[科普中國(guó)]-磁光克爾效應(yīng)

將線偏振光（由左旋圓偏振光和右旋圓偏振光所組成）入射于磁性材料反射后，由于左旋圓偏振光與右旋圓偏振光在樣品中傳播速率不同而產(chǎn)生相位差，再加上左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的吸收程度不同而造成振幅不相同，經(jīng)過(guò)樣品反射后，轉(zhuǎn)為橢圓偏振光的現(xiàn)象，稱(chēng)為磁光克爾效應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)歷程在1845年，Michael Faraday首先發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加磁場(chǎng)加在玻璃樣品上時(shí)，透射光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)，隨后他在外加磁場(chǎng)之金屬 表面上做光反射的實(shí)驗(yàn)，但由于他所謂的表面并不夠平整，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果不 能使人信服。1877年John Kerr在觀察偏振化光從拋光過(guò)的電磁鐵磁極反射出來(lái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(yīng)(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader兩位學(xué)者進(jìn)行鐵超薄膜磊晶成長(zhǎng)在金單晶(100)面上的磁光克爾效應(yīng)做了大量實(shí)驗(yàn)，成功地得到一原子層厚度磁性物質(zhì)之磁滯回線，并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的縮寫(xiě))來(lái)作為表面磁光克爾效應(yīng)，用以表示應(yīng)用磁光克爾效應(yīng)在表面磁學(xué)上的研究。由于此方法致磁性解析靈敏度達(dá)一原子層厚度，且儀器配置合于超高真空系統(tǒng)之工作，因而成為表面磁學(xué)的重要研究方法。 表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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。應(yīng)用該系統(tǒng)可以自動(dòng)掃描磁性樣品的磁滯回線，從而獲 得薄膜樣品矯頑力、磁各異性等方面的信息。

磁光信息存儲(chǔ)是近年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)信息存儲(chǔ)技術(shù)的革新。開(kāi)發(fā)更多、性能更加優(yōu)越，而且實(shí)用的磁光介質(zhì)材料是當(dāng)前信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的任務(wù)。測(cè)量磁光介質(zhì)的克爾轉(zhuǎn)角則是研究這些材料的基本手段和方法。對(duì)于非開(kāi)發(fā)人員來(lái)講，測(cè)量磁光克爾轉(zhuǎn)角的實(shí)驗(yàn)一方面能夠提高進(jìn)行物理綜合實(shí)驗(yàn)的能力，另一方面對(duì)信息存儲(chǔ)的新技術(shù)將有更加深刻的理解，能啟發(fā)他們利用物理原理在信息存儲(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)域提出新的設(shè)想，做出新的貢獻(xiàn)。1

效應(yīng)原理當(dāng)一束單色線偏振光照射在磁光介質(zhì)薄膜表面時(shí)，部分光線將發(fā)生透射，透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角被叫做磁光法拉第轉(zhuǎn)角( )。而反射光線的偏振面與入射光的偏振面相比也有一轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角被叫做磁光克爾轉(zhuǎn)角( )，這種效應(yīng)叫做磁光克爾效應(yīng)。

磁光克爾效應(yīng)包括三種情況：

(1)縱向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度既平行于介質(zhì)表面又平行于光線的入射面時(shí)的克爾效應(yīng)；克爾信號(hào)的強(qiáng)度隨入射角的減小而減小，垂直入射時(shí)為0?？v向克爾信號(hào)中克爾旋轉(zhuǎn)角和克爾橢偏率都比極向克爾信號(hào)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。從而縱向克爾信號(hào)的探測(cè)比極向難。但對(duì)于薄膜樣品來(lái)說(shuō)，易磁軸一般平行于樣品表面，縱向配置下樣品的磁化強(qiáng)度才容易達(dá)到飽和，因此縱向克爾效應(yīng)對(duì)平面內(nèi)的磁化相當(dāng)敏感。

(2)極向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面垂直時(shí)發(fā)生的克爾效應(yīng)；通常情況下極向克爾效應(yīng)的強(qiáng)度隨入射角的減小而增大，在垂直入射時(shí)達(dá)到最大。并且克爾旋轉(zhuǎn)角最大最明顯。

(3)橫向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面平行時(shí)發(fā)生的克爾效應(yīng)；其反射光的偏振狀態(tài)沒(méi)有變化，因?yàn)檫@種配置下光電場(chǎng)與磁化強(qiáng)度矢積的方向永遠(yuǎn)沒(méi)有與光傳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）入射時(shí)才有一個(gè)很小的反射率的變化（一般來(lái)講只造成長(zhǎng)度的跳變，不會(huì)造成極化平面的旋轉(zhuǎn)）。2

對(duì)于已經(jīng)寫(xiě)入了信息的磁光介質(zhì)，要讀出所寫(xiě)的信息則需要利用磁光克爾效應(yīng)來(lái)進(jìn)行。具體方法是：將一束單色偏振光聚焦后照射在介質(zhì)表面上的某點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)該點(diǎn)處磁疇的磁化方向來(lái)辨別信息的“0”或“1”。例如，被照射的點(diǎn)為正向磁化，則在該點(diǎn)的反射光磁光克爾轉(zhuǎn)角應(yīng)為 ，見(jiàn)下圖，相反被照射的點(diǎn)為反向磁化，則在該點(diǎn)的反射光磁光克爾轉(zhuǎn)角應(yīng)為 。因此，如果偏振分析器的軸向恰好調(diào)整為與垂直于記錄介質(zhì)的平面成 夾角，那么在介質(zhì)上反向磁化點(diǎn)的反射光線將不能通過(guò)偏振分析器，而在介質(zhì)的正向磁化處，反射光則可以通過(guò)偏振分析器。這表明反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)了 的角度．這樣，如果我們?cè)诮?jīng)過(guò)磁光介質(zhì)表面反射的光線后方，在通過(guò)偏振分析器后的光路上安放一光電檢測(cè)裝置(例如光電倍增管)，就可以很方便地辨認(rèn)出反射點(diǎn)是正向磁化還是反向磁化，也就是完成“0”和“1”的辨認(rèn)。由此可見(jiàn)，磁光克爾轉(zhuǎn)角在磁光信息讀出時(shí)扮演著十分重要的角色。如果把磁光介質(zhì)附著在可旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)表面，就構(gòu)成了磁光盤(pán)。磁光盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果同時(shí)有單色偏振光聚焦在磁光盤(pán)表面，就可實(shí)現(xiàn)光線的逐點(diǎn)掃描，即信息被連續(xù)讀出。

測(cè)量裝置測(cè)量系統(tǒng)由以下5部分組成：

(1)光學(xué)減震平臺(tái)。

(2)光路系統(tǒng)，包括輸入光路與接收光路。激光器用普通半導(dǎo)體激光器，起偏和檢偏棱鏡都用格蘭一湯普遜棱鏡，光電檢測(cè)裝置由孔狀可調(diào)光闌、干涉濾色片和硅光電池組成。格蘭一湯普遜棱鏡的機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)由角度粗調(diào)和螺旋測(cè)角組成，測(cè)微頭的線位移轉(zhuǎn)變?yōu)槔忡R轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移。測(cè)微頭分度值為0.01 mm，轉(zhuǎn)盤(pán)分度值為1，通過(guò)測(cè)微頭線位移的角位移定標(biāo)可知其測(cè)量精度在2 左右。

(3)勵(lì)磁電源主機(jī)和可程控電磁鐵。勵(lì)磁電源主機(jī)可選擇磁場(chǎng)自動(dòng)和手動(dòng)掃描。

(4)前級(jí)放大器和直流電源組合裝置。a)將光電檢測(cè)裝置接收到的克爾信號(hào)作前級(jí)放大，并送入信號(hào)檢測(cè)主機(jī)中。b)將霍耳傳感器探測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)作前級(jí)放大并送入檢測(cè)裝置。c)為激光器提供精密穩(wěn)壓電源。

(5)信號(hào)檢測(cè)主機(jī)。將前置放大器傳來(lái)的克爾信號(hào)及磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大，分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)用數(shù)字電壓表顯示克爾信號(hào)及磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的大小。D/A提供周期為20 s、40 s、80 S準(zhǔn)三角波，作為勵(lì)磁電流自動(dòng)掃描信號(hào)。3

應(yīng)用前景磁光克爾法是測(cè)量材料特性特別是薄膜材料物性的一種有效方法，表面磁光克爾效應(yīng)作為表面磁學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)手段，已被廣泛應(yīng)用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜間的相變行為等問(wèn)題的研究。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)