克尔效应

表面磁光克尔效应实验

1877年John Kerr 在观测偏振光通过抛光过的电磁铁磁极反射时，发现了偏振面旋转的现象,此

现象称磁光克尔效应。1985年Moog 和Bader 进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量,首次成功地测得了1

个原子层磁性薄膜的磁滞回线,并提议将该技术称为SMOKE ( surface magneto-optic Kerr effect)

从此这种探测薄膜磁性的先进技术开始在科研中得到大量的应用。

材料表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层不同材料膜磁性,是当今凝聚态物理领

域中的较为重要的研究热点。SMOKE 的磁性解析灵敏度达到1个原子层厚度,并可配置于超高真空系统

中进行超薄膜磁性的原位测量,从而成为表面磁学的重要研究方法,已被广泛应用于纳米磁性材料、

磁光器件、巨磁阻、磁传感器元件等磁参量测量。 现这一重要的前沿性技术已成为高校近代物理实

验中的重要研究性实验。

一 实验目的

二 实验原理

当线偏振光入射到不透明样品表面时,如果样品是各向异性的,反射光将变成椭圆偏振光且偏振

方向会发生偏转。而如果此时样品为铁磁状态,还会导致反射光偏振面相对于入射光的偏振面额外再

转过一小角度,这个小角度称为克尔旋转角

K θ,即椭圆长轴和参考轴间的夹角, 如图1所示。同时,一般而言, 由于样品对p 偏振光和s 偏振光的吸收率不同, 图1 表面磁光克尔效应原理图 即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而铁磁性会导致椭偏率有一附加的变化,这

个变化称为克尔椭偏率K ε,即椭圆长短轴之比。

按照磁场相对入射面的配置状态不同, 表面磁光克尔效应可以分为3种:

a. 极向克尔效应,其磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面；

b. 纵向克尔效应, 其磁化方向在样品膜面内,并且平行于入射面；

c. 横向克尔效应,其磁化方向在样品膜面内,并且垂直于入射面。

对于磁性薄膜,通常纵向克尔效应较明显。

待测物的极向、纵向、横向克尔旋转角的强弱由其磁易向轴的方向决定。

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。激光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光,然后从样品表面反射,经过检偏棱镜进入探

测器。检偏棱镜的偏振方向要与起偏棱镜设置成偏离消光位置很小的角度δ( 如图2 所示),这主要

是为了区分正负克尔旋转角。若检偏棱镜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。这样就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2个偏振方向之间有小角度δ时,通过检偏棱镜的光线有本底光强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。

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。 通过检偏棱

镜的光强也发生变化。在一阶近似下光强的变化和被

测材料磁感应强度呈线性关系, 探测器探测到光强

的变化就可以测出样品的磁化状态和磁性参量。在图

1的光路中假设取入射光为P 偏振光,其电场矢量平

行图2 偏振器件配置方位

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很小的垂直于

P E 的电场分

量S E ,如图2所示,通常P S E E <<。在一阶近似下有:

K K P S i E E εθ+= （1） 通过检偏棱镜的光强为:

2

|cos sin |δδS P E E I += （2）

将(1) 式代入(2) 式得到:

2

2|cos )(sin |||δεθδK K P i E I ++= （3）

通常δ较小，可取,1co s ,sin ≈≈δδδ得到：

22|)(||K K P i E I εθδ++= （4）

一般情况下,δ虽然很小,但

K θδ<<,而K θ和K ε在同一数量级上,略去二阶项后,考虑到探测

器测到的是(4) 式实数部分, (4) 式变为:

)2(||22K P E I δθδ+= （5） 无外加磁场下：

220||δP E I = （6）

所以有：

⎪⎭⎫ ⎝⎛+=δθK I I 210 （7） 由(7) 式得在样品达磁饱和状态下K θ为: 002I I I K -=

δθ （8）

实际测量时最好测量磁滞回线中正向饱和时的克尔旋转角+K θ和反向饱和时的克尔旋转角-K θ ,

则 004)

()(4)(01I I I B I B I S S K K K ∆=--+=

-=-+δδθθθ （9）

(9) 式中,

)(S B I +和)(S B I -分别是正负磁饱和状态下的光强。 从式（9）可以看出, 光强I ∆的变化只与K θ有关,而与K ε无关。 说明在图1 光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角。

当要测量克尔椭偏率

K ε时,在检偏器前另加41波片,它可以产生2π的相位差,此时检偏器看到的是K K K K i i i εεεθ+-=+)(，而不是K K i εθ+，因此测量到的信号为克尔椭偏率。

经过推导可得在磁饱和情况下K ε为

004)

()(4)(21I I I B I B I S S K K K ∆-=+--=-=+-δδεεε （10）

式中+K ε表示正向饱和磁场时测得的椭偏率,-K ε表示负向饱和磁场时测得的椭偏率。

三 实验装置

自制的表面磁光克尔效应实验系统(图3)由以下几部分组成:

1) 光学减震平台。

2) 光路系统,包括输入光路与接收光路。其起偏和检偏棱镜使用格兰2汤普逊棱镜,光电检测 装置由孔状可调光阑、干涉滤色片和硅光电池组成。

3) 励磁电源主机和可程控电磁铁。励磁电源主机可选择磁场自动和手动扫描。

4) 前置放大器和直流电源组合装置。

a. 将光电检测装置接收到的克尔信号做前置放大,并送入信号检测主机中。

b. 将霍尔传感器探测到的磁场强度信号做前置放大并送入检测装置。

c.为激光器提供精密稳压电源。

5) 信号检测主机。 将前置放大器传来的克尔信号及磁场强度信号做二级放大,分别经A/ D 转换后送计算机处理,同时数字电压表显示克尔信号及磁场强度信号。 D/A 提供周期为

20s ,40s ,80s 准三角波,作为励磁电流自动扫描信号。

6) 控制系统与计算机。 由Visual C ++编写的控制程序通过计算机实现自动控制和测量。根据设置的参量,计算机经D/A 卡控制磁场电源和继电器进行磁场扫描。从样品表面反射的光信号以及霍尔传感器探测到的磁场强度信号分别由A/D 卡采集经运算后作图显示,在屏幕上直接呈现磁滞回线的扫描过程。实验可选用铁磁性金属材料如Fe ,Co,Ni 及坡莫合金等薄膜样品。