利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置及方法
2023-05-25 02:55:46
利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置及方法
【專利摘要】利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置及方法，裝置包括白光光源、準直鏡、起偏器、兩個光闌、電磁鐵、樣品臺、檢偏器、聚光鏡、光纖耦合器、光譜儀、PC機，其特徵在於白光光源通過光纖與準直鏡相連，經準直鏡聚焦後輸出白光；準直鏡後面沿光路順序排列為起偏器、兩個光闌、檢偏器、聚光鏡、光纖耦合器和光譜儀；在測量橢偏率時需將四分之一波片置於檢偏器之後聚光鏡之前，而測量磁光偏轉角時無需放置；兩個光闌之間放置樣品臺，樣品臺位於電磁鐵中間；光纖耦合器通過光纖與光譜儀相連；光譜儀的輸出端連接到PC機；通過編程由PC機控制光譜儀並輸出結果。該系統光路簡單，成本低廉，數據精度高，可以給出磁光偏轉角的光譜曲線。
【專利說明】利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置及方法，屬光譜磁光克爾效應測試【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著磁性材料在磁光存儲媒介與半導體器件上的廣泛應用，對磁性材料磁光特性的研究變得極為迫切。磁光克爾效應測試技術利用磁性材料的磁光克爾效應，可以測量磁性材料的磁光偏轉角與橢偏率。因此磁光克爾效應廣泛應用於磁有序性、磁各向異性、以及層間耦合等領域的研究。但現有的光譜磁光克爾效應裝置接受端多為光電探測器且結構複雜，比如在雜誌【物理評論B】 (1997年56卷第5432頁)上發表的文章「Fe304和Mg2+或Al3+替換Fe3O4的光學和極向磁光克爾光譜研究」中(作者W.F.J.Fontijn and P.J.vander Zaag)，作者用Ge材料光電探測器接受信號，並用氙燈與單色儀配合測試材料的磁光克爾偏轉角光譜曲線。此系統需要逐次調節單色儀使其輸出的波長改變並逐次計算每個波長下的磁光偏轉角，設計較為複雜而且操作費時。而使用光譜儀作為接收端可以得到更寬的光譜範圍，而且可以一次計算整個光譜範圍內的磁光偏轉角與橢偏率，操作簡單而且節省了大部分測試時間。此外在後期數據處理中，通過編程設定積分時間與採集次數也可以大範圍提高數據的穩定性，可以得到更加精確的磁光克爾偏轉角。此外由於該系統光路簡單而且由於光路元件比其他類似系統少，所以成本低廉。通過光譜式測量，可以給出磁光偏轉角的光譜曲線，對於研究磁性材料的內部磁化及外部磁光特性有著重要意義。
【發明內容】
[0003]為了克服現有技術存在的缺陷與不足，本發明提出了一種利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置及方`法。
[0004]本發明的技術方案是按以下方式實現的:
[0005]一種利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置，包括白光光源、準直鏡、起偏器、兩個光闌、電磁鐵、樣品臺、檢偏器、四分之一波片、聚光鏡、光纖稱合器、光譜儀、PC機，其特徵在於白光光源通過光纖與準直鏡相連，經準直鏡聚焦後輸出白光；準直鏡後面沿光路順序排列為起偏器、兩個光闌、檢偏器、聚光鏡、光纖稱合器和光譜儀；測量磁光偏轉角時無需放置四分之一波片，而在測量橢偏率時需將四分之一波片置於檢偏器之後聚光鏡之前；兩個光闌之間放置樣品臺，樣品臺位於電磁鐵中間；光纖耦合器通過光纖與光譜儀相連；光譜儀的輸出端連接到PC機，以觀察記錄並計算測量結果；通過C語言編寫程序控制光譜儀，通過設定積分時間與積分次數處理數據並將得到的計算結果輸出。
[0006]所述的光譜儀是可見光光譜光纖光譜儀，其波長範圍為300nm-900nm，通過光纖輸入且由光纖耦合器接收送入光譜儀中。
[0007]所述的白光光源為輸出波長範圍為300nm-850nm的LED光源。
[0008]所述的通過計算測量結果為使用C語言編程處理，通過設定積分時間與採集次數，降低光源的噪聲，得到更精確地磁光克爾偏轉角。
[0009]一種利用上述裝置進行磁光克爾偏轉角測量的方法，步驟如下:
[0010]①將測量裝置接通電源，給光譜儀供電，打開電磁鐵的電源、白光光源及PC機的電源；
[0011]②將具有鐵磁性質的薄膜樣品材料固定在樣品臺上，調整樣品使其在水平方向上轉動，使得樣品表面與磁場方向平行；
[0012]③白光光源與準直鏡通過光纖相連接，調節準直鏡後面放置的光闌、起偏器的位置，然後調節檢偏器、聚光鏡、光纖耦合器的位置，使得白光正入射到起偏器上並通過上述光學元件能將白光匯聚到光纖耦合器上；
[0013]④PC機開機後，運行光譜儀控制程序，等待光譜儀採集信號；
[0014]⑤調節起偏器角度θ1，使出射光偏振態平行於入射面，調節檢偏器角度θ2，使從檢偏器出射的光變為零，此時將檢偏器再轉過一個小的角度δ ( δ ≤ 1° )，使出射光強不為零，點擊光譜儀控制程序中的開始選項採集信號，記錄此時得到的光強光譜曲線I0(λ);
[0015]⑥設定電磁鐵控制裝置輸出電流分別為1、2、3、4、5Α，通過光譜儀採集數據，依此測量上述不同電流下的光強值，隨著電流的增大，磁場強度會隨著電流的增大而增大，而磁性材料的內部磁化強度也會隨著外界磁場的增大而增大，當到達飽和磁化強度時，內部磁化強度達到最大值，此時光譜儀接受的光強也達到最大，記錄此時的飽和電流值im ;
[0016]⑦正向調節電磁鐵電流至飽和電流im，此時材料內部達到飽和磁化強度，PC機記錄此時光譜儀採集的光強曲線1+ ( λ );反向調節電磁鐵電流至-1m，PC機記錄此時光譜儀採集的光強曲線Ι-(λ)，從而得到Δ1(入)/10(入)=(1+(入)-1_(入))/10(a)；
[0017]⑧將測量得到的aiu)/iqu)與δ的值輸入PC機，由PC機按以下公式計算得到磁性材料的磁光偏轉角θ k光譜響應曲線:
【權利要求】
1.一種利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置，包括白光光源、準直鏡、起偏器、兩個光闌、電磁鐵、樣品臺、檢偏器、四分之一波片、聚光鏡、光纖稱合器、光譜儀、PC機，其特徵在於白光光源通過光纖與準直鏡相連，經準直鏡聚焦後輸出白光；準直鏡後面沿光路順序排列為起偏器、兩個光闌、檢偏器、聚光鏡、光纖耦合器和光譜儀；測量磁光偏轉角時無需放置四分之一波片，而在測量橢偏率時需將四分之一波片置於檢偏器之後聚光鏡之前；兩個光闌之間放置樣品臺，樣品臺位於電磁鐵中間；光纖耦合器通過光纖與光譜儀相連；光譜儀的輸出端連接到PC機，以觀察記錄並計算測量結果。
2.如權利要求1所述的一種利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置，其特徵在於所述的光譜儀是可見光光譜光纖光譜儀，其波長範圍為300nm-900nm。
3.如權利要求1所述的一種利用光譜儀進行光譜式磁光克爾效應測試的裝置，其特徵在於所述的白光光源為輸出波長範圍為300nm-850nm的LED光源。
4.如權利要求1所述的通過計算測量結果為使用C語言編程處理，通過設定積分時間與採集次數，降低光源的噪聲，得到更精確地磁光克爾偏轉角。
5.一種利用權利要求1所述的裝置進行光譜式磁光克爾效應測試的方法，步驟如下: ①將測量裝置接通電源，給光譜儀供電，打開電磁鐵的電源、白光光源及PC機的電源； ②將具有鐵磁性質的薄膜樣品材料固定在樣品臺上，調整樣品使其在水平方向上轉動，使得樣品表面與磁場方向平行； ③白光光源與準直鏡通過光纖相連接，調節準直鏡後面放置的光闌、起偏器的位置，然後調節檢偏器、聚光鏡、光纖耦合器的位置，使得白光正入射到起偏器上並通過上述光學元件能匯聚到光纖耦合器上； ④PC機開機後，運行光譜儀控制程序，等待光譜儀採集信號； ⑤調節起偏器角度G1，使出射光偏振態平行於入射面，調節檢偏器角度θ2，使從檢偏器出射的光變為零，此時將檢偏器再轉過一個小的角度δ，δ <1°，使出射光強不為零，點擊光譜儀控制程序中的開始選項採集信號，記錄此時得到的的光強光譜曲線Itl(A); ⑥設定電磁鐵控制裝置輸出電流分別為1、2、3、4、5Α，通過光譜儀採集數據，依此測量上述不同電流下的光強值，隨著電流的增大，磁場強度會隨著電流的增大而增大，而磁性材料的內部磁化強度也會隨著外界磁場的增大而增大，當到達飽和磁化強度時，內部磁化強度達到最大值，此時光譜儀接受的光強也達到最大，記錄此時的飽和電流值im ; ⑦正向調節電磁鐵電流至飽和電流im，此時材料內部達到飽和磁化強度，PC機記錄此時光譜儀採集的光強曲線1+( λ);反向調節電磁鐵電流至_im，PC機記錄此時光譜儀採集的光強曲線 ?-(λ)，從而得到 AlUVicUXi+UhLUD/icU)； ⑧將測量得到的AIUVIciU)與δ的值輸入PC機，由PC機按以下公式計算得到磁性材料的磁光偏轉角9k光譜響應曲線:
【文檔編號】G01R33/12GK103868856SQ201410125559
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】連潔, 王曉, 張福軍, 孫兆宗, 趙明琳, 張文賦, 高尚 申請人:山東大學