克尔效应实验报告

近代物理实验报告实验题目： 表面磁光克尔效应 班 级： 学 号： 学生姓名： 实验教师： 表面磁光克尔效应实验报告一、 实验目的（1） 了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法；（2） 掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用二、 实验装置（1）光学减震台；（2）光路系统,包括入射光路与接收光路；（3）励磁 电源主机和可程控电磁铁；（4 ）前级放大器和直流电源组合器（a.为激光器提 供精密稳压电源；b.将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入系统 控制装置中的信号检测装置中；c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置）；（5） 信号检测主机；（6）控制系统和计算机三、 实验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 magneto-optic Kerr effect）它是指铁磁性样品（如铁、钻、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探测薄膜磁性的技 术始于1985年如图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木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牛同时，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£k由于克 尔旋转角%和克尔椭偏率£k都是磁化强度M的函数通过探测%或S的变化可以推测出磁化强度M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1.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 是十分重要的图4横向克尔效应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p 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图5常见SMOKE系统的光路图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 6，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图6偏振器件配置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6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6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在图2的光路中，假设取入射光为p偏振（电场矢量Ep平行于入射面），当 光线从磁化了的样品表面反射时由于克尔效应，反射光中含有一个很小的垂直于 Ep的电场分量Es，通常EsvvEp在一阶近似下有：(1)Es / Ep=ek+£通过棱镜2的光强为:I = E? sin 8 h El co胡将（1）式代入（2）式得到:I = Ep sin 方 + © + f €上)cos 冲因为6很小，所以可以取sin8=8, cos6=l,得到:整理得到：无外加磁场下:所以有："I笔W亠偲+#耳)71 = |础[护+2曲)八=K|2^22*3 20山)于是在饱和状态下的克尔旋转角ok为:kdk=[6I(+Ms)-I(-Ms)] / 4I0=8AI / 41。

⑷⑸⑹（7）⑻I（+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9有关，而与巴无关说明在图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：二」：• - _ 通过棱镜2的光强为:1 ^\EpSiii3-EsCos^ =耳门酿厉一6心“ +叫他聲因为6很小，所以可以取sin6=6， cos6=1，得到：I —囤卞讥亠叫『-岛『（护「2亂+E, +阳）因为角度6取值较小，并且「卩」」，所以:（护-2服）二入（1 —2心④在饱和情况下A£k为：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系统测量椭偏率的光路图如图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*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，因此可以获得矫顽四、测量装置如图9所示，表面磁光克尔效应实验系统主要由电磁铁系统、光路系统、主 机控制系统、光学实验平台以及电脑组成1） 电磁铁系统电磁铁系统主要由CD型电磁铁、转台、支架、样品固定座组成其中CD型 电磁铁由支架支撑竖直放置在转台上，转台可以每隔90。

转动定位，同时支架 中间的样品固定座也可以90°定位转动，这样可以在极向克尔效应和纵向克尔效 应之间转换测量2） 光路系统光路系统主要由半导体激光器、可调光阑（两个）、格兰一汤普逊棱镜（两 个）、会聚透镜、光电接收器、四分之一波片组成，所有光学元件均有外壳固定， 并由不锈钢立柱与磁性开关底座相连半导体激光器输出波长650nm，输出功率2毫瓦左右，激光器头部装有调 焦透镜，实验时应该调节透镜，使激光光斑打在实验样品上的光点直径最小可调光阑采用转盘形式，上面有直径分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、6mm共10个孔在光电接收器前同样装 有可调光阑，这样可以减小杂散光对实验的影响格兰一汤普逊棱镜通光孔径8mm，转盘刻度分辨率1配螺旋测微头，测微 头量程10mm,测微分辨率0.01m m，转盘将角位移转换为线位移，经过测量，外 转盘转动10测微头直线移动3.00mm，所以测微移动0.01mm，转盘转动2，实 验中设置消光位置偏转2°左右，所以侧微移动约0.6mm会聚透镜为组合透镜，焦距为157mm光电接收器为硅光电池，前面装有可调光阑，后面通过三芯连接线与主机相 连。

四分之一波片光轴方向在外壳上标注，外转盘可以360°转动，角度测量分 辨率13）主机控制系统表面磁光克尔效应实验系统控制主机主要由光功率计部分、克尔信号部分和 扫描电源部分组成光功率计部分由光功率计、光信号和磁信号前置放大器、激光器电源组成 仪器前面板如图9所示：图9 SMOKE光功率计前面板示意图面板中左边方框为光功率计，分为2yW, 20yW, 200yW, 2mW四档切换，表 头采用三位半数字电压表光功率计用来测量激光器输出光功率大小，以及通过 布儒斯特定律来确定格兰一汤普逊棱镜的起偏方向中间增益调节方框内两个电 位器分别调节光路和磁路信号的前置放大器放大倍数右边激光器方框为半导体 激光器电源直流3V输出cO 1 1 OQI 1O■图10 SMOKE光功率计后面板示意图如图10所示，为SMOKE光功率计后面板示意图，最左边方框为电源插座, 上部“磁路输入”将放置在磁场中的霍尔传感器输出的信号按照对应颜色接入 SMOKE光功率计控制主机中，同样，“光路输入”将光电接收器中的输出的光信 号接入SMOKE光功率计控制主机进行前置放大下部“磁路输出”和“光路输出” 分别用五芯航空线接入SMOKE克尔信号控制主机后面板中的“磁信号”和“光信 号”。

克尔信号控制主机主要将经过前置放大的光信号和磁路信号进行放大处理 并显示出来，另外内有采集卡通过串行口将扫描信号与计算机进行通讯SMOKE克尔信号控制主机前面板如图11所示，图11 SMOKE克尔信号控制主机前面板示意图图中，左边方框内三位半表显示克尔信号（切换时可以显示磁路信号），单位为“伏 特” （V）,实验中应该调节放大增益使初始信号显示约1.25V左右（具体原因 见调节步骤）中间方框上面一排，通过中间“光路一磁路”两波段开关可以在左 边表中切换显示光路信号和磁路信号，同时对应左右两边“光路电平”和“磁路电 平”电位器可以调节初始光路信号和磁路信号的电平大小（实验时要求光路信号 和磁路信号都显示在1.25V左右）下排中“光路幅度”电位器为光信号后级放大 增益调节右边“光路输入”和“磁路输入”五芯航空插座与SMOKE克尔信号控制 主机后面板“光信号”和“磁信号”五芯航空插座具有同样作用，平时只需接入后 面板即可SMOKE克尔信号控制主机后面板如图12所示，图12 SMOKE克尔信号控制主机后面板左边为220V电源插座，“光信号”和“磁信号”五芯航空插座与SMOKE光功率计 控制主机后面板“光路输出”和“磁路输出”分别用五芯航空线相连。

控制输出”和 “换向输出”分别用五芯航空线与SMOKE磁铁电源主机后面板“控制输入”和“换 向输出”相连串口输出”通过九芯串口线与电脑相连磁铁电源控制主机主要提供电磁铁的扫描电源前面板如图13所示，FD-SMOKE-A Jfcdb 融走.电乐威妞真舟痛饥_ | aaaa |， 二一十*] f “ 1¥缺屯 a*. O O O會 1 1——U_t簿旦天沖Mt伽£有护 心巴图13 SMOKE磁铁电源控制主机图中左边方框中表头显示磁场扫描电流，单位为“安培”（A）,右边方框内上 排“电流调节”电位器可以调节磁铁扫描最大电流，“手动一自动”两波段开关可以 左右切换选择手动扫描和电脑自动扫描磁场换向”开关选择初始扫描时磁场的 方向输出+ ”和“输出一”接线柱与后面板“电流输出”两个红黑接线柱具有同 等作用，实验中只接后面板的即可图1£SMoke墟铁电源躅主机后交流电源插座，“电流输出”接线柱与电磁铁相连控制输淙意图如图14所示，为SMOKE磁铁电源控制主机后面板示意图,最左边为220V入”和“换向输入”通过五芯航空线与SMOKE克尔信号控制主机后面板“控制输 出”和”换向输出“分别相连20V40V”两波段开关为扫描电压上限，拨至“20V” 磁铁电源最大扫描电压为“20V”，此时最大扫描电流为“8A”，拨至“40V”磁铁电 源最大扫描电压为“40V”，此时最大扫描电流为T2A”。

4）光学实验平台部分FD-SMOKE-A型表面磁光克尔效应实验系统实验平台采用标准实验操作 台，台面采用纯铁为基不锈钢贴面的光学平板，中间装有减震橡胶光学元件通 过磁性开关底座与台面可以自由固定台面分为两块，尺寸为lmx0.5m的上面 放置电磁铁，尺寸为lmxlm的上面放置光学元件五、操作说明l 、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2） 将SMOKE克尔信号控制主机后面板上“控制输出”和“换向输出”分别与 SMOKE 磁铁电源控制主机后面板上 “控制输入”和“换向输入”用五芯航空线相 连。

用九芯串口线将“串口输出”与电脑上串口输入插座相连3） 将 SMOKE 磁铁电源控制主机后面板上的电流输出与电磁铁相连， “20V40V”波段开关拨至“20V”（只有在需要大电流情况下才拨至“40V”）4） 接通三个控制主机的220V电源，开机预热20分钟2、 样品放置本仪器可以测量磁性样品，如铁、钴、镍及其合金实验时将样品做成长条 状，即易磁轴与长边方向一致将实验样品用双面胶固定在样品架上，并把样品 架安放在磁铁固定架中心的孔内这样可以实现样品水平方向的转动，以及实现 极克尔效应和纵向克尔效应的转换在磁铁固定架的一端有一个手柄，当放置好 样品时，可以旋紧螺丝这样可以固定样品架，防止加磁场时，样品位置有轻微 的变化，影响克尔信号的检测3、 光路调整1） 在入射光光路中，可以依次放置激光器、可调光阑、起偏棱镜（格兰一 汤普逊棱镜），调节激光器前端的小镜头，使打在样品上的激光斑越小越好，并 调节起偏棱镜使其起偏方向与水平方向一致（仪器起偏棱镜方向出厂前已经校 准，参考上面标注角度）， 这样能使入射线偏振光为 p 光另外通过旋转可调 光阑的转盘，使入射激光斑直径最小2） 在反射接收光路中，可以依次放置可调光阑、检偏棱镜、双凸透镜和光 电检测装置。

因为样品表面平整度的影响，所以反射光光束发散角已经远远大于 入射光束，调节小孔光阑，使反射光能够顺利进入检偏棱镜在检偏棱镜后，放 置一个长焦距双凸透镜， 该透镜作用是使检偏棱镜出来的光汇聚，以利于后面 光电转换装置测量到较强的信号光电转换装置前部是一个可调光阑，光阑后装 有一个波长为650nm的干涉滤色片这样可以减小外界杂散光的影响，从而提 高检测灵敏度滤色片后有硅光电池，将光信号转换成电信号并通过屏蔽线送入 控制主机中3） 起偏棱镜和检偏棱镜同为格兰－汤普逊棱镜，机械调节结构也相同它 由角度粗调结构和螺旋测角结构组成，并且两种结构合理结合，通过转动外转盘，可以粗调棱镜偏振方向，分辨率为1°,并且外转盘可以360 °转动当需要微调时， 可以转动转盘侧面的螺旋测微头，这时整个转盘带动棱镜转动，实现由测微头的 线位移转变为棱镜转动的角位移因为测微头精度为0.01mm，这样通过外转盘 的定标，就可以实现角度的精密测量通过检测，这种角度测量精度可以达到2 分 左右，因为每个转盘有加工误差， 所以具体转动测量精度须通过定标测量得到4） 实验时，通过调节起偏棱镜使入射光为p光，即偏振面平行于入射面。

接 着设置检偏棱镜，首先粗调转盘，使反射光与入射光正交，这时光电检测信号最 小（在信号检测主机上电压表可以读出），然后转动螺旋测微头，设置检偏棱镜偏离消光位置1具体解释见原理部分）然后调节信号SMOKE光功率计 控制主机上的光路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上“光路电平”以 及“光路幅度”电位器，使输出信号幅度在1.25 V左右5） 调节节信号 SMOKE 光功率计控制主机上的磁路增益调节电位器和 SMOKE 克尔信号控制主机上 “磁路电平”电位器，使磁路信号大小为 1.25V 左 右这样做是因为米集卡的米集信号范围是0 —2.5V，光路信号和磁路信号都调 节在1.25V左右，软件显示正好处于介面中间4、实验操作1） 将SMOKE励磁电源控制主机上的“手动一自动”转换开关指向手动档， 调节“电流调节”电位器，选择合适的最大扫描电流因为每种样品的矫顽力不同， 所以最大扫描电流也不同，实验时可以首先大致选择，观察扫描波形，然后再细 调通过观察励磁电源主机上的电流指示，选择好合适的最大扫描电流，然后将 转换开关调至“自动”档2） 打开“表面磁光克尔效应实验软件”，在保证通讯正常的情况下，设置好“扫 描周期”和“扫描次数”，进行磁滞回线的自动扫描。

也可以将励磁电源主机上的 “手动－自动”转换开关指向手动档，进行手动测量，然后描点作图3 ）如果需要检测克尔椭偏率时，按照图7 的光路图，在检偏棱镜前放置四 分之一波片，并调节四分之一波片的主轴平行于入射面，调整好光路后进行自动 扫描或者手动测量，这样就可以检测克尔椭偏率随磁场变化的曲线六、实验测量结果七、实验心得：。