一種磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統及測量方法
2023-06-07 16:06:46
專利名稱：一種磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統及測量方法
技術領域：
本發明屬於物理測量技術領域，具體涉及一種表面磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量裝置及測量方法。
背景技術：
測量物質的磁光克爾效應與磁晶各向異性場是薄膜磁學研究領域中的基本探測手段，測量裝置均需一個可旋轉的磁場在進行磁光克爾效應的測量(Μ0ΚΕ方法)時，需要旋轉磁場來找到合適的磁化方向；在進行磁晶各向異性場的測量(R0TM0KE方法)時，需要將磁場進行360°轉動，測量各磁場方向的克爾信號。目前，該類裝置的磁場主要是利用步進馬達帶動磁鐵來實現旋轉，它可以對磁光克爾效應與磁晶各向異性場進行基本的測量，然而存在著很大的不足，例如步進馬達帶動磁鐵轉動不可避免地引進了機械振動，給測量結果帶來了較大的噪音；用步進馬達旋轉磁場耗時很長，使得樣品受到了更多的環境影響；雷射會在長時間的測量中出現漂移，使得測量結果不準確。現有裝置的此類問題極大地影響了磁光克爾效應與磁晶各向異性場的測量精度與測量效率。
發明內容
本發明的目的在於提出一種測量精度與測量效率高的磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統及測量方法。本發明提出的磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統，包括兩個部分磁鐵控制部分和雷射探測部分。磁鐵控制部分主要包含磁鐵架、電源、ADDA卡以及計算機等部件(如圖1)。磁鐵架是這樣設計的用一大一小兩個正方形金屬架將四個纏有漆包銅線的鐵芯固定，使四個鐵芯兩兩相對並留有空間，每個鐵芯上的銅線圈匝數相同。兩個電源用於給上述銅線圈提供電流左右兩組線圈串聯，用第一電源1提供電流，產生橫向磁場；上下兩組線圈串聯，用第二電源2提供電流，產生縱向磁場。計算機通過ADDA卡分別控制兩個電源輸出電流的大小與方向，從而可以分別控制橫向磁場與縱向磁場的大小與方向。由矢量合成原理可知，這樣的橫向磁場與縱向磁場可以合成平面內任意方向、任意大小(一定範圍內)的磁場。這樣，計算機通過對電源的控制，就實現了對磁場的控制。雷射探測部分主要由雷射器、起偏器、檢偏器、光電探測器、ADDA卡以及計算機組成(如圖2)。雷射器發出的雷射經通過起偏器形成一束線偏振光打在處於磁場中樣品上，反射光通過檢偏器過濾後打在光電探測器上，光電探測器接收到的信號經ADDA卡轉化，變成數位訊號被傳輸到計算機中，這樣就得到了樣品在該探測點的克爾信號。利用該系統進行磁光克爾效應的測量時，首先將樣品置於磁場中心處；然後利用磁鐵控制部分使磁鐵產生某一方向、從負值到正值漸變的磁場，同時利用雷射探測部分測量樣品在變化磁場中的克爾信號；最後根據磁光克爾效應，利用磁場和克爾信號的數值作出樣品在該測量點的磁滯回線。如果改變光平面與磁場的方向，就可以測到樣品探測點在不同方向的磁信息。利用該系統進行磁晶各向異性場的測量時，首先將樣品置於磁場中心處；然後利用磁鐵控制部分使磁鐵產生一個大小恆定、快速旋轉的磁場，同時利用雷射探測部分測量樣品在變化磁場中的克爾信號；最後利用樣品探測點的克爾信號隨360度旋轉角度的關係，可以得到樣品在該探測點的磁晶各向異性場。本發明的核心在於磁鐵控制部分，該測量系統只需通過計算機控制電源輸出電流的大小和方向就可以實現對磁場的控制，即可以產生平面內任意方向、任意大小(一定範圍內)的磁場，並可以通過設置橫向磁場與縱向磁場的變化關係，得到可在面內快速旋轉的合成磁場。這樣，可以大大縮短測量時間，並能很大程度地減少了周圍環境對測量樣品的影響；設備不需要進行機械轉動就可以實現磁場在面內的任意旋轉，消除了機械振動，減小測量噪音，增大測量的準確度。這樣，結合磁光克爾效應(MOKE)和旋轉磁場磁光克爾效應 (RotMOKE)原理，就可以準確、高效地得到樣品的磁信號和磁晶各向異性場。
圖1 磁鐵控制部分結構圖示。
圖2:雷射探測部分圖示。
圖3:磁光克爾效應(MOKE)測量示意圖。
圖4 旋轉磁場磁光克爾效應(RotMOKE)測量示意圖。
圖5:RotMOKE原理圖。
圖6 磁矩測量示意圖。
圖7:計算機控制方案。
圖8 換向開關電路圖。
圖9 光電探測器電路圖。
圖10=MOKE與RotMOKE的程序流程圖。
具體實施例方式一、測量系統的理論基礎
1、表面磁光克爾效應(SMOKE)原理
線偏振光被磁性介質反射後偏振面和橢偏率會發生改變，這種效應稱為磁光克爾效應。研究表面和超薄膜的磁光克爾效應稱之為表面磁光克爾效應(SMOKE)。如圖3，磁光克爾效應是光通過材料時，材料的介電張量的非對角元引起的效應。本質上是光在傳播過程中與磁性介質中的電子自旋軌道耦合作用相耦合引起的效應。一束P光射向樣品被反射，當樣品是非磁性的，那麼反射光也是P光，當樣品是磁性的，那麼反射光將包含P光分量(Ep)和少量的S光分量(Es)。將作為檢偏器的偏振片從消光位置旋轉一個很小的角度S，那麼光電探測器測量到的光強為
權利要求
1.一種磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統，其特徵在於包括兩個部分磁鐵控制部分和雷射探測部分；其中所述磁鐵控制部分包含磁鐵架、兩個電源、ADDA卡以及計算機，其中磁鐵架由一大一小兩個正方形金屬架將四個纏有漆包銅線的鐵芯固定而組成，四個鐵芯兩兩相對並留有空間，每個鐵芯上的銅線圈匝數相同；兩個電源用於給上述銅線圈提供電流左右兩組線圈串聯，用第一電源1提供電流，產生橫向磁場；上下兩組線圈串聯，用第二電源2提供電流， 產生縱向磁場；計算機通過ADDA卡分別控制兩個電源輸出電流的大小與方向，從而分別控制橫向磁場與縱向磁場的大小與方向；所述雷射探測部分由雷射器、起偏器、檢偏器、光電探測器、ADDA卡以及計算機組成； 其中，雷射器發出的雷射經通過起偏器形成一束線偏振光打在處於磁場中樣品上，反射光通過檢偏器過濾後打在光電探測器上，光電探測器接收到的信號經ADDA卡轉化，變成數位訊號被傳輸到計算機中，由此就得到樣品在該探測點的克爾信號。
2.根據權利要求1所述的磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統，其特徵在於測量所需的磁場是由兩個相互垂直的電磁鐵所產生的磁場進行矢量合成而得到；通過ADDA卡 D/A轉換輸出模擬電壓，控制電源輸出電流的大小；通過ADDA卡輸出一路數位訊號，控制與電源相連的換向開關，選擇正向電流或者反向電流。
3.根據權利要求1所述的磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統，其特徵在於所述光電探測器由以下基本原件組成1個運算放大器、1個矽光電池、2個電阻R、2個電容C;其中，運算放大器的第4和第7針腳連接士 12V電源，第2和第3針腳接矽光電池，對電流進行放大，第6針為放大信號輸出；第一組電阻、電容並聯於矽光電池與運算放大器的放大信號輸出之間，第二組電阻、電容並聯於矽光電池與放大信號輸出接地之間。
4.根據權利要求1所述的磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統的測量方法，其特徵在於具體步驟為測量磁光克爾效應時，首先將樣品置於磁場中心處；然後利用磁鐵控制部分使磁鐵產生某一方向、從負值到正值漸變的磁場，同時利用雷射探測部分測量樣品在變化磁場中的克爾信號；最後根據磁光克爾效應，利用磁場和克爾信號的數值作出樣品在該測量點的磁滯回線；改變光平面與磁場的方向，即測到樣品探測點在不同方向的磁信息；測量磁晶各向異性場時，首先將樣品置於磁場中心處；然後利用磁鐵控制部分使磁鐵產生一個大小恆定、快速旋轉的磁場，同時利用雷射探測部分測量樣品在變化磁場中的克爾信號；最後利用樣品探測點的克爾信號隨360度旋轉角度的關係，得到樣品在該探測點的磁晶各向異性場。
全文摘要
本發明屬於物理測量技術領域，具體為一種磁光克爾效應與磁晶各向異性場測量系統及測量方法。測量系統包括兩個部分磁鐵控制部分和雷射探測部分。磁鐵控制部分主要包含磁鐵架、電源、ADDA卡以及計算機，計算機通過ADDA卡分別控制兩個電源輸出電流的大小與方向，分別控制磁場的大小與方向，得到所需的合成磁場；雷射探測部分由雷射器、起偏器、檢偏器、光電探測器、ADDA卡以及計算機組成，雷射器發出的雷射經通過起偏器、檢偏器過濾後射到光電探測器上，信號經ADDA卡轉化，傳輸到計算機中，得到探測點的克爾信號。本發明可消除機械振動，減小測量噪音，增大測量準確度，可以準確、高效地得到樣品的磁信號和磁晶各向異性場。
文檔編號G01N21/21GK102252969SQ20111009813
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者劉方澤, 吳義政, 梁建輝, 武迪, 胡春瑞 申請人:復旦大學