一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置的制造方法
【專利摘要】一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，包括光路系統(tǒng)、三維壓電樣品臺(tái)和電流源控制單元，該系統(tǒng)不僅可以在變化磁場(chǎng)下對(duì)單點(diǎn)快速進(jìn)行極向或縱向克爾信號(hào)掃描測(cè)量，還可以在固定磁場(chǎng)下以矩陣掃描的方式對(duì)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行克爾信號(hào)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域靜態(tài)磁疇、動(dòng)態(tài)磁疇的精確測(cè)量的一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，同時(shí)在固定磁場(chǎng)下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)待測(cè)區(qū)域的磁疇結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。
【專利說明】
一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置， 其主要用途在于測(cè)量磁滯回線進(jìn)而得到樣品表面的磁疇分布，同時(shí)該系統(tǒng)具有觀察磁疇結(jié) 構(gòu)的功能。
【背景技術(shù)】：
[0002] 材料表面磁性以及由數(shù)個(gè)原子層所構(gòu)成的超薄膜和不同原子構(gòu)成的多層膜的磁 性，是當(dāng)今磁存儲(chǔ)領(lǐng)域中的較為重要的研究熱點(diǎn)，磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置是表面磁性研究 中的一種重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向異性、層間耦合和磁性超薄膜的相變 行為等方面的研究中都有重要應(yīng)用。
[0003] 目前，磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置均采用固定樣品臺(tái)，只能對(duì)材料固定的區(qū)域進(jìn)行磁 有序、磁各向異性及磁疇等問題研究，無法實(shí)現(xiàn)在固定磁場(chǎng)下以矩陣掃描的方式對(duì)區(qū)域內(nèi) 各點(diǎn)進(jìn)行克爾信號(hào)的測(cè)量，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域靜態(tài)磁疇、動(dòng)態(tài)磁疇的精確測(cè)量?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝 置極大地限制了磁光克爾效應(yīng)的使用范圍和測(cè)量效率。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)計(jì)中的不足，提出一種不僅可以在變化磁場(chǎng)下對(duì) 單點(diǎn)快速進(jìn)行極向或縱向克爾信號(hào)掃描測(cè)量;還可以在固定磁場(chǎng)下以矩陣掃描的方式對(duì)區(qū) 域內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行克爾信號(hào)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域靜態(tài)磁疇、動(dòng)態(tài)磁疇的精確測(cè)量的一種空間分 辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置;同時(shí)在固定磁場(chǎng)下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)待測(cè)區(qū)域的磁疇結(jié)構(gòu)的觀測(cè)
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案:一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，該裝置包括光路系統(tǒng)、三 維壓電樣品臺(tái)和電流源控制單元；
[0006] 光路系統(tǒng)主要包括激光器、衰減器、擴(kuò)束器、斬波器、格蘭泰勒棱鏡、二分之一波 片、顯微物鏡、凸透鏡和(XD等光學(xué)器件。
[0007] 三維壓電樣品臺(tái)和電流源控制單元由三維壓電樣品臺(tái)、電磁鐵、三維壓電樣品臺(tái) 控制器、電流源控制器以及計(jì)算機(jī)組成;通過計(jì)算機(jī)控制信號(hào)采集，磁場(chǎng)掃描和樣品臺(tái)移 動(dòng);計(jì)算機(jī)通過控制三維壓電樣品臺(tái)掃描測(cè)量，能夠得到空間依賴的磁滯回線，并直接反應(yīng) 磁性樣品局域的磁疇分布。
[0008] 所述三維壓電樣品臺(tái)位移精度可以達(dá)到20nm。
[0009] 激光經(jīng)顯微物鏡聚焦后分辨率可以達(dá)到550nm。
[0010]本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)：當(dāng)線偏振光打在磁性樣品上時(shí)，其反射光的偏振面 會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度大小同材料的磁化強(qiáng)度成正比，稱為磁光克爾效應(yīng)。磁光克爾效應(yīng)起 源于左旋和右旋圓偏振光在磁性材料中有著不同的折射率。
[0011]磁光克爾效應(yīng)唯象的解釋:線偏振光是左圓和右圓偏振光的疊加。
[0012] 磁性介質(zhì)中左圓、右圓偏振光驅(qū)動(dòng)介質(zhì)當(dāng)中電子做左旋和右旋圓周運(yùn)動(dòng)，由于磁 場(chǎng)作用，Lorenz力對(duì)電子作用不同導(dǎo)致左旋、右旋在傳播時(shí)介質(zhì)的響應(yīng)，也就是介電常數(shù)不 同，因而導(dǎo)致磁光克爾效應(yīng)。由于這左圓和右圓偏振光的折射率不同，在介質(zhì)中傳播會(huì)有不 同的相移，從而引起反射光偏振面的旋轉(zhuǎn)；同時(shí)由于介質(zhì)對(duì)這兩種模式的吸收率也不同，從 而改變反射光的橢偏率。通常，這兩種效應(yīng)在磁性介質(zhì)中同時(shí)存在，因此，可以通過測(cè)量偏 振光反射或者折射后的偏振情況來研究磁性材料的磁學(xué)性質(zhì)。由于大多數(shù)的磁性材料都有 很強(qiáng)的吸收率，實(shí)驗(yàn)上通過測(cè)量反射光的偏轉(zhuǎn)角度來反應(yīng)磁性顯得更為方便。
[0013] 工作原理為：假設(shè)一線偏振的P光從樣品的表面反射回來，如果樣品是完全非磁 的，反射回來的光依然是純粹的P光;如果樣品帶有鐵磁性，那么反射回來的光當(dāng)中必然會(huì) 摻雜S光的成分，Es/Ep就是所謂的kerr rotation，于是測(cè)量S光就成為了實(shí)驗(yàn)的的主要目 的。實(shí)驗(yàn)上我們用一個(gè)偏振片放在光電二極管前面，并且使偏振片與P光的偏振面成一小角 (d)放置，于是有：1=10(1+20'/C )，其中10= | Ep | 2d2，表示kerr rotation為零時(shí)的光強(qiáng)， Es/Ep=0'+i0"，0'是kerr轉(zhuǎn)角，0"是橢偏率，由于0'和0"都隨著磁化強(qiáng)度的變化呈線性的 變化，所測(cè)到的光強(qiáng)隨磁場(chǎng)的變化而變化，表現(xiàn)為一個(gè)磁滯回線的形式。
[0014] 磁光克爾效應(yīng)觀察樣品的磁疇結(jié)構(gòu)，不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反 射光振動(dòng)面的不同旋轉(zhuǎn)，通過格蘭泰勒棱鏡后的CCD觀察反射光時(shí)，將觀察到與各磁疇對(duì)應(yīng) 的明暗不同的區(qū)域，明區(qū)和暗區(qū)互為反疇。利用磁光克爾效應(yīng)觀察磁疇結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：1.不受 溫度的限制，可以在各種溫度下觀察磁疇結(jié)構(gòu)。2.有些材料的疇壁較厚，疇與疇壁間的界限 不明顯，表面散磁場(chǎng)很小，粉紋不易集中。對(duì)于這種情況，磁光效應(yīng)法是一種有效的方法。3. 磁光效應(yīng)法可用于觀察磁疇的動(dòng)態(tài)變化。
[0015] 有益效果:本發(fā)明采用三維壓電樣品臺(tái)掃描測(cè)量，能夠得到空間依賴的磁滯回線， 并直接反應(yīng)磁性樣品局域的磁疇分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁滯回線和磁疇信息的測(cè)量。單點(diǎn)loop功 能：在變化磁場(chǎng)下對(duì)單點(diǎn)快速進(jìn)行極向或縱向克爾信號(hào)掃描磁場(chǎng)測(cè)量，可判斷易/難磁化 軸，矯頑力，磁學(xué)性質(zhì)。磁疇成像功能:在固定磁場(chǎng)下以矩陣掃描的方式對(duì)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行 克爾信號(hào)測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域靜態(tài)磁疇、動(dòng)態(tài)磁疇的精確測(cè)量;在固定磁場(chǎng)下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整 個(gè)待測(cè)區(qū)域磁疇結(jié)構(gòu)的觀測(cè)
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2位本發(fā)明的平衡光橋放大光路。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 圖1中標(biāo)號(hào)：1為半導(dǎo)體激光器，2為衰減器，3為擴(kuò)束器，4為斬波器，5為格蘭泰勒棱 鏡，6為分束鏡，7為立方體分束鏡，8為分束鏡，9為顯微物鏡，10為薄膜樣品，11為電磁鐵，12 為三維壓電樣品臺(tái)，13為格蘭泰勒棱鏡，14為凸透鏡，15為白光源，16為二分之一波片，17為 格蘭泰勒棱鏡，18為反射棱鏡，19為格蘭泰勒棱鏡，20為凸透鏡，21為三維壓電樣品臺(tái)控制 器，22為鎖相放大器，23為光電平衡探測(cè)器，24為CCD，25為電流源控制器，26為計(jì)算機(jī)；圖2 中標(biāo)號(hào)：1為二分一波片，2為格蘭泰勒棱鏡，3為反射棱鏡，4為光電平衡探測(cè)器。
[0019]本發(fā)明一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，包括兩部分:光路系統(tǒng)部分;三維壓 電樣品臺(tái)和電流源控制系統(tǒng)部分和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。
[0020] 如圖1所示，所述光路系統(tǒng)如下：當(dāng)中的激光光源是635nm的半導(dǎo)體激光器1，輸出 功率為3mW，激光經(jīng)過一個(gè)功率衰減器2(用以控制激光強(qiáng)度），后通過擴(kuò)束器3(通過擴(kuò)束放 大主要是為了減小光束的發(fā)散角）。擴(kuò)束后經(jīng)過斬波器4,經(jīng)過格蘭泰勒5,使得入射光是一 個(gè)具有高偏振度的線偏振光，然后依次經(jīng)過分束鏡7、8，并通過顯微物鏡9，聚焦到樣品10表 面。其中白光源15經(jīng)過樣品10反射進(jìn)入(XD 24,通過CCD 24可以觀察樣品的移動(dòng)，進(jìn)而可以 通過控制樣品臺(tái)將激光打到樣品表面的特定位置。在移動(dòng)樣品時(shí)，應(yīng)該將激光強(qiáng)度衰減至 最低，從而可以觀察到最清晰的圖像。設(shè)備中的激光光斑可以最小聚焦到〇.55um。當(dāng)樣品是 磁性介質(zhì)時(shí)，被樣品反射返回的激光偏振面將會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。經(jīng)樣品反射的激光依次通過顯 微物鏡9、分束鏡8到達(dá)立方分束鏡7，被立方分束鏡7沿90度角分束的反射光。經(jīng)立方體分束 鏡7分離的S分量經(jīng)過二分之一波片16 (該波片用來調(diào)節(jié)輸入到格蘭泰勒棱鏡17前的光的偏 振方向）使得經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡17的兩束光強(qiáng)基本相等。這兩束光分別進(jìn)入平衡光橋的兩 個(gè)探測(cè)器A和B。光電平衡探測(cè)器23有三個(gè)信號(hào)輸出口，分別為光電二極管A的輸出電壓信號(hào) Ia，光電二極管B的輸出電壓信號(hào)Ib以及光電二極管A和B差分輸出信號(hào)電壓Ia-Ib。
[0021] 功率衰減器:用于控制激光的強(qiáng)度，有多個(gè)檔位，一般情況下，測(cè)量時(shí)使用最低檔， 使激光光強(qiáng)最強(qiáng)。通過C⑶觀測(cè)樣品表面時(shí)，使用最高檔，使激光光強(qiáng)最弱，這樣才可以清晰 地觀測(cè)到樣品表面。
[0022] 鎖相放大器利用斬波器產(chǎn)生參考信號(hào)，并將被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較，從而 只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身以及與參考信號(hào)相同頻率、相同相位的噪聲分量進(jìn)行放大。因此，能高效 的去除背景噪音，顯著提高信噪比。
[0023] 由于一般磁性物質(zhì)克爾旋轉(zhuǎn)角小，反射光強(qiáng)變化比較微弱，故采用平衡光橋放大 光路對(duì)克爾信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。這樣可以消除實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中光強(qiáng)波動(dòng)帶來的影響。當(dāng)在特定的半 波片與入射線偏振光的夾角下，兩束光強(qiáng)相減為零，因此當(dāng)反射光有微小變化時(shí)，平衡光橋 光路可以靈敏的將這一變化檢測(cè)出來，并通過鎖相放大器連接計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種 差分方法的獨(dú)到之處是激光強(qiáng)度起伏引起的隨機(jī)噪聲在兩路正交分量間表現(xiàn)一致，當(dāng)平衡 點(diǎn)調(diào)得比較好時(shí)差分信號(hào)也基本為零，因而保證測(cè)量系統(tǒng)有高的共模抑制比和良好的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)特性。
[0024] 如圖2所示，經(jīng)樣品反射的線偏振光入射到二分之一波片1后入射到格蘭泰勒棱鏡 2，將經(jīng)過樣品反射的光分解為水平和豎直兩個(gè)正交分量，一束直接入射到光電平衡探測(cè)器 23的光電二極管A，另一束經(jīng)反射入射到光電平衡探測(cè)器23的光電二極管B。調(diào)整半波片使 其主軸與線偏光的振動(dòng)平面角度變化，即可控制光電二極管A、B接收到的光強(qiáng)大小相同，此 時(shí)光橋達(dá)到平衡。當(dāng)入射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡2的兩束光強(qiáng)發(fā)生變 化，光電二極管A、B的差分輸出Ia-Ib發(fā)生變化，入射光的克爾旋轉(zhuǎn)角即正比于Ia-Ib。這種差 分方法的獨(dú)到之處是激光強(qiáng)度起伏引起的隨機(jī)噪聲在兩路正交分量間表現(xiàn)一致，當(dāng)平衡點(diǎn) 調(diào)的比較好時(shí)差分信號(hào)基本為零，因而保證測(cè)量系統(tǒng)有較高的共模抑制比。
[0025] 本發(fā)明的核心在于三維壓電樣品臺(tái)和電流源控制系統(tǒng)部分。樣品臺(tái)和電磁鐵控制 部分主要由三維壓電樣品臺(tái)、電磁鐵、三維壓電樣品臺(tái)控制器、電流源控制器以及計(jì)算機(jī)組 成。
[0026] 該測(cè)量系統(tǒng)只需通過計(jì)算機(jī)控制電源的輸出范圍、掃描步長(zhǎng)和三維壓電樣品臺(tái)的 掃描范圍和步長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)在變化磁場(chǎng)下對(duì)單點(diǎn)快速進(jìn)行極向或縱向克爾信號(hào)掃描測(cè)量和 在固定磁場(chǎng)下以矩陣掃描的方式對(duì)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)進(jìn)行克爾信號(hào)測(cè)量。極大地提高了磁光克爾 效應(yīng)的使用范圍和測(cè)量效率。
[0027] 性能指標(biāo)：
[0028]本發(fā)明中，顯微物鏡9的分辨率可以達(dá)到550nm;
[0029]電磁鐵11的磁極間距可調(diào)；
[0030] 三維壓電樣品臺(tái)12位移精度可以達(dá)到20nm;
[0031] 最小克爾轉(zhuǎn)角檢出角0.5mdeg:
[0032] 最小反射率變化率檢出量0.02%。
[0033]更具體的光路系統(tǒng):本發(fā)明中激光器1采用的是半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)A = 635nm，激 光器1發(fā)出的激光通過功率衰減器2，再通過擴(kuò)束器3、斬波器4、偏振片5、分束鏡6、立方分束 鏡7、分束鏡8,通過顯微物鏡9,經(jīng)過樣品10反射，反射光經(jīng)過分束鏡8被分為兩束，其中一束 經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡19、凸透鏡20，射入(XD24，然后CCD24將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)26，另 一束經(jīng)過分束鏡8,經(jīng)過立方體分束鏡7、二分之一波片16,再經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡17,激光被 分為兩束，其中一束直接射入光電平衡探測(cè)器23,一束經(jīng)過反射棱鏡18,射入光電平衡探測(cè) 器23,然后光電平衡探測(cè)器23將采集的信號(hào)送入鎖相放大器22,鎖相放大器22連接計(jì)算機(jī) 26;白光15通過凸透鏡14，經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡13、分束鏡6、立方體分束鏡7、分束鏡8，再透過 顯微物鏡9，經(jīng)過樣品10反射，反射光經(jīng)過顯微物鏡9，再經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡19、凸透鏡20，射 入CCD24;樣品座連接三維壓電樣品臺(tái)12，并置于電磁鐵11中間，電流源控制器25與電磁鐵 11連接，三維壓電樣品臺(tái)12與三維壓電樣品臺(tái)控制器21連接，并且電流源控制器25和三維 壓電樣品臺(tái)控制器21都與計(jì)算機(jī)26連接，受計(jì)算機(jī)26控制，計(jì)算機(jī)26收集光電平衡探測(cè)器 轉(zhuǎn)換的Kerr信號(hào)，并且控制電流源控制器25與三維壓電樣品臺(tái)控制器21，從而實(shí)現(xiàn)空間分 辨的磁光克爾信號(hào)采集。
[0034 ] 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由Lab v i ew程序編寫。
[0035]操作控制系統(tǒng)包括三個(gè)部分:磁場(chǎng)掃描電流源控制部分、樣品掃描壓電樣品臺(tái)控 制部分和信號(hào)采集部分。
[0036]工作原理是計(jì)算機(jī)機(jī)輸出指令至電流源控制器和三維壓電樣品臺(tái)控制器，設(shè)定輸 出電流范圍(-6A至6A )、掃描電流的步長(zhǎng)和設(shè)定三維壓電樣品臺(tái)掃描方式。同時(shí)通過鎖相放 大器采集反射光的克爾旋轉(zhuǎn)角經(jīng)平衡探測(cè)器轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)繪制磁滯回線。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，其特征是包括光路系統(tǒng)、三維壓電樣品臺(tái)和 電流源控制單元;光路系統(tǒng)中激光器（1)產(chǎn)生的激光通過衰減器（2)，再依次通過擴(kuò)束器 (3)、斬波器(4)、起偏器(5)、分束鏡(6)、立方體分束鏡(7)、分束鏡(8)、通過顯微物鏡(9)、 經(jīng)過樣品（10)反射，反射光經(jīng)過分束鏡（8)被分為兩束，其中一束經(jīng)過過格蘭泰勒棱鏡 (19)、凸透鏡(20)，射入CCD(24)，CCD(24)將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)(26)，反射光另一束 經(jīng)過分束鏡(8)，經(jīng)過立方體分束鏡(7)、二分之一波片（16)，再經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡（17)，激 光通過格蘭泰勒棱鏡（17)被分為兩束，其中一束直接射入光電平衡探測(cè)器(23)第一輸入 端，一束經(jīng)過反射棱鏡（18)，射入光電平衡探測(cè)器(23)第二輸入端，然后光電平衡探測(cè)器 (23)將采集的信號(hào)送入鎖相放大器(22)，鎖相放大器(22)連接計(jì)算機(jī);另設(shè)有白光源，發(fā)出 的白光（15)通過凸透鏡（14)，經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡（13)、分束鏡(6)、立方體分束鏡(7)、分束 鏡(8)，再透過顯微物鏡(9)，經(jīng)過樣品（10)反射，反射光經(jīng)過顯微物鏡(9)、格蘭泰勒棱鏡 (19)、凸透鏡（20)，射入CCD(24);樣品（10)置于樣品座，樣品座固定于三維壓電樣品臺(tái) (12)，并置于電磁鐵（11)中間，電流源控制器(25)與電磁鐵（11)連接，三維壓電樣品臺(tái)（12) 與三維壓電樣品臺(tái)控制器(21)連接，并且電流源控制器(25)和三維壓電樣品臺(tái)控制器(21) 都與計(jì)算機(jī)(26)連接，受計(jì)算機(jī)(26)控制，計(jì)算機(jī)(26)收集光電平衡探測(cè)器轉(zhuǎn)換的Kerr信 號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，其特征是所述三維壓電樣 品臺(tái)和電流源控制部分由三維壓電樣品臺(tái)、電磁鐵、三維壓電樣品臺(tái)控制器、電流源控制器 以及計(jì)算機(jī)組成;通過計(jì)算機(jī)控制信號(hào)的采集，磁場(chǎng)的掃描和樣品臺(tái)的控制;通過計(jì)算機(jī)控 制三維壓電樣品臺(tái)掃描測(cè)量，能夠得到空間依賴的磁滯回線，并直接反應(yīng)磁性樣品局域的 磁疇分布。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，其特征是所述程控高精度 三維壓電樣品臺(tái)位移精度20nm 〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間分辨磁光克爾效應(yīng)測(cè)量裝置，其特征是所述激光經(jīng)顯微 物鏡聚焦后分辨率550nm〇
【文檔編號(hào)】G01R33/14GK105891744SQ201610205612
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月31日
【發(fā)明人】徐永兵, 劉墨玉, 阮學(xué)忠, 吳競(jìng), 黎遙, 劉波
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)