[科普中国]-磁光克尔测量系统

磁光克尔测量系统是一种基于磁光效应原理设计的超高灵敏度磁强计，是研究磁性薄膜、磁性微结构的理想测量工具。旋转磁光克尔效应（RotMOKE）是在磁光克尔效应测量基础上的一种类似于转矩测量各向异性的实验方法，可以定量的得到样品的磁各向异性的值。但由于电磁铁磁场大小的限制，只适合于测量磁各向异性的易轴在膜面内而且矫顽场不太大的磁性薄膜材料。结合源表可以进行样品的磁输运性能测量。

RotMOKE具有以下特点：测量精度高、测量时间短；非接触式测量，是一种无损测量；测量范围为一个点，可以测量同一样品不同部位的磁化情况；可以产生平滑、稳定的受控磁场，并且磁场平滑过零。

测量原理磁光克尔效应概念将线偏振光（由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光所组成）入射于磁性材料反射后，由于左旋圆偏振光与右旋圆偏振光在样品中传播速率不同而产生相位差，再加上左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收程度不同而造成振幅不相同，经过样品反射后，转为椭圆偏振光的现象，称为磁光克尔效应。

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，即椭圆长轴和参考轴（原线偏振光）间的夹角。1

磁光克尔效应分类磁光克尔效应可分为三类：极化克尔效应、纵向克尔效应、横向克尔效应。.

极化克尔效应：磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面。通常情况下极向克尔效应的强度随入射角的减小而增大，在垂直入射时达到最大。

纵向克尔效应：磁化方向在样品膜内且平行于入射面。克尔信号的强度随入射角的减小而减小，垂直入射时为0。纵向克尔信号中克尔旋转角和克尔椭偏率都比极向克尔信号小一个数量级。从而纵向克尔信号的探测比极向难。但对于薄膜样品来说，易磁轴一般平行于样品表面，纵向配置下样品的磁化强度才容易达到饱和，因此纵向克尔效应对平面内的磁化相当敏感。

横向克尔效应：磁化方向在样品薄膜面内，且垂直于入射面。其反射光的偏振状态没有变化，因为这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。只有p偏振光（偏振方向平行于入射面）入射时才有一个很小的反射率的变化（一般来讲只造成长度的跳变，不会造成极化平面的旋转）。2

测量过程及测量参数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。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。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。2

样品放置在磁场中，当外加磁场改变样品磁化强度时，反射光的偏振状态发生改变。通过检偏棱镜的光强也发生变化。在一阶近似下光强的变化和被测材料磁感应强度呈线性关系，探测器探测到光强的变化就可以推测出样品的磁化状态和磁性参量。

假设入射光为p偏振光，其电场矢量平行于入射面，当光线从磁化了的样品表面反射时，由于克尔效应反射光中含有很小的垂直于 的电场分量 ，如上图所示，通常，在一阶近似下有：

（1）

通过检偏棱镜的光强为：

（2）

将（1）式代入（2）式得到：

（3）

通常较小，可取 ， ，得到：

（4）

一般情况下， 虽然很小，但 ，而 和 在同一数量级上，略去二阶项后，考虑到探测器测到的是（4）的实数部分，（4）式变为：

（5）

无外加磁场下，

（6）

所以有：

（7）

由（7）式得在样品达磁饱和状态下为：

（8）

实际测量时最好测量磁滞回线中正向饱和时的克尔旋转角和反向饱和时的克尔旋转角，则：

（9）

式中 和 分别是正负磁饱和状态下的光强。从式（9）中可以看出，光强的变化 只与 有关，而与 无关。说明在光路中探测到的克尔信号只是克尔旋转角。

当要测量克尔椭偏率时，在检偏器前另加1/4波片，它可以产生 的相位差，此时检偏器看到的是 ，而不是 ，因此测量到的信号为克尔椭偏率。

经过推导可得在磁饱和状态下：

（10）

式中 表示正向饱和磁场时测得的椭偏率， 表示负向饱和磁场时测得的椭偏率。

主要组成部分磁光克尔测量系统主要由以下几个部分组成：

1光学减震平台

2.光路系统：输入光路和接收回路

3.励磁电源主机和可程控电磁铁

4.前置放大器和直流电源组合装置：用于将光电检测装置接收的克尔信号做前置放大，并送入信号检测主机中；将霍尔传感器探测到的磁场强度信号做前置放大并送入检测装置；为激光器提供精密稳压电源

5.信号检测主机

6.控制系统与计算机

测量结果通过磁光克尔测量系统可测得磁性薄膜的磁滞回线，从而分析其磁特性。

铁磁材料在外磁场中磁化时，最显著的特征是当磁场强度往复性变化时，磁感应强度或磁化强度随磁场强度变化的曲线是闭合曲线，称之为磁滞回线。

上图（a）中所示的闭合曲线为直流磁场作用下铁磁材料的饱和磁滞回线（直流或静态磁滞回线），其中的曲线Oa称为铁磁材料的起始（直流或静态）磁化曲线。起始磁化曲线表明，铁磁材料从磁中性状态（和均为零）被磁化时，其—曲线呈非线性的变化，且当达到一定值（）后，几乎不随的增大而变化，即达到了饱和磁化的状态，如图中的a点所示，相应的磁场强度 和磁感应强度称为饱和磁场强度和饱和磁感应强度。由磁化曲线可确定铁磁材料的磁导率，即μ=/。铁磁材料的磁导率并非常量，而随变化而变化，如图（b）中虚线所示。磁滞回线表明，当铁磁材料被磁化到饱和状态后，再逐渐减小时，也减小，但这一去磁过程并不沿着原来的磁化曲线进行，而是沿着另一条曲线ab缓慢减小，比较曲线Oa和ab可知，去磁时磁滞回线上的变化总是滞后于的变化，说明铁磁材料存在磁滞，磁滞最明显的特征是当减小到0时，并不为0。为0时所对应的值称为剩余磁感应强度，反映了铁磁材料剩磁的大小。当磁场反向从零增加至时，降到0，说明要消除剩磁，必须施加反方向磁场，称为矫顽磁场强度或矫顽力，它反映了铁磁材料保持剩磁状态的能力，曲线bc’称为退磁曲线。再继续增加反向磁场到-，铁磁材料达到反向饱和磁化的状态。此后，当反向磁场强度减小到零后，再增大正向磁场至时，同样会出现剩磁、退磁及饱和磁化的现象。可见，铁磁材料的和关系不仅是非线性的，而且还是非单值的，即对确定 ，值不能唯一确定，它不仅与当时的有关，还与以前的磁化状态（历史）有关。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学