表面磁光克尔效应 2

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深 圳 大 学 实 验 报 告

课程名称： 近代物理实验 实验名称： 表面磁光克尔效应 学院： 物理科学与技术学院 组号 指导教师： 报告人： 学号：

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一 实验目的 1、测出磁性样品的磁滞回线。 2、克尔旋转角和磁性样品的磁化强度的关系。 二 实验原理 （1）光学原理：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。反射光线的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，这种效应叫做磁光克尔效应。 磁光克尔效应包括三种情况： 1．极向克尔效应：磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。 2．纵向克尔效应：磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。 3．横向克尔效应：磁化方向在样品膜面内，并且垂至于入射面。 （2）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Kθ，如图1所示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Kε，即椭圆长短轴之比。 （3）原理图： 三 选用仪器 SMOKE测量系统 偏振器配置原因：两个偏振棱镜的设置状态主要是为了区分正负克尔旋转角。 四 实验内容及具体步骤 1．仪器连接 1) 将SMOKE光功率计控制主机前面板上激光器“DC3V”输出通过音频线与半导体激光器相连，将光电接收器与SMOKE光功率计控制主机后面板的“光路输入”相连，注意连接线一端为三通道音频插头接光电接收器，另外一端为绿、黄、黑三色标志插头与对应颜色的插座相连。 2) 将SMOKE克尔信号控制主机后面板上“控制输出”和“换向输出”分别与SMOKE磁铁电源控制主机后面板上“控制输入”和“换向输入”用五芯航空线相连。 3) 将SMOKE磁铁电源控制主机后面板上的电流输出与电磁铁相连，“20V40V”波段开关拨至“20V” 4) 接通三个控制主机的220V电源，开机预热20分钟。 2．样品放置 本仪器可以测量磁性样品，如铁、钴、镍及其合金。实验时将样品做成长条状，即易磁轴与长边方向一致。将实验样品用双面胶固定在样品架上，并把样品架安放在磁铁固定架中心的孔内。这样可以实现样品水平方向的转动，以及实现极克尔效应和纵向克尔效应的转换。在磁铁固定架的一端有一个手柄，当放置好样品时，可以旋紧螺丝。这样可以固定样品架，防止加磁场时，样品位置有轻微的变化，影响克尔信号的检测。 3. 光路调整 1）在入射光光路中，可以依次放置激光器、可调光阑、起偏棱镜，调节激光器前端的小镜头，使打在样品上的激光斑越小越好，并调节起偏棱镜使其起偏方向与水平方向一致，这样能使入射线偏振光为p光。另外通过旋转可调光阑的转盘，使入射激光斑直径最小。 2）在反射接收光路中，可以依次放置可调光阑、检偏棱镜、双凸透镜和光电检测装置。因为样品表面平整度的影响，所以反射光光束发散角已经远远大于入射光束，调节小孔光阑，使反射光能够顺利进入检偏棱镜。在检偏棱镜后，放置一个长焦距双凸透镜，该透镜作用是使检偏棱镜出来的光汇聚，以利于后面光电转换装置测量到较强的信号。光电转换装置前部是一个可调光阑，光阑后装有一个波长为650nm的干涉滤色片。这样可以减小外界杂散光的影响，从而提高检测灵敏度。滤色片后有硅光电池，将光信号转换成电信号并通过屏蔽线送入控制主机中。 3）起偏棱镜和检偏棱镜同为格兰－汤普逊棱镜，机械调节结构也相同。它由角度粗调结构和螺旋测角结构组成，并且两种结构合理结合，通过转动外转盘，可以粗调棱镜偏振方向，分辨率为1，并且外转盘可以360转动。当需要微调时，可以转动转盘侧面的螺旋测微头，这时整个转盘带动棱镜转动，实现由测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。因为测微头精度为0.01mm，这样通过外转盘的定标，就可以实现角度的精密测量。通过检测，这种角度测量精度可以达到2分左右，因为每个转盘有加工误差，所以具体转动测量精度须通过定标测量得到。 4）实验时，通过调节起偏棱镜使入射光为p光，即偏振面平行于入射面。接着设置检偏棱镜，首先粗调转盘，使反射光与入射光正交，这时光电检测信号最小（在信号检测主机上电压表可以读出），然后转动螺旋测微头，设置检偏棱镜偏离消光位置1－2（具体解释见原理部分）。然后调节信号SMOKE光功率计控制主机上的光路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上“光路电平”以及“光路幅度”电位器，使输出信号幅度在1.25V左右。 5）调节节信号SMOKE光功率计控制主机上的磁路增益调节电位器和SMOKE克尔信号控制主机上“磁路电平”电位器，使磁路信号大小为1.25V左右。 4．实验操作 1）将SMOKE励磁电源控制主机上的“手动－自动”转换开关指向手动档，调节“电流调节”电 oo oo位器，选择合适的最大扫描电流。因为每种样品的矫顽力不同，所以最大扫描电流也不同，实验时可以首先大致选择，观察扫描波形，然后再细调。通过观察励磁电源主机上的电流指示，选择好合适的最大扫描电流，然后将转换开关调至“自动”档。 2）打开“表面磁光克尔效应实验软件”，在保证通讯正常的情况下，设置好“扫描周期”和“扫描次数”，进行磁滞回线的自动扫描。也可以将励磁电源主机上的“手动－自动”转换开关指向手动档，进行手动测量，然后描点作图。 3）如果需要检测克尔椭偏率时，按照图7的光路图，在检偏棱镜前放置四分之一波片，并调节四分之一波片的主轴平行于入射面，调整好光路后进行自动扫描或者手动测量，这样就可以检测克尔椭偏率随磁场变化的曲线。(不断地正向或反向缓慢改变磁场，观察磁化曲线。（当两个偏振方向之间有一个小角度时，通过偏振棱镜2的光线有一个本底光强。反射光偏振面旋转方向同向时光强增大，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。）) 偏振器件配置： 【注意事项】 1．激光器不可以直接入射人的眼睛，以免造成伤害。 2．实验样品为磁性薄膜，如铁、鈷、镍或者其合金。 3．实验时应该尽量避免外界自然光的影响，如有条件，尽量在暗室内完成，以获得最好的实验效果。 4．因为SMOKE检测的信号非常小，实验应该尽量避免外界振动的影响。

五、数据处理

5.1、纵向克尔效应：

图1、纵向实验图

纵向克尔效应是指磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。因此信号的强度会随光的入射角的减小而减少。当信号垂直入射时强度为零。当样品被纵向磁化时，当外部磁场增强，原本不带磁的样品上的磁场强度也随着增强，则接受的信号会越强。而当外部磁场消失，样品上的磁场也不会消失，而接受的信号强度会一直保持在最大值。直到外部加上一个反向磁场时，样品上带的磁场才会消失，而此时的信号会减少到初始状态。

由实验中得出，当磁性样品的磁性增大时，会出现克尔旋转角，从而使激光再次打入探测仪。因而出现了能量的变化。图1为测得的信号，虽变化不明显，但是基本上与理论相符。

5.2、极向克尔效应：

图2极向实验图

图3、极向克尔效应理想图

极向克尔效应是指磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。极向克尔信号的变化与纵向相反，其强度随光的入射角的减小而增大，若信号垂直入射则其强度最大。样品上的磁场大小随外加磁场的变化而变化。当外加磁场增大时，样品被磁化并其磁场强度增大。而外加磁场消失样品上的磁场也消失了。 图3为极向克尔效应的理想图，而图2为实验图。从图2发现接受的信号强度随着外加磁场的增大而减小，与理论相反。极向克尔信号极弱，在调整电路时除了问题，没有找准消光点，而是光强最大点，导致在实验中当磁性样品的磁性增大时，会出现克尔旋转角，信号强度反而减小。

六、实验结论

本次实验的操作较为困难，主要是调节仪器光路，不仅需严格的按照光路调节的步骤进行，并且还要非常的仔细，否则会造成信号的衰减。老师教我们一个小的技巧，就是拿一张白纸来判断激光是否对准各个仪器的中心。一开始我们在调节仪器光路时很粗心，各个仪器之间没有保持平行，而激光没有对准仪器中心，虽然光线有透过仪器，但那个光线是由仪器内部反射出来的，结果接受的信号及其不精确。随后从新调整了仪器光路，效果不错，完成了纵向克尔效应，虽然不明显。而极向克尔效应没有完成，一个是仪器光路没调好，没找到消光点。另一个是机器误差造成的。实验基本上算是顺利完成了。

七、思考题

1、如何判断是哪种克尔效应？

答：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0°入射角时（垂直入射）达到最大；纵向克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减小，在0°入射角时为零；横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。

2、如何判断正负克尔效应？正负克尔效应的产生与什么因素有关？

答：反射光光强直接增大为正克尔效应，反射光光强减小为负克尔效应。正负克尔效应的产生与与样品上所带的磁场有关。

3、实验中所使用的材料是哪种磁性材料？

在极向磁化时，样品上的磁场随外加磁场变化而变化等效，样品表现出顺磁性；在纵向极化时则表现出矩磁性。