊Cos8 + 叫Cos引2因为5很小，所以可以取sin，cos§ =1，得到：I = |E |25 —8 + i9 2 = E |2(52 — 268 +8 2 +9 2)P K K P K K K因为角度5取值较小，并且10= lEJ2 5 2，所以：I 沁 E |2(52 — 258 ) = I (1 — 28 /5)P K 0 K⑼在饱和情况下山k为：, 5 I (—M ) — I (+M ) 5 AIA8 = s S =—k 4 I 4 I00(10)此时光强变化对克尔椭偏率敏感而对克尔旋转角不敏感。

因此，如果要想在大气 中探测磁性薄膜的克尔椭偏率，则也需要在图5的光路中检偏棱镜前插入一个四 分之一波片如图7所示图7 SMOKE系统测量椭偏瘵的光路图P如图5所示，整个系统由一台计算机实现自动控制根据设置的参数，计算机经D/A 卡控制磁场电源和继电器进行磁场扫描光强变化的数据由A/D卡采集，经运算后作图显示, 从屏幕上直接看到磁滞回线的扫描过程，如图7所示表面磁光克尔效应具有极高的探测灵敏度目前表面磁光克尔效应的探测灵敏度可 以达到10—4度的量级这是一般常规的磁光克尔效应的测量所不能达到的因此表面磁光 克尔效应具有测量单原子层、甚至于亚原子层磁性薄膜的灵敏度，所以表面磁光克尔效应已 经被广泛地应用在磁性薄膜的研究中虽然表面磁光克尔效应的测量结果是克尔旋转角或者 克尔椭偏率，并非直接测量磁性样品的磁化强度但是在一阶近似的情况下，克尔旋转角或 者克尔椭偏率均和磁性样品的磁化强度成正比所以，只需要用振动样品磁强计（VSM）等 直接测量磁性样品的磁化强度的仪器对样品进行一次定标，即能获得磁性样品的磁化强度 另外，表面磁光克尔效应实际上测量的是磁性样品的磁滞回线，因此可以获得矫顽力、磁各 向异性等方面的信息。

2,26LT6 -l 叶……...!一―J—_....L...I.…—L―……i…—t£ i ■ Zi ■ i i■ JT ■ J II ■ IH —・■和 二・・■二■=>^Z 4 i—— —0.2&I 1 ' 1 ' 1 ' -0.14（ -01 Ltl -1L恤 -0.GE Q.02 （LEW ft. Id 0. U@S表面磁光克尔效应实验扫描團样41•仪器连接1） 将SMOKE光功率计控制主机前面板上激光器“DC3V”输出通过音频线与半导体激光 器相连，将光电接收器与SMOKE光功率计控制主机后面板的“光路输入”相连，注意连 接线一端为三通道音频插头接光电接收器，另外一端为绿、黄、黑三色标志插头与对应颜色 的插座相连将霍尔传感器探头一段固定在电磁铁支撑架上（注意霍尔传感器的方向），另 外一端与SMOKE光功率计控制主机后面板“磁路输入”相连，注意“磁路输入”也有四 种颜色区分不同接线柱，对应接入即可将“磁路输出”和“光路输出”分别用五芯航空线 与SMOKE克尔信号控制主机后面板的“磁信号”和“光信号”输入端相连。