一種線性及非線性磁光克爾測量系統的製作方法

2023-06-10 16:00:16 1

專利名稱：一種線性及非線性磁光克爾測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量磁性金屬、半金屬、半導體薄膜材料以及低維量子結構
的時間分辨線性及非線性磁光克爾測量系統。
背景技術：
半導體自旋電子學由於具有常規電子學無法比擬的優點而受到了人們廣泛的重視。自旋極化以及其動態演化過程的研究是自旋電子學基礎物理研究的重要部分。實驗上對該問題的研究主要是利用時間分辨磁光克爾旋轉技術實現的。其原理是一束線偏振雷射入射到所研究的材料上，由於光子與物質的電子自旋磁矩相互作用產生磁光效應，即材料的折射率發生變化，導致反射後的雷射偏振面發生旋轉，旋轉角即為克爾旋轉角。克爾旋轉角的大小正比於材料的磁化強度。而對於非磁性半導體，引入圓偏振泵浦光產生自旋極化的載流子，克爾旋轉角隨著探測光的延遲而振蕩，克爾旋轉角的大小直接反映了電子自旋的極化度以及自旋在磁場下的相干進動過程。線性磁光克爾測量只能得到薄膜塊體平均的磁信息，而無法測量薄膜表面、界面幾個原子層內的相關信息。兩種不同材料的界面由於存在很大的導電性質差異，因而對自旋通過鐵磁性/半導體異質結構時的輸運影響很大，直接決定著自旋注入的效率。因此研究界面散射對自旋輸運的影響是實現半導體自旋電子器件的關鍵問題。非線性磁光克爾效應，即磁場引起或增強的二次諧波探測是一種對表面、界面非常敏感的測量技術。對於中心反演對稱晶體，在表、界面處反演對稱性破缺，可以產生非常大的非線性磁光響應。對於非中心反演對稱晶體，可以利用入射、出射光不同的偏振組合，區別晶體本身或磁場引起的二次諧波響應。利用泵浦_探測技術可以得到異質結界面處磁激發的動態響應。 磁場和溫度是磁性半導體材料研究中常用的外微擾條件。在光學實驗中引入磁場等參數可以增加許多信息，這使得磁光光譜成為表徵(磁性)半導體、鐵磁薄膜以及半金屬材料物性的重要手段。通常情況下，是把樣品放置在樣品架上，然後把它們浸入到液氦杜瓦中來測量的，因而連續改變樣品的測試溫度以及磁場的大小是比較困難的。如何把磁場和溫度這兩個重要的實驗參數在磁光光譜測試中有機地結合起來，以及如何區分磁性半導體薄膜中體材料與表、界面不同的自旋激發和磁化信息，是磁光光譜技術期待解決的重要問
題之一。

發明內容
( — )要解決的技術問題 本發明的主要目的是提供一種線性及非線性磁光克爾測量系統，以同時測量磁性半導體薄膜材料的時間分辨線性與非線性磁光克爾效應，以及測量穩態和動態的自旋極化
隨時間演化相關信息。
( 二 )技術方案 為了達到上述目的，本發明採用的技術方案如下
—種線性及非線性磁光克爾測量系統，該系統包括 —超短脈衝雷射器，其出射雷射用於泵浦和探測樣品的線性及非線性磁光克爾效應； —氦氣閉循環制冷機，用於控制樣品的溫度，樣品放置於其帶光學窗口的製冷頭中； —氣隙和磁場大小可調的適用於磁光測量的電磁鐵，提供用於磁光克爾效應測量的磁場； —雷射泵浦光路，用於激發樣品，使樣品處於非平衡態，雷射器出射的雷射經偏振分光器透射後，經過反射鏡，聚焦透鏡垂直聚焦在樣品表面上； —雷射探測光路，用於探測樣品信號，雷射器出射的雷射經偏振分光器反射後，經過反射鏡、平移裝置、聚焦透鏡聚焦在樣品表面上，其入射方向與樣品表面法線夾角為30度，探測束光斑與泵浦束光斑中心重合，探測束光斑的面積小於泵浦束光斑的面積；
—光斑監視系統，用於精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度以及它們在樣品上的位置； —線性克爾信號收集光路，探測束雷射經樣品、反射鏡反射後，作為基頻信號的線性克爾信號被二向色反射鏡反射，然後經聚焦透鏡聚焦，穿過l波片，由沃拉斯頓稜鏡分解成偏振相互垂直的兩束光，最後被光橋接收； —非線性克爾信號收集光路，探測束雷射經樣品、反射鏡反射後，作為倍頻信號的
非線性克爾信號透過二向色反射鏡，其中混入的基頻信號被帶通濾光片進一步過濾，穿過l
波片，然後經聚焦透鏡聚焦，進入單色儀，經單色儀選頻後的純倍頻信號，最後由光電倍增管來探測； —鎖相放大器信號採集系統，其中的斬波器為鎖相放大器提供參考信號，線性克爾信號和非線性克爾信號接入鎖相放大器經濾波放大後，通過GPIB數據採集卡，最後送給計算機處理數據。 上述方案中，所述雷射器為摻鈦藍寶石飛秒脈衝雷射器，脈衝寬度為200fs，脈衝間隔為13ns。 上述方案中，所述雷射器出射的雷射強度由衰減器連續調節，泵浦光和探測光的
相對強度用l波片調節，控制在io : l以上。 上述方案中，所述制冷機提供的溫度在7. 5K至350K連續可變。 上述方案中，通過LabVIEW程序自動控制，使磁場從_1T到+1T範圍內連續掃描，
磁場的正反方向可自動切換。 上述方案中，所述泵浦光的偏振態由j波片調為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，或
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者由l波片調為S偏振或P偏振。 上述方案中，所述探測光的偏振態由l波片調為S偏振或P偏振。
上述方案中，所述光斑監視系統包括CCD攝像頭和監視器。
上述方案中，所述為鎖相放大器提供參考信號的斬波器可用光彈調製器來替換。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 1、利用本發明提供的這種線性及非線性磁光克爾測量系統，可同時調節樣品感受到的磁場強度和溫度，實現可變溫的穩態以及時間分辨動態線性與非線性磁光克爾效應測試。 2、本發明提供的這套線性及非線性磁光克爾測量系統，具有結構簡單、調節方便以及信噪比高等特點。在做瞬態測量時，把斬波器加到泵浦光路中；做穩態測量時，只需要擋住泵浦光，再把斬波器加到探測光路即可。 3、本發明可以同時調節樣品所處的溫度和磁場，並且利用這一集成系統可以對材料磁激發以及自旋動力學的體效應與界面效應同時測量並做平行比較，非常有利於對低維半導體材料和磁性半導體半金屬材料進行磁光克爾效應的研究。


為進一步了解本發明的具體技術內容，下面結合附圖及實例詳細說明如後，其中 圖1是本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統的結構簡圖。
圖2是利用本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統在不同溫度下測試的
稀磁半導體(Ga，Mn)As的時間分辨克爾旋轉譜。 圖3是利用本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統在常溫下測試的Fe膜的隨方位角變化的二次諧波信號。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。 下面通過上述附圖闡述本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統。 請參閱圖1，圖1是本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統的結構簡圖，該
系統包括 —皮秒/飛秒脈衝雷射器LS，其輸出波長680nm到980nm連續可調，重複頻率76MHz，功率900mW。出射雷射用於泵浦和探測樣品S的線性及非線性克爾信號。該雷射器LS出射的雷射被兩個定位小孔Pl和P2精確定位，便於多次重複測量；
—雷射泵浦光路，用來激發樣品，使樣品處於非平衡態。雷射器LS出射的雷射經偏振分光器BS透射後，經過反射鏡Ml， M2，聚焦透鏡L2垂直聚焦在樣品表面上，光斑大小
約為100um。其偏振態可以由^波片W3調為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，或者由^波片調
4 2
為S偏振或P偏振； —雷射探測光路，用來探測樣品信號。雷射器LS出射的雷射經偏振分光器BS反射後，經過反射鏡M3，平移裝置DL，反射鏡M4，聚焦透鏡Ll聚焦在樣品表面上，其入射方向與樣品表面法線夾角為30度。探測束光斑與泵浦束光斑中心重合，大小略小於泵浦束光斑。其偏振態可以由5波片W2調為S偏振或P偏振。平移裝置DL由計算機來控制，最小分辨
率為1. 25um，最大行程為20cm。對應的光學延遲最小解析度約為8. 3fs，最大光學延遲為1. 3ns ; —光斑監視光路MT，由CCD攝像頭、焦距為50mm的鏡頭以及監視器組成。通過調節光圈個數可以將光斑放大50至100倍，用來精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度以及它們在樣品上的位置； —電磁鐵EM，包括電源箱(可以產生-75A到75A的電流)和冷卻水系統。適當調節電磁鐵兩極間的氣隙大小，在配置了低溫液氦杜瓦後可以產生±1T的磁場，其大小由高斯計測出。通過計算機控制可以連續掃描磁場，最小掃描步長約為3Gauss ;
—制冷機CT，包括閉循環氦氣裝置、冷頭、溫控儀和冷卻水系統。樣品S放置於製冷頭中，溫度在7. 5K至350K連續可控。 —線性克爾信號收集光路，探測束雷射經樣品、反射鏡M5、 M6反射後，基頻信號(即線性克爾信號)被二向色反射鏡(即對基頻信號反射，而對倍頻信號透射)匿反射，然
後經聚焦透鏡L3聚焦，穿過i波片W4，由沃拉斯頓稜鏡WS分解成偏振相互垂直的兩束光，最後被光橋0P接收。i波片W4用來調節初始時光橋的平衡。 —非線性克爾信號收集光路，探測束雷射經樣品、反射鏡M5、 M6反射後，倍頻信號(即非線性克爾信號)被二向色反射鏡匿透射，倍頻信號中混入的基頻信號經帶通濾光片
FT進一步過濾，通過:l波片W5，然後經聚焦透鏡L4聚焦，進入光柵位置設置在倍頻信號波
長的單色儀MC，最後由光電倍增管PM收集信號。W5被安裝在可用計算機控制的轉動平移臺上，用來設定不同的探測信號偏振態配置。 —鎖相放大器信號採集系統，斬波器CP為鎖相放大器提供參考信號，線性克爾信號和非線性克爾信號接入鎖相放大器經濾波放大後，通過GPIB數據採集卡，最後送給計算機PC處理數據。為鎖相放大器提供參考信號的斬波器也可以換成光彈調製器。做穩態測量時斬波器放在探測光路上，而做瞬態測量時斬波器放在泵浦光路上。
圖2是利用本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統在不同溫度下測試的稀磁半導體(Ga，Mn)As的時間分辨克爾旋轉譜，所加磁場為1T。可以看出所得到的信號信噪比很高。溫度和磁場便於調節。 圖3是利用本發明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統在室溫下測得的磁場沿Fe膜不同晶向時的二次諧波響應信號，反映了分子束外延生長在GaAs襯底上10nm厚的Fe膜具有四重對稱磁各向異性。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明。所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，該系統包括一超短脈衝雷射器，其出射雷射用於泵浦和探測樣品的線性及非線性磁光克爾效應；一氦氣閉循環制冷機，用於控制樣品的溫度，樣品放置於其帶光學窗口的製冷頭中；一氣隙和磁場大小可調的適用於磁光測量的電磁鐵，提供用於磁光克爾效應測量的磁場；一雷射泵浦光路，用於激發樣品，使樣品處於非平衡態，雷射器出射的雷射經偏振分光器透射後，經過反射鏡，聚焦透鏡垂直聚焦在樣品表面上；一雷射探測光路，用於探測樣品信號，雷射器出射的雷射經偏振分光器反射後，經過反射鏡、平移裝置、聚焦透鏡聚焦在樣品表面上，其入射方向與樣品表面法線夾角為30度，探測束光斑與泵浦束光斑中心重合，探測束光斑的面積小於泵浦束光斑的面積；一光斑監視系統，用於精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度以及它們在樣品上的位置；一線性克爾信號收集光路，探測束雷射經樣品、反射鏡反射後，作為基頻信號的線性克爾信號被二向色反射鏡反射，然後經聚焦透鏡聚焦，穿過波片，由沃拉斯頓稜鏡分解成偏振相互垂直的兩束光，最後被光橋接收；一非線性克爾信號收集光路，探測束雷射經樣品、反射鏡反射後，作為倍頻信號的非線性克爾信號透過二向色反射鏡，其中混入的基頻信號被帶通濾光片進一步過濾，穿過波片，然後經聚焦透鏡聚焦，進入單色儀，經單色儀選頻後的純倍頻信號，最後由光電倍增管來探測；一鎖相放大器信號採集系統，其中的斬波器為鎖相放大器提供參考信號，線性克爾信號和非線性克爾信號接入鎖相放大器經濾波放大後，通過GPIB數據採集卡，最後送給計算機處理數據。FSA00000016566500011.tif,FSA00000016566500012.tif
2. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述雷射器為摻鈦藍寶石飛秒脈衝雷射器，脈衝寬度為200fs，脈衝間隔為13ns。
3. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述雷射器出射的雷射強度由衰減器連續調節，泵浦光和探測光的相對強度用l波片調節，控制在io : i以上。
4. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述制冷機提供的溫度在7. 5K至350K連續可變。
5. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，通過LabVIEW程序自動控制，使磁場從-lT到+1T範圍內連續掃描，磁場的正反方向可自動切換。
6. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述泵浦光的偏振態由j波片調為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，或者由^波片調為S偏振或P偏振。4 2
7. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述探測光的偏振態由^波片調為S偏振或P偏振。
8. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述光斑監視系統包括CCD攝像頭和監視器。
9. 根據權利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統，其特徵在於，所述為鎖相放大器提供參考信號的斬波器可用光彈調製器來替換。
全文摘要
本發明公開了一種線性及非線性磁光克爾測量系統，包括一超短脈衝雷射器；一帶有光學窗口的氦氣閉循環制冷機用以控制樣品的溫度；一氣隙和磁場大小可調的電磁鐵；一雷射泵浦光路把雷射器的輸出雷射引入並聚焦到製冷頭內的樣品表面來激發樣品；一雷射探測光路，雷射器輸出的一束雷射被樣品反射後，其偏振面發生旋轉；一線性克爾信號收集光路收集探測光的基頻信號；一非線性克爾信號收集光路接收探測光的倍頻信號；一鎖相放大器信號採集系統，把信號濾波放大後送給計算機處理；一光斑監視系統，用來精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度。利用本發明提供的這種線性及非線性磁光克爾測量系統，可同時調節樣品感受到的磁場強度和溫度，實現可變溫的穩態以及時間分辨動態線性與非線性磁光克爾效應測試。
文檔編號G01N21/19GK101776575SQ20101010677
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月3日 優先權日2010年2月3日
發明者張新惠, 朱永剛 申請人:中國科學院半導體研究所