專利名稱：一種磁光橢偏測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁光橢偏測量裝置及測量方法，屬磁性材料的磁光測量技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
磁性材料的磁光性質(zhì)，廣泛應(yīng)用在磁光存儲方面，磁光橢偏是一種非常重要的磁 性薄膜和超薄膜磁光性質(zhì)的檢測手段，利用磁光橢偏可以測得鐵磁樣品的折射率N、消光系 數(shù)K、磁光耦合系數(shù)Q等，同時還可利用它進行磁有序、磁各向異性以及層間耦合等問題的 研究。和其它磁光性質(zhì)測量手段相比較，磁光橢偏檢測具有以下優(yōu)點(1)測量靈敏度極 高，可以實現(xiàn)亞原子層磁性的測量(2)是一種無損傷測量；(3)磁光橢偏測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較 簡單，易于和其他實驗設(shè)備，特別是超真空系統(tǒng)相互兼容，實現(xiàn)原位檢測。由于磁光橢偏要求能夠達(dá)到單原子層磁性檢測的靈敏度，因此對于光源和檢測手 段提出了很高的要求。在現(xiàn)有的磁光橢偏測量設(shè)備中，主要存在入射角測量不精確，導(dǎo)致磁 光耦合系數(shù)產(chǎn)生較大誤差的問題。在雜志 Applied Physics Letter 上發(fā)表的 Generalized magneto-optical ellipsometry 一文(Author :A. Berger, M. R. Pufall, Vol. 71，No. 7，18 August 1997)就是 利用磁光橢偏測得200nm厚的坡莫合金薄膜的復(fù)折射率N和復(fù)磁光耦合系數(shù)Q，此文中激光 入射角為45°，當(dāng)入射角變化1°時，磁光耦合系數(shù)將會產(chǎn)生8. 09%的誤差，嚴(yán)重影響測量 精度，從而可以看出準(zhǔn)確測量出入射角對于磁光耦合系數(shù)的測量具有重要的影響。但由于 電磁鐵的磁極間隙較小，所以入射角一直很難精確測量，在此專利中我們將分光計進行改 造并引入測量光路中，從而很好的解決了這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷與不足，本發(fā)明提出了一種磁光橢偏測量裝置及測 量方法。該方法具有操作簡單、入射角測量準(zhǔn)確等特點。本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實現(xiàn)的，一種磁光橢偏測量裝置，由電源、激光光源、光路系統(tǒng)、電磁鐵、PC機組成，其特征 在于光路系統(tǒng)由衰減片，光闌、起偏器、分光計、檢偏器、光闌、CCD組成，光路系統(tǒng)位于激光 光源之后，依激光光源傳送次序先后排列為衰減片、光闌、起偏器、分光計、檢偏器、光闌、 (XD ；(XD的輸出端連接到PC機上，以觀察記錄并計算測量結(jié)果。一種利用上述裝置進行磁光橢偏測量的方法，步驟如下①將測量裝置接通電源，給CCD供電，點亮激光光源及PC機，打開電磁鐵電源；②將分光計置于電磁鐵的兩個磁極中間，并使得分光計上的樣品臺位于磁場中心 位置；③將樣品固定在樣品臺上，調(diào)整樣品使其在水平方向上轉(zhuǎn)動，使得樣品表面與磁 場方向平行或者垂直(當(dāng)樣品表面與磁場方向平行時，可進行縱向磁光橢偏的測試；垂直時為極向磁光橢偏檢測)；④調(diào)節(jié)激光光源后面放置的衰減片、光闌、起偏器的位置，使得激光從分光計的一 平行光管入射到樣品表面上，激光經(jīng)反射后沿另一平行光管射出，然后將平行光管固定，記 錄此時分光計旋轉(zhuǎn)刻度盤上的角度約左、釣右；⑤調(diào)節(jié)光闌的位置，轉(zhuǎn)動光闌，是入射到樣品表面的激光光斑最?。徽{(diào)整檢偏器后 面放置的光闌的位置與孔徑大小，使得CCD接收的光斑強度呈現(xiàn)高斯分布；⑥轉(zhuǎn)動檢偏器，調(diào)節(jié)檢偏器的偏振角使得CCD接收的光強最大，并調(diào)節(jié)衰減片，避 免(XD發(fā)生飽和；⑦選定起偏器起偏角度為e工，檢偏器檢偏角度為e 2，記錄不加磁場時CCD接收的 激光光強I。；正向調(diào)節(jié)電磁鐵電流im，記錄此時的激光光強1+ ；反向調(diào)節(jié)電磁鐵電流至-im，
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記錄此時的激光光強1_，從而得到^~=、，并記錄、，02；⑧保持起偏器的起偏角度不變，旋轉(zhuǎn)檢偏器，增加檢偏角度02，重復(fù)步驟⑦， 其中檢偏角度9 2增加步長為5°，增加至不大于90°為止，從而得到一系列e” e2和與
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其相對應(yīng)的7數(shù)組；⑨將分光計的樣品臺取下，則激光將沿直線射出，保持入射光的平行光管位 置不變，松開分光計出射光平行光管的固定螺絲，將分光計出射光的平行光管的支 架拆下，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)刻度盤使得出射光平行光管與入射光平行光管成180°，然后固定 出射平行光管，記下此時分光計旋轉(zhuǎn)刻度盤上的讀數(shù)朽￡、約右則可以計算出入射角 ⑩將入射角起偏角、檢偏角92和測得的7輸入PC機，由PC機計算得到樣
品的磁光耦合系數(shù)Q與折射率N。步驟⑩中計算Q所用到的公式為
；
其中 系統(tǒng)的反射衰減矩陣為A =
為磁滯衰減反射矩陣元，
為非磁性反射系數(shù)，)表示取復(fù)數(shù)的實部，e” e2分別為起偏角與檢偏角喁為復(fù)折射 角；a，b，c表示磁場空間磁矩的單位矢量，a2+b2+c2 = 1，且對于極向磁光橢偏a = 0，b = 根據(jù)折射定律，樣品的折射率N為 其中〒=-iln(庫+—(，) +呼_瑰如表示復(fù)數(shù)的
虛數(shù)部分，e表示自然對數(shù)的底。本發(fā)明的特點如下(1)、光路中加入分光計可以精確測量入射角，由于分光計測量角的分辨率可以達(dá) 到0.01°，故測量精度高。(2)、通過對分光計改造，使其一平行光管可拆卸，避免了測量角度時需移動電磁 鐵的麻煩，使測量更加精確、方便。(3)、光路簡單實用，光路中所需的光學(xué)器件都是通用的光學(xué)器件，成本低。(4)、操作方便，無需移動電磁鐵就可進行材料縱向、極向磁光橢偏的測量。


圖1是本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、激光光源，2、衰減片，3、光闌，4、起偏器，5、分光計，6、電磁鐵，7、電磁鐵電 源，8、檢偏器，9、光闌，10、CCD，11、PC機。圖2是本發(fā)明測量裝置中分光計的結(jié)構(gòu)示意圖。其中12、樣品臺，13、平行光管，14、調(diào)節(jié)螺絲，15、支架，16、固定螺絲，17、旋轉(zhuǎn)刻度 盤，18、底座，19、電磁鐵。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。實施例1 (裝置實施例)一種磁光橢偏測量裝置，如圖1所示，由電源、激光光源1、光路系統(tǒng)、電磁鐵6、PC 機11組成，其特征在于光路系統(tǒng)由衰減片2，光闌3、起偏器4、分光計5、檢偏器8、光闌9、 (XD10組成，光路系統(tǒng)位于激光光源1之后，依激光光源1傳送次序先后排列為衰減片2、光 闌3、起偏器4、分光計5、檢偏器8、光闌9、(XD10 ；(XD10的輸出端連接到PC機11上，以觀 察記錄并計算測量結(jié)果。實施例2 (方法實施例)一種利用上述裝置進行磁光橢偏測量的方法，步驟如下①將測量裝置接通電源，給(XD10供電，點亮激光光源1及PC機11，打開電磁鐵電 源7 ；②將分光計5置于電磁鐵6的兩個磁極中間，并使得分光計5上的樣品臺12位于 磁場中心位置；③將樣品固定在樣品臺12上，調(diào)整樣品使其在水平方向上轉(zhuǎn)動，使得樣品表面與 磁場方向平行或者垂直(當(dāng)樣品表面與磁場方向平行時，可進行縱向磁光橢偏的測試；垂 直時為極向磁光橢偏檢測)；④調(diào)節(jié)激光光源1后面放置的衰減片2、光闌3、起偏器4的位置，使得激光從分光 計5的一平行光管入射到樣品表面上，激光經(jīng)反射后沿另一平行光管射出，然后將平行光 管固定，記錄此時分光計5旋轉(zhuǎn)刻度盤17上的角度夠左、釣右；⑤調(diào)節(jié)光闌3的位置，轉(zhuǎn)動光闌3，使入射到樣品表面的激光光斑最??；⑥調(diào)整檢偏器8后面放置的光闌9的位置與孔徑大小，使得(XD10接收的光斑強 度呈現(xiàn)高斯分布；轉(zhuǎn)動檢偏器8，調(diào)節(jié)檢偏器8的偏振角使得CCD10接收的光強最大，并調(diào) 節(jié)衰減片2，避免(XD10發(fā)生飽和；⑦選定起偏器4起偏角度為0”檢偏器8檢偏角度為02，記錄不加磁場時(XD10 接收的激光光強h ；正向調(diào)節(jié)電磁鐵電流Im，記錄此時的激光光強1+ ；反向調(diào)節(jié)電磁鐵電流
至-im，記錄此時的激光光強1_，從而得到f = +Iq ，并記錄e^ e2；⑧保持起偏器4的起偏角度不變，旋轉(zhuǎn)檢偏器8，增加其檢偏角度02，重復(fù)步 驟⑦，其中檢偏角度9 2增加步長為5°，增加至不大于90°為止，從而得到一系列e” e2
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和與其相對應(yīng)的y數(shù)組；⑨將分光計5的樣品臺12取下，則激光將沿直線射出，保持入射光的平行光管位 置不變，松開分光計5出射光平行光管的固定螺絲16將分光計5出射光的平行光管的支架 15拆下，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)刻度盤17使得出射光平行光管與入射光平行光管成180°，然后固定出 射平行光管，記下此時分光計5旋轉(zhuǎn)刻度盤17上的讀數(shù)約左、朽右則可以計算出入射角 ⑩將入射角 起偏角、檢偏角e2和測得的"r輸入PC機，由PC機計算得到樣
品的磁光耦合系數(shù)Q與折射率N。
權(quán)利要求
一種磁光橢偏測量裝置，由電源、激光光源、光路系統(tǒng)、電磁鐵、PC機組成，其特征在于光路系統(tǒng)由衰減片，光闌、起偏器、分光計、檢偏器、光闌、CCD組成，光路系統(tǒng)位于激光光源之后，依激光光源傳送次序先后排列為衰減片、光闌、起偏器、分光計、檢偏器、光闌、CCD；CCD的輸出端連接到PC機上，以觀察記錄并計算測量結(jié)果。
2.一種利用權(quán)利要求1所述裝置進行磁光橢偏測量的方法，步驟如下①將測量裝置接通電源，給CCD供電，點亮激光光源及PC機，打開電磁鐵電源；②將分光計置于電磁鐵的兩個磁極中間，并使得分光計上的樣品臺位于磁場中心位置；③將樣品固定在樣品臺上，調(diào)整樣品使其在水平方向上轉(zhuǎn)動，使得樣品表面與磁場方 向平行或者垂直(當(dāng)樣品表面與磁場方向平行時，可進行縱向磁光橢偏的測試；垂直時為 極向磁光橢偏檢測)；④調(diào)節(jié)激光光源后面放置的衰減片、光闌、起偏器的位置，使得激光從分光計的一平行 光管入射到樣品表面上，激光經(jīng)反射后沿另一平行光管射出，然后將平行光管固定，記錄此 時分光計旋轉(zhuǎn)刻度盤上的角度約左、鞏右 ’⑤調(diào)節(jié)光闌的位置，轉(zhuǎn)動光闌，是入射到樣品表面的激光光斑最小；調(diào)整檢偏器后面放 置的光闌的位置與孔徑大小，使得CCD接收的光斑強度呈現(xiàn)高斯分布；⑥轉(zhuǎn)動檢偏器，調(diào)節(jié)檢偏器的偏振角使得CCD接收的光強最大，并調(diào)節(jié)衰減片，避免 (XD發(fā)生飽和；⑦選定起偏器起偏角度為，檢偏器檢偏角度為02，記錄不加磁場時CCD接收的激光 光強Io ；正向調(diào)節(jié)電磁鐵電流Im，記錄此時的激光光強1+ ；反向調(diào)節(jié)電磁鐵電流至，記錄 此時的激光光強1_，從而得到t= r ，并記錄、，02；⑧保持起偏器的起偏角度9工不變，旋轉(zhuǎn)檢偏器，增加檢偏角度e2，重復(fù)步驟⑦，其中 檢偏角度02增加步長為5°，增加至不大于90°為止，從而得到一系列0” 92和與其相AI對應(yīng)的數(shù)組；⑨將分光計的樣品臺取下，則激光將沿直線射出，保持入射光的平行光管位置不變，松 開分光計出射光平行光管的固定螺絲，將分光計出射光的平行光管的支架拆下，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn) 刻度盤使得出射光平行光管與入射光平行光管成180°，然后固定出射平行光管，記下此時分光計旋轉(zhuǎn)刻度盤上的讀數(shù)m則可以計算出入射角 ⑩將入射角％起偏角e、檢偏角e 2和測得的^ 輸入pc機，由PC機計算得到樣品的 磁光耦合系數(shù)Q與折射率N。
全文摘要
一種磁光橢偏測量裝置及測量方法，屬磁性材料的磁光測量技術(shù)領(lǐng)域，裝置由電源、激光光源、光路系統(tǒng)、電磁鐵、PC機組成，利用上述裝置可進行磁光橢偏的測量。本發(fā)明的特點如下(1)光路中加入分光計可以精確測量入射角，由于分光計測量角的分辨率可以達(dá)到0.01°，故測量精度高。(2)通過對分光計改造，使其一平行光管可拆卸，避免了測量角度時需移動電磁鐵的麻煩，使測量更加精確、方便。(3)光路簡單實用，光路中所需的光學(xué)器件都是通用的光學(xué)器件，成本低。(4)操作方便，無需移動電磁鐵就可進行材料縱向、極向磁光橢偏的測量。
文檔編號G01N21/01GK101865827SQ20101019789
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者吳仕梁, 宋平, 李萍, 王曉, 薛其坤, 連潔, 馬崢, 高尚 申請人:山東大學(xué)