FD-SMOKE-A型 表面磁光克尔效应实验系统实验讲义(060325)
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、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探测薄膜磁性的技术始于1985 年。
图1 表面磁光克尔效应原理如图 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θk。
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εk由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化。
强度M的函数。
表面磁光柯尔效应原
實驗一 表面磁光柯爾效應原理與操作一、磁光柯爾效應原理在1845年，Michael Faraday首先發現了磁光效應，他發現外加磁場在玻璃樣品上，入射光的偏極化面有旋轉的現象，隨後他在金屬表面上外加磁場做光反射的實驗，但實驗結果不能使人信服，因為當時他的表面不夠平整。
到了1877 年John Kerr 亦發現偏極化光從拋光的電磁鐵磁極反射出來時，亦有極化方向偏轉的情況，即磁光科爾效應﹝Magneto-Optic Kerr Effect﹞。
1985 年Moog 和Bader 進行鐵超薄膜磊晶成長的磁光科爾效應量測實驗，並量得到一個原子層磁性物質的磁滯曲線。
由於此測量方法之靈敏度可達一原子層厚度，配合現在超高真空系統之技術，因此成為表面磁學研究重要的一環。
所謂磁光效應或法拉第效應之原理為：因自身磁化產生異向性的折射率導致了不同的相位，並且吸收了不同的振幅。
不同的相位與振幅造成了橢圓偏振，橢圓長短軸之比例稱為柯爾橢圓率，橢圓長軸與參考軸之夾角稱為柯爾旋轉角。
待測樣品若為透明且等向性的介質置於一強磁場內﹝見圖一﹞圖一則當線性偏極光沿磁場方向穿透此晶體時，其極化方向將旋轉一角度Δψ，此角度Δψ與所加的磁場強度B和介質長度L成正比，寫成：Δψ＝Ｂ．Ｌ．Ｖ對於不透光材料﹝即表面磁光效應﹞，當光行進方向的任一分量與磁性材料的磁化量成平行時，其反射﹝或穿透﹞光的偏振方向將與原偏振光的方向產生一相對的旋轉角，即稱科爾旋轉角﹝Kerr rotation angle，θk﹞，如圖二所示﹝如為穿透光則稱為法拉第旋轉角﹞。
假設垂直於材料的磁化方向向上所產生的科爾旋轉角是“+θk＂，；則磁化方向向下的磁化量所產生的旋轉角將會是“-θk＂。
圖二磁光科爾效應的種類：依入射光與磁化量之間角度的不同，可將磁光科爾效應分成三種：（1）極化磁光科爾效應（Polar）、（2）縱向磁光科爾效應（Longitudinal）以及（3）橫向磁光科爾效應（Transverse）如圖三（a）、（b）、（c）、所示。
磁科尔效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁光科尔效应的基本原理。
2. 通过实验观察并测量磁光科尔效应的现象。
3. 探讨磁光科尔效应在不同条件下的变化规律。
二、实验原理磁光科尔效应，又称次电光效应（QEO），是指当一束光通过响应于电场的材料时，材料的折射率发生变化的现象。
这种现象与普克尔斯效应不同，其诱导折射率的变化与电场的平方成正比。
磁光科尔效应分为克尔电光效应（直流科尔效应）和光克尔效应（交流科尔效应）两种特殊情况。
三、实验器材1. 磁光克尔效应实验装置2. 可调直流电源3. 可调交流电源4. 光源5. 分束器6. 折射率测量仪7. 计时器8. 记录本四、实验步骤1. 将磁光克尔效应实验装置连接好，确保各部分连接牢固。
2. 打开光源，调整光源强度，使其稳定。
3. 将分束器置于光源和样品之间，调整分束器，使部分光束照射到样品上，另一部分光束作为参考光束。
4. 调整样品，使其位于光路中心。
5. 打开可调直流电源，调整电压，使样品受到直流电场作用。
观察折射率测量仪的示数，记录数据。
6. 关闭直流电源，打开可调交流电源，调整电压和频率，观察折射率测量仪的示数，记录数据。
7. 重复步骤5和6，分别记录不同电压、频率下的折射率变化数据。
8. 分析实验数据，探讨磁光克尔效应的变化规律。
五、实验结果与分析1. 直流电场下，样品的折射率随电压平方增大而增大，符合磁光克尔效应的特点。
2. 交流电场下，样品的折射率随电压平方增大而增大，但随频率变化而变化。
当频率较高时，折射率变化较小；当频率较低时，折射率变化较大。
3. 通过实验数据分析，得出磁光克尔效应的变化规律如下：- 直流电场下，折射率变化与电压平方成正比。
- 交流电场下，折射率变化与电压平方成正比，但随频率变化而变化。
六、实验结论1. 磁光克尔效应实验成功观察到磁光克尔效应现象。
2. 实验结果表明，磁光克尔效应与电压平方成正比，且随频率变化而变化。
3. 该实验验证了磁光克尔效应的基本原理，为磁光克尔效应在光学信息处理、光通信等领域的研究提供了实验依据。
表面磁光克尔实验报告.
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 0o入射角时（垂直入射）达到最大。
图 2 极向克尔效应
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。图 3 纵向克尔效应
振面旋转方向和δ同向时光强增大，反向时光强减小，这样 品的磁化方向可以通过样光强的变化来区分。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 ， 通常Es<<Ep。
在一阶近似下有：
Es／Ep=θk+iεk (1)
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。
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。图 4 横向克尔效应
成偏离消光位置一个很小的角度δ，
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
表面磁光克尔效应实验
当两个偏振方向之间有一个小角度时，通过 偏振棱镜2的光线有一个本底光强。反射光偏振面 旋转方向同向时光强增大，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。
表面磁光克尔效应实验扫描图样
克尔信号分析
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。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。
磁性材料可分为顺磁质、抗磁质、铁磁质等， 磁性材料可分为顺磁质、抗磁质、铁磁质等，它们 的磁化机制各不相同在这里不作详细介绍。 的磁化机制各不相同在这里不作详细介绍。 磁性材料又可分为硬磁材料、软磁材料、 磁性材料又可分为硬磁材料、软磁材料、矩磁材料 等等，它们的磁滞回线是各有特点的 等等，它们的磁滞回线是各有特点的
B
B
B
O
H
H
O
H
硬磁材料 软磁材料 矩磁材料
磁化原理
（1）、一般材料的磁化原理 ）、一般材料的磁化原理 B0
（a）无外磁场时
B/
（b）有外磁场时
（2）、铁磁质的磁化原理 ）、铁磁质的磁化原理B0Fra bibliotek（a）无外磁场时
（b）有外磁场时
课后问题
如何判断是哪种克尔效应？
如何判断正负克尔效应？正负克尔效应的产 生与什么因素有关？
2．纵向克尔效应：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，在零入 射角时为零。
3．横向克尔效应：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。
磁光克尔效应研究.
磁光克尔效应研究摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。
表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。
本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。
关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应1.引言1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。
随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。
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Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE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。
由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可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。
2.磁光克尔效应图1 克尔效应示意图一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时，反射光将是一束椭圆偏振光，而且偏振方向将发生产生旋转。
相对于入射的线偏振光（以椭圆的长轴为标志）的偏振面方向有一定的偏转，偏转的角度为克尔转角，短轴与长轴的比为椭偏率，如图1所示。
复磁光克尔角定义为：，其大小正比于样品的磁化强度。
表1给出了常见的磁性物质在室温下的磁光克尔转角的数值。
表面磁光科尔效应
表面磁光克尔效应(SMOKE)一、磁光效应简介1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，即当外加磁场在玻璃样品上时，透射光的偏极面发生旋转的效应（法拉第效应）；随后他在外加磁场之金属表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不能使人信服。
1877年John Kerr在观察偏振光从拋光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光科尔效应(magneto-optic Kerr effect)。
1985年Moog和Bader 两位学者研究了生长在Au单晶(100)面上的Fe单晶超薄膜的磁光克尔效应测量实验，成功地得到一个原子层厚度磁性物质的磁滞曲线，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，用以表示磁光克尔效应在表面磁学上的研究。
这是SMOKE首次被用于研究在Au（0 0 1）表面外延生长的Fe超薄膜的磁学性质。
由于SMOKE所表现出的亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系统结合的特点，使它在近些年已经发展成为一种重要的和常规的研究薄膜磁学性质的技术。
它被广泛应用于研究表面超薄膜的磁有序、磁性相变、磁各向异性，以及层间耦合等多种磁学现象。
同时SMOKE在商业上还被应用于商用高密度的磁光存储技术。
SMOKE的优点：和别的磁性测量手段相比，SMOKE具有四个优点：1) SMOKE的灵敏度极高。
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地位。
2) SMOKE测量是一种无损伤测量。
探测用的“探针”是可见光束，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 可以测量局域磁性。
由于SMOKE测量到的信息来源于被测介质上的光斑照射点，这意味着SMOKE可以对样品上最小的光斑尺寸范围作局域磁性测量。
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、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探测薄膜磁性的技术始于1985 年。
图1 表面磁光克尔效应原理如图 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θk。
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εk由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化。
强度M的函数。
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实验指导参考TEACHER'S GUIDEFD-SMOKE-A表面磁光克尔效应实验系统中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-SMOKE-A型表面磁光克尔效应实验系统一、简介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，并且仪器可以配臵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测量装臵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。
由复旦大学表面物理国家重点实验室研制的SMOKE系统，可以达到国际上普遍使用的方案所能达到的检测灵敏度。
另外，该系统可以配臵于超高真空系统中，所以不仅可以完成大气表面磁光克尔效应实验，也可以完成超高真空中的超薄膜磁性测量。
经过改进和工艺化，表面磁光克尔效应实验系统由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产。
该系统操作方便、实验数据稳定可靠，是科研单位和高校近代物理实验室进行磁性薄膜特性检测、磁学特性研究的优质仪器。
二、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、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探测薄膜磁性的技术始于1985年。
图1 表面磁光克尔效应原理如图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k θ。
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 ε。
由于克尔旋转角k θ和克尔椭偏率k ε都是磁化强度M 的函数。
通过探测k θ或k ε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臵状态不同，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 0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 0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臵下样品的磁化强度 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。
这是因为在这种配臵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－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设臵成偏离消光位臵一个很小的角度δ，如图6所示。
样品放臵在磁场中，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。
两个偏振棱镜的设臵状态主要是为了区分正负克尔旋转角。
若两个偏振方向设臵在消光位臵，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δ时，通过偏振棱镜2的光线有一个本底光强0I 。
反射光偏振面旋转方向和δ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 偏振器件配臵在图2的光路中，假设取入射光为p 偏振（电场矢量p E 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p E 的电场分量s E ，通常s E <<p E 。
在一阶近似下有：k k ps i E E εθ+= （1） 通过棱镜2的光强为：2c o s s i nδδs p E E I += （2） 将（1）式代入（2）式得到：22c o s )(s i n δεθδk k p i E I ++= （3）因为δ很小，所以可以取δδ=sin ，1cos =δ，得到：22)(k k p i E I εθδ++= （4）整理得到：)2(22k p E I δθδ+= （5） 无外加磁场下：220δp E I = （6）所以有：)/21(0δθk I I += （7）于是在饱和状态下的克尔旋转角k θ为：004)()(4I I I M I M I S S k ∆=--+=∆δδθ （8）)(S M I +和)(S M I -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k θ有关，而与k ε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：K K P S i E E θε+-=/。
通过棱镜2的光强为：222δθδεδδδC o s i C o s S i n E C o s E S i n E I K K P S P +-=+= 因为δ很小，所以可以取δδ=sin ，1cos =δ，得到：)2(222222K K K P K K P E i E I θεδεδθεδ++-=+-=因为角度δ取值较小，并且220δp E I =，所以：)/21()2(022δεδεδK K P I E I -=-≈ (9) 在饱和情况下k ε∆为：004)()(4I I I M I M I S S k ∆-=+--=∆δδε （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。
根据设臵的参数，计算机经D/A 卡控制磁场电源和继电器进行磁场扫描。