[科普中国]-克尔旋转角

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θK，即椭圆长轴和参考轴间的夹角。

原理

图1所给出的光路中，选取入射光为电场矢量E平行于入射面的P偏振光，该偏振光被磁场中的材料表面进行反射，反射光的Ep一般远大于垂直于E的电场分量Es。在饱和状态下的克尔旋转角公式如下图所示。

将所测量的偏振夹角及正负状态下光强差代入到克尔旋转角的计算公式，可以得到克尔旋转角。1

实验1845年，MichaelFaraday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，因而实验结果不能使人信服。1877年JohnKerr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-opticKerreffect)。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(surfacemagneto-opticKerreffect)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。

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。国际上通用的SMOKE测量装置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可用聚焦到1mm以下，这意味着SMOKE可以进行局域磁性的测量。这一点是其他磁性测量手段诸如振动样品磁强计和铁磁共振所无法比拟的。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。有人已经实现同一块样品上按生长时间不同而制备出厚度不等的锲形磁性薄膜。这样从一块样品上就能够得到磁学性质随薄膜厚度变化的信息，可以大大提高实验效率。无疑，SMOKE的这种局域测量的特点使它成为研究这类不均匀样品的最好工具。

4．相对于其他的磁性测量手段，SMOKE系统的结构比较简单，易于和别的实验设备（特别是超高真空系统）相互兼容。这一点有助于提高它的功能并扩展其研究领域。我们试制的表面磁光克尔效应实验系统可以和超高真空系统相连，所以既可以完成磁性薄膜在大气中的SMOKE测量，也可以完成在超高真空中的SMOKE测量实验。

由于SMOKE能够达到单原子层磁性检测的灵敏度，即相当于能够测量到小于千分之一度的克尔旋转角。因此，对于光源和检测手段提出了很高的要求。国际上比较常见的是用功率输出很稳定的偏振激光器。Bader等人采用的高稳定度偏振激光器，其稳定度小于0.1%。也有用Wollaston棱镜分光的方法，降低对激光功率稳定度的要求。Chappert等人的方案是将从样品出射的光经过Wollaston棱镜分为s和p偏振光，再通过测量它们的比值来消除光强不稳定所造成的影响。但是这种方法的背景信号非常大，对探测器以及后级放大器的要求很高。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所