磁光克尔效应研究
磁光克尔效应研究
摘要当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。
关键词磁光克尔效应磁光特性表面磁光克尔效应
一、引言
1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)[]1。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。
二、光学中的磁光克尔效应
当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，透射光线的偏振面与入射
θ)[]2。反射光线的光的偏振面相比有一转角，这个转角被称作磁光法拉第转角(
F
偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角θ)，这种效应叫做磁光克尔效应。
(
K
磁光克尔效应包括三种情况[]3：(1)纵向磁光克尔效应，即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应；(2)极向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应；(3)横向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。
三、磁光克尔测量技术
(一)工作原理
当一束线偏振光入射到不透明的样品表面时，如果样品室各向异性的，反射光将变成椭圆偏振光，并且偏振方向与入射光的偏振方向相比会发生一定角度的偏转。如果此时样品还处于铁磁状态，铁磁性还会导致反射光偏振面相对于入射
θ，如图1所示光的偏振面额外转过一个小的角度，此角即为磁光克尔旋转角
K
即椭圆长轴和参考轴之间的夹角。一般而言，由于样品对P偏振光和S偏振光的的吸收率不同，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也要发生变化，而样
ε，即品的铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率
K
椭圆长短轴之比。
(二)发展过程
1963年福勒(Fowler)等人首次利用极向磁光克尔效应成功的观察到不透明
立方铁氧体3YFeO 和3
HoFeO 中的磁畴[]4，同时也测量了垂直入射时这两种材料的极向磁光克尔效应，所用的装置如图2[]4所示。测试精度在0.1'之内。
图2 福勒极向克尔效应测量
在上述设备的基础上，1955年贝尔实验室的洪(Wun)[]4用极头中间打孔的电磁铁代替图2中的线圈，费尔得常熟比蒸馏水更大的偏磷酸盐玻璃做法拉第元件，用光斩波器和锁定放大器来提高信噪比，测定了三溴化铬(3CrBr )的克尔转角.
1981年，沈德芳用极向克尔回线翻转的办法研究了Cd-Co 和Cd-Fe 无定形
薄膜的退火对补偿温度的影响[]5。所用的装置如图3[]5所示。加在X-Y 记录仪X 方向的讯号是与样品磁场成正比的霍尔电压，Y 方向的讯号是与样品垂直方向的磁化强度以及极向克尔效应成比例的差分放大器的输出。因此连续改变磁场的大小和方向就可以画出一个磁滞回线。根据回线的有无和大小可以迅速而方便的检查样品的均匀性和克尔效应的大小。
O. 光源
L. 准直透镜
I. 可变光阑
F. 干涉滤波器
P. 福斯特型起偏棱镜
C. 法拉第补偿元件
S. 磁化线圈中的样品
G . 格兰—汤姆逊后置检偏器
PT.光电倍增管
图3 极向克尔回线测试系统
1983年，柯纳尔(Connell)借用史密斯(Smith)1969年的工作[]6，用椭偏仪测
量了钛铁合金的磁光常数。方法是先测量椭偏常数Δ和Ψ，在通过迭代计算得到克尔旋转角和椭偏率，据称这一方法的测量精度较高，旋转角和椭偏率的相对测量精度达 005.0。他还用这些测量结果推算出介电张量的对角元和非对角元。
现在已经发展了多种测量磁光克尔效应的方法，如磁光调制法[]9,8,7、旋转检
偏器的位相偏移测定法[]11,10和消光法[]12。
(1) 磁光调制法，
早期测量中应用较多的是磁光调制法[]9,8,7，实验装置如图4[]9所示。在频率
为ω的外加交变磁场或电场的驱动下入射电场的偏振面发生微小的调制变化。最终分析从检偏器出来并被检测的光电信号中的交流成分可得到要测量的克尔角k θ。测量装置中采用调制锁相技术，因此可获得较高的性噪比。但是要通过调节检偏器的方位角使信号幅度最大来确定克尔旋转角，带来一定的测量误差和不便。高次频信号的存在使波形偏离正弦或余弦变化规律，给波形的判断带来困难。同时调制器的品质因数和使用条件不同也会影响数据的稳定性。这种方法多用于单波长和单参数克尔角的测量。
图4磁光调制测量装置示意图
A. 检偏器
B. 光束分裂器
D. 光电检测器 P. 起偏器
DA.差分放大器 M. 反射镜
L .He-Ne 激光器 S. 样品
V. 真空泵 EM.电磁铁
Ha.霍尔元件 R .X-Y 记录仪
PS.直流电源 T. 热电偶
FC.磁场控制器
H. 插入加热器获加液氮的孔
1.激光器；
2.光阑；
3.起偏器；
4.调制元件；
5.调制信号源；
6.调制线圈；
7.样品；
8.磁场；
9.检偏器；10.测角仪；
11.光电探测器和信号放大器；
12..示波器；
(2) 旋转检偏器的位相偏移测定法
旋转检偏器的方法是通过测量检偏器的方位角在不同位置时光信号强度的
变化来求得磁光克尔转角和椭偏率吗，实验装置如图5[]2所示。此方法实验图像清楚，所用光学元件少，避免了某些场合使用特种光学元件所引起的间接测量误差，光谱测量的范围较宽，系统可以自行定标，是一种磁光效应的绝对测量方法，特别适用于材料磁光效应光谱特性的研究。整个系统易于实现自动化操作，使测量过程更加简单，数据的密度和质量也得到相应的提高。此装置对一般的磁光样品，绝对测量的准确率可达到[]
201.0 。
图5旋转检偏器的实验装置示意图
(3) 消光法
1996年，朱伟荣对Bader []14,13和Chappert 等人[]15的方案做了修改，提出了
一种新的SMOKE 系统[]16，图6为系统的光路示意图[]16。在偏振镜后面加一分光镜，将光束一分为二，参考光束直接直接送入探测器1，信号光束经过样品和偏振镜2后送入探测器2。通过测量信号光束和参开光束的比值来消除激光器光强
和偏振面不稳定造成的影响。系统的灵敏度可达 0001.0～ 0002.0。
图6 SMOKE 系统光路图
1. 石英光纤；
2. 准直镜；
3. 光阑；
4. 起偏器；
5、6. 反光镜；
7. 样品；
8. 熔石英1/4波长器
9. 步进电机；
10.检偏器；
11.防震光学平台
（三）新方法的探索
自1985年以来，相继出现了多种SMOKE实验方法，由于SMOKE要求能够达到单原子层厚度磁性检测的灵敏度，因此对光源和检测手段提出了很高的要求。目前国际常用的是输出功率稳定的偏振激光器作为光源。如Bader等人[]14,13采用稳定度小于0.1%的偏振激光器。Chappert等人[]15用Wollaston棱镜分光的方法，将样品反射的光经过Wollaston棱镜分为I偏振光和P偏振光，通过测量两束光的比值来消除光强不稳定造成的影响。此方法的背景信号非常大，对探测器和后极放大器提出更高的要求。也有人采用普通的氦氖激光器[]16，在起偏器后加一分光镜，将光束分为信号光和参考光两束。通过测量两者的比值消除激光器光强和偏振面不稳定造成的影响。
通过对前人测试方法的改进，刘平安等[]17人给出了一种新型SMOKE测量系统。采用更为普通的半导体激光器作为光源，用常见的硅光电池进行克尔信息的采集，同样成功的测得了磁滞回线。且整个装置又较高的检测灵敏度，实验装置系统如图7[]所示.这一系统在一些科研机构和大学近代物理实验室使用后均取得良好的实验效果。
图7 SMOKE系统简图
复旦大学学生刘方泽、黄鑫尝试利用纵向磁光克尔效应(LOMKE)[]18与旋转磁场结合的方法(ROTMOKE)[]19定量测量Co/IrMn双层膜中的交换偏置各向异性。通过与LMOKE[]18测量结果的比较，表明通过此方法不容易得到准确地交换偏置各向异性常数。但是作为一种快捷的研究磁性薄膜性质的方法，如何实现用ROTMOK[]19研究材料的交换偏置各向异性是一个值得研究的方向和值得探索的问题。
四、优势
数个原子层所构成的超级薄膜和多层膜的表面磁性，是当今凝聚态物理领域研究的一大热点。作为一种有效的超薄膜表面磁性测量的实验手段，表面磁光克尔效应(SMOKE)谱正受到广泛的关注和越来越多的重视。已被广泛应用于磁有
序，磁各向异性和刺进耦合等问题的研究[]20。与其他磁性测量手段相比，SMOKE
具有以下四点优势。
1.SMKOE测量的灵敏度高。国际上现在通用的SOMKE测量装置的测量灵
敏度可以达到亚单原子层的磁性。这一点使得SMOKE在超薄膜磁性的研究中有着重要的地位。
2.SMOKE测量是无损伤测量。SMOKE测量技术用的“探针”是激光束，测量过程不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的试验样品，这一点非常重要。
3.SMOKE测量得到的信息来源于介质上光斑照射的区域，激光光束的光斑可以聚焦到1mm以下，所以SMOKE可以进行局域磁性的测量。这是其他磁性测量手段如震动样品磁强计和铁磁共振所无法比拟的。SMKOE的这一特点使它成为研究不均匀楔形磁性薄膜样品的最好工具。
4.SMOKE测量系统的结构简单，易于与其他的实验设备(特别是超高真空系统)相互兼容，易实现自动化操作。有助于提高它功能并扩展其研究领域。
五、总结
从发现磁光克尔效应到现在，磁光克尔法作为一种测量材料磁性特别是超薄膜磁性材料物性的有效方法，已成为表面刺血研究的重要手段，被广泛应用于磁有序、磁各向异性、磁畴结构[]21、多层膜层间耦合和磁性超薄膜像变行为等问题的研究。为获得理想的和可供实用的高性能磁光器件，对磁光材料做细致深入的光谱学特性的测量研究和分析具有基础和应用上的双重意义，无疑磁光克尔效应是首选地测量手段。如何改进当前的测量方法，开发新的磁光克尔效应测量方法，以简便快捷的进行样品磁光特性的测量，并提高测量的精度，是此领域当前和以后的主要研究方向。
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磁光材料简介
磁光材料的研究现状 1.综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 1.1法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，<0；反之，偏振面左旋，>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（）材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。 1.2磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 1 / 8
应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。 1.3塞曼效应 塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。 塞曼效应证明了原子具有磁矩，而且磁矩的空间取向量子化。塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子，还可分析物质的元素组成。 1.4磁致线双折射效应 磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时，表现出单轴晶体的性质，光线入射能产生两条折射线。在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应，反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应[2]. 磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构，研究单原子层磁性的微弱变化等2.研究现状 本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究，并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。个人评价用加粗字体给出。 2.1利用法拉第效应进行焊接检测[3] 根据法拉第效应，偏振光通过磁场中的介质后，偏振面转过一定角度，通过偏振角一定的偏振片后，就会表现为不同的亮度。工作时，将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。 2 / 8
磁光材料简介
磁光材料的研究现状 1. 综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 6 f = VBd| 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，|e t <0；反之，偏振面左旋，阡>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（￥才忧0口，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（R材料是常见的法拉第效应磁光材料 ［1］。 磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角戸。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，° k随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁 畴分布。 塞曼效应
FD-SMOKE-A型 表面磁光克尔效应实验系统实验讲义(060325)
实验指导参考 TEACHER'S GUIDE FD-SMOKE-A 表面磁光克尔效应实验系统 中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.
FD-SMOKE-A型表面磁光克尔效应实验系统 一、简介 1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转，随后他加磁场于金属表面上做光反射的实验，但由于金属表面并不够平整，因而实验結果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader两位学者进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并且提出了以SMOKE来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法的磁性测量灵敏度可以达到一个原子层厚度，并且仪器可以配臵于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物理领域中的一个极其重要的研究热点。而表面磁光克尔效应（SMOKE）谱作为一种非常重要的超薄膜磁性原位测量的实验手段，正受到越来越多的重视。并且已经被广泛用于磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究。和其他的磁性测量手段相比较，SMOKE 具有以下四个优点： 1．SMOKE的测量灵敏度极高。国际上现在通用的SMOKE测量装臵其探测灵敏度可以达到亚单原子层的磁性。这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着重要的地位。 2．SMOKE测量是一种无损伤测量。由于探测用的“探针”是激光束，因此不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利。 3．SMOKE测量到的信息来源于介质上的光斑照射的区域。由于激光光束的束斑
磁光效应及其应用_周静
１７卷５期（总１０１期） １９世纪中至２０世纪初是科学发现的黄金时 期，各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出，若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现，但至２０世纪６０年代末，对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来，当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。 一、磁光效应（Ｍａｇｎｅｔｉｃ－ｏｐｔｉｃａｌＥｆｆｅｃｔ）磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。１８４５年，英国物理学家法拉第（Ｆａｒａｄａｙ）发现，入射光线在被磁化的玻璃中传播时，其偏振面会发生旋转，这是物理学史上第一次发现的磁光效应，称之为法拉第效应。受法拉第效应的启发，１８７６年克尔（Ｋｅｒｒ）又发现了光在磁化介质表面反射时偏振面旋转的现象，即磁光克尔效应。随之在八九十年代又发现了塞曼效应和磁致线双折射效应。 法拉第效应当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，这一效应最早由法拉第发现，通常又称为法拉第旋转效应。如图１所示，假设有一圆柱形磁光介质，沿着轴线方向外加一稳恒磁场Ｈ（此磁场值处在法拉第旋转器件的工作区内）。在这种情况下，将发生法拉第旋转效应，光波的偏振面绕传输轴连续右旋（相对于Ｈ而言），直至磁光介质的终端，偏振面右旋了某一角度!。 法拉第效应可分为右旋和左旋两种：当线偏振光沿着磁场方向传播时，振动面向左旋；当光束逆着磁场方向传播时，振动面将向右旋。 磁光克尔效应磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而以椭圆的长轴为标志的“ 偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为克尔转角，记作"ｋ，如图２所示。 按照磁化强度取向磁光克尔效应又大致分为三种情况：（１）极向克尔效应，即磁化强度Ｍ与介质表面垂直时的克尔效应；（２）横向克尔效应，即Ｍ与介质表面平行，但垂直于光的入射面时的克尔效应；（３）纵向克尔效应，即Ｍ既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应。在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。 塞曼效应１８８６年，塞曼（Ｚｅｅｍａｎ）发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂为几条具有完全偏振态的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。 塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化，从塞曼效应的实验结果可以推断能级分裂的情况，根据光谱线分裂的数目可以知道量子数 Ｊ的数值，根据光谱线分裂的间隔可以测量ｇ因子 的数值，因此，塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。 磁致线双折射效应磁致线双折射在磁光晶体 的光学研究中也会经常遇到。构成介质的分子有各 磁光效应及其应用 周静 王选章 谢文广 图１法拉第效应 图２ 克尔效应 ?４５ ?
磁光克尔效应研究
磁光克尔效应研究 摘要当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。 关键词磁光克尔效应磁光特性表面磁光克尔效应 一、引言 1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)[]1。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 二、光学中的磁光克尔效应 当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，透射光线的偏振面与入射 θ)[]2。反射光线的光的偏振面相比有一转角，这个转角被称作磁光法拉第转角( F 偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角θ)，这种效应叫做磁光克尔效应。 ( K 磁光克尔效应包括三种情况[]3：(1)纵向磁光克尔效应，即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应；(2)极向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应；(3)横向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。 三、磁光克尔测量技术 (一)工作原理 当一束线偏振光入射到不透明的样品表面时，如果样品室各向异性的，反射光将变成椭圆偏振光，并且偏振方向与入射光的偏振方向相比会发生一定角度的偏转。如果此时样品还处于铁磁状态，铁磁性还会导致反射光偏振面相对于入射 θ，如图1所示光的偏振面额外转过一个小的角度，此角即为磁光克尔旋转角 K 即椭圆长轴和参考轴之间的夹角。一般而言，由于样品对P偏振光和S偏振光的的吸收率不同，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也要发生变化，而样 ε，即品的铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率 K
磁光克尔效应研究.
磁光克尔效应研究 摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。 关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应 1.引言 1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 2.磁光克尔效应 图1 克尔效应示意图 一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时，反射光将是一束椭圆偏振光，而且偏振方向将发生产生旋转。相对于入射的线偏振光（以椭圆的长轴为标志）
表面磁光克尔效应
表面磁光克尔效应 （物教101林晗） 摘要 克尔磁光效应：入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，1876年由J.克尔发现。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴（见磁介质、铁磁性）。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。 利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线，确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。研究铁磁（FM)/反铁磁（AFM)双层膜的交换偏置（Exange bias）现象。 关键词：偏振光；振动面；磁畴
目录 摘要 (1) 序论 (3) 1表面磁光克尔效应原理 (3) 1．1 表面磁光克尔效应 (4) 1.2 交换偏置 (4) 2三种克尔效应分析 (4) 2.1极向克尔效应 (5) 2．2纵向克尔效应 (5) 2.3横向克尔效应 (5) 3实验光路图 (5) 3.1光路图的连接 (5) 3.2光路图的特点 (6) 4克尔信号分析 (7) 4.1磁滞回线原理 (7) 4.2磁化原理 (8) 5表面克尔磁光效应的实际应用 (8) 5.1磁性材料的开发 (9) 5.2提高器件的速率． (9) 结语 (9) 参考文献 (9) 附件一 (10)
序论 磁光效应指的是光与处于磁化状态的物质之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括克尔磁光效应、科顿-穆顿效应(磁双折射效应)和塞曼效应、法拉第效应等。物质的磁化都是这些效应起源的重要条件,这些效应反映了物质磁性与光间的联系。这些都被广泛用于探索研究与技术相关的磁材料。 目前研究和应用最广泛的磁光效应为法拉第效应和克尔效应。1845年,英国物理学家法拉第首次发现了线偏振光透过放置磁场中的物质,沿着磁场方向传播时,光的偏振面发生旋转的现象,后来被称为法拉第效应[1]。受到了法拉第效应的启示,1876年,克尔发现了线偏振光入射到磁化媒质表面反射时偏振面发生旋转的现象,即克尔效应[2]。直到1985年,Moog和Bader两位学者提出用SMOKE 来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerreffect)的缩写,以此表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究,成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,开启了超薄磁性物质与界面磁性材料研究的大门 1表面磁光克尔效应原理 克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。 1．1 表面磁光克尔效应
表面磁光科尔效应
表面磁光克尔效应(SMOKE) 一、磁光效应简介 1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，即当外加磁场在玻璃样品上时，透射光的偏极面发生旋转的效应（法拉第效应）；随后他在外加磁场之金属表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从拋光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光科尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader两位学者研究了生长在Au单晶(100)面上的Fe单晶超薄膜的磁光克尔效应测量实验，成功地得到一个原子层厚度磁性物质的磁滞曲线，并且提出了以SMOKE来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示磁光克尔效应在表面磁学上的研究。这是SMOKE首次被用于研究在Au（0 0 1）表面外延生长的Fe超薄膜的磁学性质。由于SMOKE所表现出的亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系统结合的特点，使它在近些年已经发展成为一种重要的和常规的研究薄膜磁学性质的技术。它被广泛应用于研究表面超薄膜的磁有序、磁性相变、磁各向异性，以及层间耦合等多种磁学现象。同时SMOKE 在商业上还被应用于商用高密度的磁光存储技术。 SMOKE的优点： 和别的磁性测量手段相比，SMOKE具有四个优点： 1) SMOKE的灵敏度极高。国际上现在通用的SMOKE测量装置其探测灵敏度可以达到亚原子层的磁性，这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着重要地位。 2) SMOKE测量是一种无损伤测量。探测用的“探针”是可见光束，因此不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利。 3) SMOKE 可以测量局域磁性。由于SMOKE测量到的信息来源于被测介质上的光斑照射点，这意味着SMOKE可以对样品上最小的光斑尺寸范围作局域磁性测量。这一点是其它磁性测量手段，诸如振动样品强度计、超导量子干涉磁强计、铁磁共振等无法比拟的。在磁性超薄膜的研究中，样品的制备是一个周期较长而代价昂贵的过程。人们曾经实现在同一块样品上根据生长时间不同制备出厚度不等的契型磁性薄膜，这样从一块样品上就能得到不同厚度样品的磁学信息，从而大大提高实验效率。无疑，SMOKE的局域测量特点使它成为研究这类不均匀样品的最好工具。 4) SMOKE系统的结构比较简单，易于实现样品原位制备和测量一体化。相对其它的磁性测量手段，SMOKE系统的结构比较简单，易于和别的实验设备诸如超高真空设备相连，这一点有助于提高它的功能并扩展其研究领域。 克尔效应（Kerr effect）的应用： 1.磁化行为测量（由纵向、横向和极向三种测量位形） 2.原位磁畴结构观测（用磁光克尔显微镜） 3.动态磁化过程 4.磁光存储器读头
克尔效应实验报告
近代物理实验报告 实验题目：表面磁光克尔效应班级： 学号： 学生姓名： 实验教师：
表面磁光克尔效应实验报告 一、实验目的 (1)了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法； (2)掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用。 二、实验装置 （1）光学减震台；（2）光路系统,包括入射光路与接收光路；（3）励磁电源主机和可程控电磁铁；（4）前级放大器和直流电源组合器（a.为激光器提供精密稳压电源；b.将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入系统控制装置中的信号检测装置中；c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置)；（5）信号检测主机；（6）控制系统和计算机。 三、实验原理 磁光效应有两种：法拉第效应和克尔效应，1845 年，Michael Faraday 首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态，这就是法拉第效应。1877 年，John Kerr 发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是克尔效应。克尔效应在表面磁学中的应用，即为表面磁光克尔效应（surface magneto-optic Kerr effect）。它是指铁磁性样品（如铁、钴、镍及其合金）的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响。当入射光为线偏振光时，样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化。表面磁光克尔效应作为一种探测薄膜磁性的技术始于1985 年。 图1 表面磁光克尔效应原理 如图 1 所示，当一束线偏振光入射到样品表面上时，如果样品是各向异性的，那么反射光的偏振方向会发生偏转。如果此时样品还处于铁磁状态，那么由于铁磁性，还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度，这个小角度称为克尔旋转角θk。同时，一般而言，由于样品对p光和s 光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也发生变化， 而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率εk由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化。 强度M的函数。通过探测θk或εk的变化可以推测出磁化强度M的变化。 按照磁场相对于入射面的配置状态不同，磁光克尔效应可以分为三种：极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。 图2 极向克尔效应 1．极向克尔效应：如图2 所示，磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。通常情况下，极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大，在入射角时（垂直入射）达到最大。
磁光效应
磁光效应 磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。下面我们将分别简要介绍各个不同的磁光效应 1.法拉第效应 1)发现： 1845年，法拉第发现:当一束平面偏振光通过 置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏 振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋 转。旋转的这个角度称之为法拉第旋转角， 偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的 长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。
2)实验原理 法拉第效应实验装 置如图所示。 由光源产生的复合 白光通过小型单色 仪后可以获得波长在360~800nm的单色光，经过起偏镜成为单色线偏振光，然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电，中间磁路有通光孔，保证人射光与磁场B方向一致。根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上，透过检偏器的光进入光电倍增管，由数显表显示光电流的大小，即出射光强的大小。根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出。 3)应用: 法拉第效应可以应用于测量仪器。例如，法拉第效应被用于测量旋光度、或光波的振幅调变、或磁场的遥感。在自旋电子学里，法拉第效应被用于研究半导体内部的电子自旋的极化。法拉第旋转器(Faraday rotator)可以用于光波的调幅，是光隔离器与光循环器(optical circulator)的基础组件，在光通讯与其它激光领域必备组件。具体应用如下: (1) 量糖计(自然旋光) (2) 磁光开关与磁光调制器(点调制与空间调制)
克尔效应
表面磁光克尔效应实验 1877年John Kerr 在观测偏振光通过抛光过的电磁铁磁极反射时，发现了偏振面旋转的现象,此 现象称磁光克尔效应。1985年Moog 和Bader 进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量,首次成功地测得了1 个原子层磁性薄膜的磁滞回线,并提议将该技术称为SMOKE ( surface magneto-optic Kerr effect) 从此这种探测薄膜磁性的先进技术开始在科研中得到大量的应用。 材料表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层不同材料膜磁性,是当今凝聚态物理领 域中的较为重要的研究热点。SMOKE 的磁性解析灵敏度达到1个原子层厚度,并可配置于超高真空系统 中进行超薄膜磁性的原位测量,从而成为表面磁学的重要研究方法,已被广泛应用于纳米磁性材料、 磁光器件、巨磁阻、磁传感器元件等磁参量测量。 现这一重要的前沿性技术已成为高校近代物理实 验中的重要研究性实验。 一 实验目的 二 实验原理 当线偏振光入射到不透明样品表面时,如果样品是各向异性的,反射光将变成椭圆偏振光且偏振 方向会发生偏转。而如果此时样品为铁磁状态,还会导致反射光偏振面相对于入射光的偏振面额外再 转过一小角度,这个小角度称为克尔旋转角 K θ,即椭圆长轴和参考轴间的夹角, 如图1所示。同时,一般而言, 由于样品对p 偏振光和s 偏振光的吸收率不同, 图1 表面磁光克尔效应原理图 即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而铁磁性会导致椭偏率有一附加的变化,这 个变化称为克尔椭偏率K ε,即椭圆长短轴之比。 按照磁场相对入射面的配置状态不同, 表面磁光克尔效应可以分为3种: a. 极向克尔效应,其磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面； b. 纵向克尔效应, 其磁化方向在样品膜面内,并且平行于入射面； c. 横向克尔效应,其磁化方向在样品膜面内,并且垂直于入射面。 对于磁性薄膜,通常纵向克尔效应较明显。 待测物的极向、纵向、横向克尔旋转角的强弱由其磁易向轴的方向决定。 以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE 系统。原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效 应。激光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光,然后从样品表面反射,经过检偏棱镜进入探 测器。检偏棱镜的偏振方向要与起偏棱镜设置成偏离消光位置很小的角度δ( 如图2 所示),这主要 是为了区分正负克尔旋转角。若检偏棱镜方向设置在消光位置,无论反射光偏振面是顺时针还是逆时 针旋转,反映在光强的变化上都是强度增大。这样就无法区分偏振面的正负旋转方向,也就无法判断 样品的磁化方向。 当2个偏振方向之间有小角度δ时,通过检偏棱镜的光线有本底光强0I 。反射光 偏振面旋转方向和δ同向时光强增大,反向时光强减小,这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来 区分。