極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統的製作方法
2023-04-23 21:44:26
專利名稱：極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁學和半導體自旋電子學技術領域，特別適用於對半導體自旋電子學材料(比如稀磁半導體材料)的自旋相關光學性質的測量，提供一種極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統。
背景技術：
由於很多物質存在法拉第效應與克爾效應，因此磁光光譜探測系統廣泛應用於物理、化學、生物和工程技術領域。特別時近年來隨著自旋電子學的興起，磁光光譜測量系統作為一種重要的測量手段，在自旋電子學研究中發揮了重要的作用。MCD全稱為磁圓二向色性，即在磁場下，物質對左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的吸收率不同的現象。克爾效應是指在磁場下，垂直入射的線偏振光經樣品反射後，反射光的偏振面相對入射光偏振面發生偏轉的現象；極向克爾效應是磁場和入射光方向都垂直於樣品平面時的克爾效應。它們本質上反應了樣品的折射率張量在磁場中的變化，在反射式配置下，克爾信號與介電張量非對角元的實部ex/成正比；MCD信號與介電張量非對角元的虛部exy"成正比。在磁光測量系統中，磁場、光束的偏振狀態是最關鍵的兩個要素。根據磁光信號對磁場，光波長，光偏振狀態的依賴關係，進而分析出樣品的能帶結構、磁學性質等重要物理信息。通常磁光光譜測量系統分為透射式和反射式兩種，透射式磁光光譜測量系統無法測量不透明樣品的磁光光譜，並且樣品製備極其困難。同時，大部分反射式磁光光譜測量系統基於電磁鐵和氦循環制冷機，測量目的較為單一，配置方案不靈活，信噪比較差，並且無法同時改變溫度和磁場大小。如何設計一套高信噪比，並且可以靈活改變溫度、磁場、波長的反射式磁光光譜測量系統，是各磁學、光學實驗室期待解決的重要技術問題之一。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明的主要目的在於提供一套配置靈活、能同步測量的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，在測量過程中可以根據實驗需要靈活地改變波長、磁場大小以及樣品的溫度。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，該系統包括 一超連續白光光源(LS)，其出射光經過單色儀(SP)後作為樣品測試光源；一單色儀(SP)，用於對白光光源(LS)的出射光進行濾波，僅選擇單一波長的光通過;
一斬波器(CP)，用於對單色儀(SP)出射光進行斬波調製，並為第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)提供參考信號，從而得到樣品反射光的強度；一起偏器(P)，用於將單色儀(SP)出射光變為線偏振光；一光彈調製器(MO)，用於將起偏器(P)出射的線偏光變為周期性偏振調製光；一寬波段消偏振分光稜鏡(BS)，使入射光垂直通過後打到樣品上，並將經過樣品反射的光的傳播方向偏轉90°，便於探測器收集；一消色差透鏡(L)，用於聚焦入射光到樣品上，並收集樣品的反射光；/
一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦(MG)，提供用於磁光光譜測量的磁場；—檢偏器(A),用於檢測樣品反射光偏振態的改變；一探測器(DT)，用於接收和探測反射光，並將光信號轉換為電信號；第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)，用於檢測探測器(DT)輸出信號的對應特定頻率的信號幅度；以及由計算機組成的數據處理與存儲系統。上述方案中，所述超連續白光光源(LS)通過一個波長為1064nm的泵浦光激發一個非線性光纖，得到功率最大2w，波長範圍覆蓋450nm至1500nm的超連續白光。與傳統的白光光源(如汞燈)相比，該光源具有更大的功率，更好的準直性，更寬的光譜覆蓋範圍，更均勻的光強分布等顯著優點。上述方案中，該系統利用起偏器(P)將單色儀(SP)出射光變為線偏振光，利用光彈調製器(MO)將線偏光變為周期性偏振調製光，利用檢偏器(A)檢測施加磁場時樣品反射光偏振態的改變。上述方案中，所述起偏器(P)和檢偏器(A)均是格蘭泰勒稜鏡。所述光彈調製器(MO)工作在0.25 X模式，工作頻率為50KHZ。所述光彈調製器(MO)的快軸與慢軸均與起偏器的通光軸成45°角,調節檢偏器(A)角度,使無磁場時樣品反射光的電矢量在檢偏器通光軸方向的分量不隨時間變化。上述方案中，所述探測器(DT)、第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)組成信號探測和處理系統，所述探測器(DT)收集和探測經過檢偏器(A)的出射光，將光信號轉變為電信號，輸入到第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)中。上述方案中，所述第一鎖相放大器(LIAl)的參考頻率為斬波器頻率，測量樣品反射光強；第二鎖相放大器(LIA2)的參考頻率為光彈調製器頻率(50KHZ)，測量信號中頻率為50KHZ的成分的幅度；第三鎖相放大器(LIA3)的參考頻率為光彈調製器頻率的兩倍(100KHZ)，測量信號中頻率為100KHZ的成分的幅度。上述方案中，磁圓二向色性信號與測量信號中頻率為50KHZ的成分的幅度成正t匕，磁光克爾信號與測量信號中頻率為100KHZ的成分的幅度成正比。上述方案中，所述寬波段消偏振分光稜鏡(BS)使入射光垂直通過後打到樣品上，並將經過樣品反射的光傳播方向偏轉90°，這樣既解決了入射光與樣品必須近似垂直的問題，又保證了反射光收集的方便性；該分光稜鏡同時能使通過它的光的偏振特性不改變。上述方案中，所述中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦(MG)中設置有一製冷器，用於控制樣品的溫度，樣品放置在該製冷器的冷頭上。所述超導磁體杜瓦(MG)與所述製冷器相互分離，放置樣品的冷頭能夠伸入超導磁體杜瓦(MG)的室溫孔洞中，所述超導磁體杜瓦(MG)用於提供OT(特斯拉)到+5T範圍的垂直樣品表面的磁場，所述製冷器能夠使樣品溫度在4K(開爾文)到300K範圍變化。(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本發明提供的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，由於使用兩臺鎖相放大器同時測量反射光強信號中頻率為光彈調製器一倍頻(50KHZ)和二倍頻(100KHZ)的成分，所以可以同步測量樣品的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜。排除了極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜分別測量時存在的測量光強變化，樣品溫度變化，測量點不一致等問題，使分析極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜 具有更好的對比性。同時可縮短測量所需要的時間。靈活改變樣品溫度，磁場，探測光波長，用於樣品自旋相關的能帶結構和磁性質研究。
為進一步說明本發明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，其中圖I是本發明提供的的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統的結構示意圖；圖2是利用本發明提供的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統在4K溫度,0. 5T磁場下測量的一塊摻猛砷化鎵(GaMnAs)樣品的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜。
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。請參閱圖I所示，圖I是本發明提供的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統的結構示意圖，該系統包括一超連續白光光源，其出射光經過單色儀後作為樣品測試光源。一單色儀，對白光光源的出射光進行濾波，僅選擇單一波長的光通過。一斬波器，對單色儀出射光進行斬波調製，並為鎖相放大器提供參考信號，從而得到經過樣品反射後反射光的強度。一起偏器，把單色儀出射光變為線偏振光。一光彈調製器，把起偏器出射的線偏光變為周期性偏振調製光。一寬帶消偏振分光稜鏡，使入射光垂直通過後打到樣品上，並將經過樣品反射的光偏轉90°，便於探測器收集。該分光稜鏡同時能使通過它的光的偏振特性不改變。一消色差透鏡，用於聚焦入射光到樣品上，並收集樣品的反射光。一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦，提供用於磁光光譜的磁場，制冷機放置樣品的製冷頭能深入超導磁體杜瓦的室溫孔洞中。一制冷機，控制樣品的溫度，樣品放置在其製冷頭上。其溫度可在4K到300K範圍內變化。一檢偏器，檢測施加磁場時樣品反射光偏振態的改變。一探測器，用於接收和探測反射光，並將光信號轉換為電信號。三臺鎖相放大器，即第一鎖相放大器(LIA1)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)，用於檢測探測器輸出的對應特定頻率的信號。計算機組成的數據處理與存儲系統。其中，超連續白光光源(LS)可以發出波長範圍很寬(450nm-1500nm)而且功率很大(最大2W)發散角較小的連續光。白光從單色儀(SP)入射狹縫進入，經過光柵分光，在出射狹縫可以得到單一波長的單色光，通過計算機控制連續轉動單色儀光柵，就可以對波長進行連續掃描。斬波器(CP)，由於葉片的均勻轉動，周期性地使得入射光通過與不通過，經過樣品的反射光也以相同的周期變化，從而得到周期性的反射光信號。斬波為第一鎖相放大器(LIAl)提供參考信號，從而測出反射光的光強。起偏器(P)採用格蘭泰勒稜鏡，波長應用範圍220nm-2500nm，消光比大於1X104。單色儀出射的光經過起偏器⑵起偏後，變成線偏振光。光彈調製器MO工作在0.25 X模式，工作頻率為50KHZ，它對起偏器(P)出射的線偏振光進行周期性的調製。調整光彈調製器的快軸和慢軸(快軸與慢軸相互垂直)都與起偏器(P)的通光軸成45°角，光彈調製器MO出射的光以50KHZ的頻率工作在「線偏-左 圓偏振-線偏-右圓偏振-線偏」的模式。該調製光透射過消偏振分光稜鏡(BS)後，經過消色差透鏡(L)聚焦到樣品上。其中消偏振分光稜鏡(BS)不改變入射光的偏振狀態，它除了使光彈調製器MO出射的光透過外，還將經過樣品反射的光傳播方向偏轉90°，便於探測器收集。樣品放置在製冷器(BT)的冷頭上，製冷器通過液氦製冷，並通過電阻絲加熱，使樣品溫度可在4K-300K範圍內變化。製冷器的冷頭可伸入超導磁體杜瓦(MG)的室溫空洞中，使樣品處在均勻的磁場中，並可靈活調節樣品的位置。樣品平面垂直於入射光方向和磁場方向。超導磁體杜瓦(MG)由置於液氦中的超導線圈產生磁場，可產生0T-5T(特斯拉)範圍的磁場，方向可平行或反平行於入射光方向。磁場可掃描，掃描速率可在OT每分鐘至IT每分鐘範圍變化。經過樣品反射的光，再經過消偏振分光稜鏡(BS)反射後，到達檢偏器(A)，檢偏器(A)是一個與起偏器(P)相同的格蘭泰勒稜鏡，它對經樣品反射的光檢偏，只允許電矢量在通光軸方向的光通過。磁場為零時，調整通光軸的方向，使樣品反射的調製光的電矢量在通光軸方向的分量不隨時間變化，則檢偏器(A)後由探測器(DT)檢測的信號就不包含光彈調製器MO頻率的一倍頻(50KHZ)和二倍頻(100KHZ)成分，由鎖相放大器LIA2 (測量50KHZ信號幅度)和LIA3 (測量100KHZ信號幅度)測量的信號都為零。施加磁場時，MCD效應使入射的左圓和右圓偏振光的電矢量產生差別，經過檢偏器(A)後，由探測器(DT)檢測的信號就包含光彈調製器MO頻率的一倍頻(50KHZ)成分，由第二鎖相放大器LIA2 (測量50KHZ信號幅度)測量的信號就對應MCD信號。極向克爾效應使入射線偏振光的偏振面旋轉一定角度，經過檢偏器(A)後，由探測器(DT)檢測的信號就包含光彈調製器MO頻率的二倍頻(100KHZ)成分，由第二鎖相放大器LIA2(測量100KHZ信號幅度)測量的信號就對應克爾信號。探測器(DT)使用Si探測器，用來接收和探測經過檢偏器(A)出射的光，將光信號轉換為電信號，傳輸給鎖相放大器，測出相應頻率成分信號的幅度。第一鎖相放大器(LIAl)參考信號由斬波器(CP)提供，測量反射光的光強；第二鎖相放大器(LIA2)參考信號為光彈調製器MO頻率的一倍頻(50KHZ)，測量MCD信號；第三鎖相放大器(LIA3)參考信號為光彈調製器MO頻率的二倍頻(100KHZ)，測量克爾信號。本發明提供的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜的同步測量系統的核心部分是起偏器(P)，光彈調製器MO，檢偏器(A)以及第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)。利用起偏器(P)和光彈調製器MO對入射光進行周期性偏振調製，使它以50KHZ的頻率工作在「線偏_左圓偏振_線偏_右圓偏振_線偏」的模式，經過檢偏器(A)檢偏後，由第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)分別探測以50KHZ頻率變化的信號和以IOOKHZ頻率變化的信號。施加磁場時，它們分別對應於MCD信號和克爾信號。採用兩臺鎖相放大器(第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3))即可同時測量樣品的MCD信號和克爾信號。避免了 MCD信號和克爾信號分開測量時存在的光強變化，溫度變化，探測點變化等因素的影響，同時縮短了測量的時間。同時由第一鎖相放大器(LIAl)測量反射光強度，可對MCD信號和克爾信號引入實時歸一化。本發明提供的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統通過運用超連續白光與單色儀配合，得到了光束質量較好而且功率很大的，可以連續掃描波長的入射光，這對於提高信噪比很有幫助。
本發明提供的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統的另一特點是製冷器的冷頭和超導磁體杜瓦(MG)分離，可靈活調節位於冷頭上的樣品的位置。作為一個實例，利用本系統測量了 4K溫度，0. 5T磁場下一塊摻錳砷化鎵(GaMnAs)樣品的極化磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜，其中紅線對應磁圓二向色性(MCD)譜，黑線對應極化磁光克爾(KERR)譜。首先利用單色儀分光之後的入射光調節光路。使得入射光照射在樣品需要測量的區域。仔細調節製冷器下面的手動三維平移臺，使得反射光經過檢偏器(A)後，進入探測器(DT)。調節起偏器(P)的通光軸方向，使通過的光強最大。調節光彈調製器MO的快軸和慢軸，使它們與起偏器(P)的通光軸都成45°角。打開第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)，將探測器輸出的信號連接到第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3),其中第二鎖相放大器(LIA2)的參考信號接光彈調製器的一倍頻信號(50KHZ)，第三鎖相放大器(LIA3)的參考信號接光彈調製器的二倍頻信號(100KHZ)。在零磁場下轉動檢偏器(A),使第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)的信號均為零。施加一定磁場，掃描入射波長，就可以進行極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜的同步測量了。鎖相放大器讀出的數據經過電腦收集處理，就可以得到極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜。進而可以對樣品能帶結構以及磁性質進行分析。得到的4K溫度,0. 5T磁場下摻猛砷化鎵(GaMnAs)樣品的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜如圖2所示(橫坐標為波長，單位為nm，縱坐標為MCD和KERR信號，單位為弧度rad)。從上述實例可以看出，本發明提供的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜的同步測量系統確實可以測量樣品的極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜，從而得到樣品的能帶結構和磁性質。它實現簡單，調節方便，擁有較高信噪比，很適合作為自旋相關半導體材料能帶及磁性分析系統，在實驗室中推廣使用。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
1.一種極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，該系統包括 一超連續白光光源(LS)，其出射光經過單色儀(SP)後作為樣品測試光源； 一單色儀(SP)，用於對白光光源(LS)的出射光進行濾波，僅選擇單一波長的光通過；一斬波器(CP)，用於對單色儀(SP)出射光進行斬波調製，並為第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)提供參考信號，從而得到樣品反射光的強度； 一起偏器(P)，用於將單色儀(SP)出射光變為線偏振光； 一光彈調製器(MO)，用於將起偏器(P)出射的線偏光變為周期性偏振調製光； 一寬波段消偏振分光稜鏡(BS)，使入射光垂直通過後打到樣品上，並將經過樣品反射的光的傳播方向偏轉90°，便於探測器收集； 一消色差透鏡(L)，用於聚焦入射光到樣品上，並收集樣品的反射光； 一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦(MG)，提供用於磁光光譜測量的磁場； 一檢偏器(A),用於檢測樣品反射光偏振態的改變； 一探測器(DT)，用於接收和探測反射光，並將光信號轉換為電信號； 第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3),用於檢測該探測器(DT)輸出信號的對應特定頻率的信號幅度；以及由計算機組成的數據處理與存儲系統。
2.根據權利要求I所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述超連續白光光源(LS)通過一個波長為1064nm的泵浦光激發一個非線性光纖，得到功率最大2w，波長範圍覆蓋450nm至1500nm的超連續白光。
3.根據權利要求I所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，該系統利用起偏器⑵將單色儀(SP)出射光變為線偏振光，利用光彈調製器(MO)將線偏光變為周期性偏振調製光，利用檢偏器(A)檢測施加磁場時樣品反射光偏振態的改變。
4.根據權利要求3所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述起偏器(P)和檢偏器(A)均是格蘭泰勒稜鏡。
5.根據權利要求3所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述光彈調製器(MO)工作在0.25 X模式，工作頻率為50KHZ。
6.根據權利要求3所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述光彈調製器(MO)的快軸與慢軸均與起偏器的通光軸成45°角，調節檢偏器(A)角度，使無磁場時樣品反射光的電矢量在檢偏器通光軸方向的分量不隨時間變化。
7.根據權利要求I所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述探測器(DT)、第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)組成信號探測和處理系統，所述探測器(DT)收集和探測經過檢偏器(A)的出射光，將光信號轉變為電信號，輸入到第一鎖相放大器(LIAl)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)中。
8.根據權利要求7所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述第一鎖相放大器(LIAl)的參考頻率為斬波器頻率，測量樣品反射光強；第二鎖相放大器(LIA2)的參考頻率為光彈調製器頻率50KHZ，測量信號中頻率為50KHZ的成分的幅度；第三鎖相放大器(LIA3)的參考頻率為光彈調製器頻率的兩倍100KHZ，測量信號中頻率為IOOKHZ的成分的幅度。
9.根據權利要求I所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，磁圓二向色性信號與測量信號中頻率為50KHZ的成分的幅度成正比，磁光克爾信號與測量信號中頻率為100KHZ的成分的幅度成正比。
10.根據權利要求I所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述寬波段消偏振分光稜鏡(BS)使入射光垂直通過後打到樣品上，並將經過樣品反射的光傳播方向偏轉90°，這樣既解決了入射光與樣品必須近似垂直的問題，又保證了反射光收集的方便性；該分光稜鏡同時能使通過它的光的偏振特性不改變。
11.根據權利要求I所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦(MG)中設置有一製冷器，用於控制樣品的溫度，樣品放置在該製冷器的冷頭上。
12.根據權利要求11所述的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，其特徵在於，所述超導磁體杜瓦(MG)與所述製冷器相互分離，放置樣品的冷頭能夠伸入超導磁體杜瓦(MG)的室溫孔洞中，所述超導磁體杜瓦(MG)用於提供0特斯拉到+5特斯拉範圍的垂直樣品表面的磁場，所述製冷器能夠使樣品溫度在4K到300K範圍變化。
全文摘要
本發明公開了一種極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統，包括液氦制冷機與低溫超導磁體系統、超連續白光光源、單色儀、斬波器、兩個格蘭泰勒稜鏡、光彈調製器、寬波段消偏振分光稜鏡、消色差透鏡、矽探測器、三臺鎖相放大器、以及計算機。利用本發明，可以同時測量樣品的極化磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜，從而可以進一步研究物質的磁性質以及與自旋相關的能帶結構和特性。
文檔編號G01N21/19GK102654450SQ20121015088
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者黃學驕 申請人:中國科學院半導體研究所