CN102654450B - 极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，包括：液氦制冷机与低温超导磁体系统、超连续白光光源、单色仪、斩波器、两个格兰泰勒棱镜、光弹调制器、宽波段消偏振分光棱镜、消色差透镜、硅探测器、三台锁相放大器、以及计算机。利用本发明，可以同时测量样品的极化磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱，从而可以进一步研究物质的磁性质以及与自旋相关的能带结构和特性。
Description
技术领域
本发明涉及磁学和半导体自旋电子学技术领域，特别适用于对半导体自旋电子学材料(比如：稀磁半导体材料)的自旋相关光学性质的测量，提供一种极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱同步测量系统。
背景技术
由于很多物质存在法拉第效应与克尔效应，因此磁光光谱探测系统广泛应用于物理、化学、生物和工程技术领域。特别时近年来随着自旋电子学的兴起，磁光光谱测量系统作为一种重要的测量手段，在自旋电子学研究中发挥了重要的作用。
MCD全称为磁圆二向色性，即在磁场下，物质对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收率不同的现象。克尔效应是指在磁场下，垂直入射的线偏振光经样品反射后，反射光的偏振面相对入射光偏振面发生偏转的现象；极向克尔效应是磁场和入射光方向都垂直于样品平面时的克尔效应。它们本质上反应了样品的折射率张量在磁场中的变化，在反射式配置下，克尔信号与介电张量非对角元的实部εxy′成正比；MCD信号与介电张量非对角元的虚部εxy″成正比。
在磁光测量系统中，磁场、光束的偏振状态是最关键的两个要素。根据磁光信号对磁场，光波长，光偏振状态的依赖关系，进而分析出样品的能带结构、磁学性质等重要物理信息。
通常磁光光谱测量系统分为透射式和反射式两种，透射式磁光光谱测量系统无法测量不透明样品的磁光光谱，并且样品制备极其困难。同时，大部分反射式磁光光谱测量系统基于电磁铁和氦循环制冷机，测量目的较为单一，配置方案不灵活，信噪比较差，并且无法同时改变温度和磁场大小。
如何设计一套高信噪比，并且可以灵活改变温度、磁场、波长的反射式磁光光谱测量系统，是各磁学、光学实验室期待解决的重要技术问题之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一套配置灵活、能同步测量的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，在测量过程中可以根据实验需要灵活地改变波长、磁场大小以及样品的温度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，该系统包括：
一超连续白光光源(LS)，其出射光经过单色仪(SP)后作为样品测试光源；
一单色仪(SP)，用于对白光光源(LS)的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；
一斩波器(CP)，用于对单色仪(SP)出射光进行斩波调制，并为第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)提供参考信号，从而得到样品反射光的强度；
一起偏器(P)，用于将单色仪(SP)出射光变为线偏振光；
一光弹调制器(MO)，用于将起偏器(P)出射的线偏光变为周期性偏振调制光；
一宽波段消偏振分光棱镜(BS)，使入射光垂直通过后打到样品上，并将经过样品反射的光的传播方向偏转90°，便于探测器收集；
一消色差透镜(L)，用于聚焦入射光到样品上，并收集样品的反射光；
一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)，提供用于磁光光谱测量的磁场；
一检偏器(A)，用于检测样品反射光偏振态的改变；
一探测器(DT)，用于接收和探测反射光，并将光信号转换为电信号；
第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)，用于检测探测器(DT)输出信号的对应特定频率的信号幅度；以及
由计算机组成的数据处理与存储系统。
上述方案中，所述超连续白光光源(LS)通过一个波长为1064nm的泵浦光激发一个非线性光纤，得到功率最大2w，波长范围覆盖450nm至1500nm的超连续白光。与传统的白光光源(如汞灯)相比，该光源具有更大的功率，更好的准直性，更宽的光谱覆盖范围，更均匀的光强分布等显著优点。
上述方案中，该系统利用起偏器(P)将单色仪(SP)出射光变为线偏振光，利用光弹调制器(MO)将线偏光变为周期性偏振调制光，利用检偏器(A)检测施加磁场时样品反射光偏振态的改变。
上述方案中，所述起偏器(P)和检偏器(A)均是格兰泰勒棱镜。所述光弹调制器(MO)工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ。所述光弹调制器(MO)的快轴与慢轴均与起偏器的通光轴成45°角，调节检偏器(A)角度，使无磁场时样品反射光的电矢量在检偏器通光轴方向的分量不随时间变化。
上述方案中，所述探测器(DT)、第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)组成信号探测和处理系统，所述探测器(DT)收集和探测经过检偏器(A)的出射光，将光信号转变为电信号，输入到第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)中。
上述方案中，所述第一锁相放大器(LIA1)的参考频率为斩波器频率，测量样品反射光强；第二锁相放大器(LIA2)的参考频率为光弹调制器频率(50KHZ)，测量信号中频率为50KHZ的成分的幅度；第三锁相放大器(LIA3)的参考频率为光弹调制器频率的两倍(100KHZ)，测量信号中频率为100KHZ的成分的幅度。
上述方案中，磁圆二向色性信号与测量信号中频率为50KHZ的成分的幅度成正比，磁光克尔信号与测量信号中频率为100KHZ的成分的幅度成正比。
上述方案中，所述宽波段消偏振分光棱镜(BS)使入射光垂直通过后打到样品上，并将经过样品反射的光传播方向偏转90°，这样既解决了入射光与样品必须近似垂直的问题，又保证了反射光收集的方便性；该分光棱镜同时能使通过它的光的偏振特性不改变。
上述方案中，所述中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)中设置有一制冷器，用于控制样品的温度，样品放置在该制冷器的冷头上。所述超导磁体杜瓦(MG)与所述制冷器相互分离，放置样品的冷头能够伸入超导磁体杜瓦(MG)的室温孔洞中，所述超导磁体杜瓦(MG)用于提供0T(特斯拉)到+5T范围的垂直样品表面的磁场，所述制冷器能够使样品温度在4K(开尔文)到300K范围变化。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，由于使用两台锁相放大器同时测量反射光强信号中频率为光弹调制器一倍频(50KHZ)和二倍频(100KHZ)的成分，所以可以同步测量样品的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱。排除了极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱分别测量时存在的测量光强变化，样品温度变化，测量点不一致等问题，使分析极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱具有更好的对比性。同时可缩短测量所需要的时间。灵活改变样品温度，磁场，探测光波长，用于样品自旋相关的能带结构和磁性质研究。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是本发明提供的的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱同步测量系统的结构示意图；
图2是利用本发明提供的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱同步测量系统在4K温度，0.5T磁场下测量的一块掺锰砷化镓(GaMnAs)样品的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1是本发明提供的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱同步测量系统的结构示意图，该系统包括：
一超连续白光光源，其出射光经过单色仪后作为样品测试光源。一单色仪，对白光光源的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过。一斩波器，对单色仪出射光进行斩波调制，并为锁相放大器提供参考信号，从而得到经过样品反射后反射光的强度。一起偏器，把单色仪出射光变为线偏振光。一光弹调制器，把起偏器出射的线偏光变为周期性偏振调制光。一宽带消偏振分光棱镜，使入射光垂直通过后打到样品上，并将经过样品反射的光偏转90°，便于探测器收集。该分光棱镜同时能使通过它的光的偏振特性不改变。一消色差透镜，用于聚焦入射光到样品上，并收集样品的反射光。一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦，提供用于磁光光谱的磁场，制冷机放置样品的制冷头能深入超导磁体杜瓦的室温孔洞中。一制冷机，控制样品的温度，样品放置在其制冷头上。其温度可在4K到300K范围内变化。一检偏器，检测施加磁场时样品反射光偏振态的改变。一探测器，用于接收和探测反射光，并将光信号转换为电信号。三台锁相放大器，即第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)，用于检测探测器输出的对应特定频率的信号。计算机组成的数据处理与存储系统。
其中，超连续白光光源(LS)可以发出波长范围很宽(450nm-1500nm)而且功率很大(最大2W)发散角较小的连续光。白光从单色仪(SP)入射狭缝进入，经过光栅分光，在出射狭缝可以得到单一波长的单色光，通过计算机控制连续转动单色仪光栅，就可以对波长进行连续扫描。斩波器(CP)，由于叶片的均匀转动，周期性地使得入射光通过与不通过，经过样品的反射光也以相同的周期变化，从而得到周期性的反射光信号。斩波为第一锁相放大器(LIA1)提供参考信号，从而测出反射光的光强。起偏器(P)采用格兰泰勒棱镜，波长应用范围220nm-2500nm，消光比大于1×104。单色仪出射的光经过起偏器(P)起偏后，变成线偏振光。光弹调制器MO工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ，它对起偏器(P)出射的线偏振光进行周期性的调制。调整光弹调制器的快轴和慢轴(快轴与慢轴相互垂直)都与起偏器(P)的通光轴成45°角，光弹调制器MO出射的光以50KHZ的频率工作在“线偏-左圆偏振-线偏-右圆偏振-线偏”的模式。该调制光透射过消偏振分光棱镜(BS)后，经过消色差透镜(L)聚焦到样品上。其中消偏振分光棱镜(BS)不改变入射光的偏振状态，它除了使光弹调制器MO出射的光透过外，还将经过样品反射的光传播方向偏转90°，便于探测器收集。样品放置在制冷器(BT)的冷头上，制冷器通过液氦制冷，并通过电阻丝加热，使样品温度可在4K-300K范围内变化。制冷器的冷头可伸入超导磁体杜瓦(MG)的室温空洞中，使样品处在均匀的磁场中，并可灵活调节样品的位置。样品平面垂直于入射光方向和磁场方向。超导磁体杜瓦(MG)由置于液氦中的超导线圈产生磁场，可产生0T-5T(特斯拉)范围的磁场，方向可平行或反平行于入射光方向。磁场可扫描，扫描速率可在0T每分钟至1T每分钟范围变化。
经过样品反射的光，再经过消偏振分光棱镜(BS)反射后，到达检偏器(A)，检偏器(A)是一个与起偏器(P)相同的格兰泰勒棱镜，它对经样品反射的光检偏，只允许电矢量在通光轴方向的光通过。磁场为零时，调整通光轴的方向，使样品反射的调制光的电矢量在通光轴方向的分量不随时间变化，则检偏器(A)后由探测器(DT)检测的信号就不包含光弹调制器MO频率的一倍频(50KHZ)和二倍频(100KHZ)成分，由锁相放大器LIA2(测量50KHZ信号幅度)和LIA3(测量100KHZ信号幅度)测量的信号都为零。施加磁场时，MCD效应使入射的左圆和右圆偏振光的电矢量产生差别，经过检偏器(A)后，由探测器(DT)检测的信号就包含光弹调制器MO频率的一倍频(50KHZ)成分，由第二锁相放大器LIA2(测量50KHZ信号幅度)测量的信号就对应MCD信号。极向克尔效应使入射线偏振光的偏振面旋转一定角度，经过检偏器(A)后，由探测器(DT)检测的信号就包含光弹调制器MO频率的二倍频(100KHZ)成分，由第二锁相放大器LIA2(测量100KHZ信号幅度)测量的信号就对应克尔信号。
探测器(DT)使用Si探测器，用来接收和探测经过检偏器(A)出射的光，将光信号转换为电信号，传输给锁相放大器，测出相应频率成分信号的幅度。第一锁相放大器(LIA1)参考信号由斩波器(CP)提供，测量反射光的光强；第二锁相放大器(LIA2)参考信号为光弹调制器MO频率的一倍频(50KHZ)，测量MCD信号；第三锁相放大器(LIA3)参考信号为光弹调制器MO频率的二倍频(100KHZ)，测量克尔信号。
本发明提供的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱的同步测量系统的核心部分是：起偏器(P)，光弹调制器MO，检偏器(A)以及第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)。利用起偏器(P)和光弹调制器MO对入射光进行周期性偏振调制，使它以50KHZ的频率工作在“线偏-左圆偏振-线偏-右圆偏振-线偏”的模式，经过检偏器(A)检偏后，由第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)分别探测以50KHZ频率变化的信号和以100KHZ频率变化的信号。施加磁场时，它们分别对应于MCD信号和克尔信号。采用两台锁相放大器(第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3))即可同时测量样品的MCD信号和克尔信号。避免了MCD信号和克尔信号分开测量时存在的光强变化，温度变化，探测点变化等因素的影响，同时缩短了测量的时间。同时由第一锁相放大器(LIA1)测量反射光强度，可对MCD信号和克尔信号引入实时归一化。
本发明提供的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱同步测量系统通过运用超连续白光与单色仪配合，得到了光束质量较好而且功率很大的，可以连续扫描波长的入射光，这对于提高信噪比很有帮助。
本发明提供的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱同步测量系统的另一特点是制冷器的冷头和超导磁体杜瓦(MG)分离，可灵活调节位于冷头上的样品的位置。
作为一个实例，利用本系统测量了4K温度，0.5T磁场下一块掺锰砷化镓(GaMnAs)样品的极化磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱，其中红线对应磁圆二向色性(MCD)谱，黑线对应极化磁光克尔(KERR)谱。首先利用单色仪分光之后的入射光调节光路。使得入射光照射在样品需要测量的区域。仔细调节制冷器下面的手动三维平移台，使得反射光经过检偏器(A)后，进入探测器(DT)。调节起偏器(P)的通光轴方向，使通过的光强最大。调节光弹调制器MO的快轴和慢轴，使它们与起偏器(P)的通光轴都成45°角。打开第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)，将探测器输出的信号连接到第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)，其中第二锁相放大器(LIA2)的参考信号接光弹调制器的一倍频信号(50KHZ)，第三锁相放大器(LIA3)的参考信号接光弹调制器的二倍频信号(100KHZ)。在零磁场下转动检偏器(A)，使第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)的信号均为零。施加一定磁场，扫描入射波长，就可以进行极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱的同步测量了。锁相放大器读出的数据经过电脑收集处理，就可以得到极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱。进而可以对样品能带结构以及磁性质进行分析。得到的4K温度，0.5T磁场下掺锰砷化镓(GaMnAs)样品的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱如图2所示(横坐标为波长，单位为nm，纵坐标为MCD和KERR信号，单位为弧度rad)。
从上述实例可以看出，本发明提供的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱的同步测量系统确实可以测量样品的极向磁光克尔(KERR)谱和磁圆二向色性(MCD)谱，从而得到样品的能带结构和磁性质。它实现简单，调节方便，拥有较高信噪比，很适合作为自旋相关半导体材料能带及磁性分析系统，在实验室中推广使用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，该系统包括：
一最大功率2w，波长范围覆盖450nm至1500nm的超连续白光光源(LS)，其出射光经过单色仪(SP)后作为样品测试光源；
一单色仪(SP)，用于对白光光源(LS)的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；
一斩波器(CP)，用于对单色仪(SP)出射光进行斩波调制，并为第一锁相放大器(LIA1)提供参考信号，从而得到样品反射光的强度；
一起偏器(P)，用于将单色仪(SP)出射光变为线偏振光；
一光弹调制器(MO)，用于将起偏器(P)出射的线偏光变为周期性偏振调制光；
一宽波段消偏振分光棱镜(BS)，使入射光垂直通过后打到样品上，并将经过样品反射的光的传播方向偏转90°，便于探测器收集；
一消色差透镜(L)，用于聚焦入射光到样品上，并收集样品的反射光；
一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)，提供用于磁光光谱测量的磁场；
一检偏器(A)，用于检测样品反射光偏振态的改变；
一探测器(DT)，用于接收和探测反射光，并将光信号转换为电信号；
第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)，用于检测该探测器(DT)输出信号的对应特定频率的信号幅度；以及
由计算机组成的数据处理与存储系统；
其中，起偏器(P)和光弹调制器(MO)位于入射光路，检偏器(A)位于反射光路；光弹调制器(MO)工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ；光弹调制器(MO)的快轴与慢轴均与起偏器的通光轴成45°角；
反射光路的检偏器(A)采用格兰泰勒棱镜；
第一锁相放大器(LIA1)的参考频率为斩波器频率，第二锁相放大器(LIA2)的参考频率为光弹调制器频率50KHZ，第三锁相放大器(LIA3)的参考频率为光弹调制器频率的两倍100KHZ；第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)同时测量。
2.根据权利要求1所述的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，该系统利用起偏器(P)将单色仪(SP)出射光变为线偏振光，利用光弹调制器(MO)将线偏光变为周期性偏振调制光，利用检偏器(A)检测施加磁场时样品反射光偏振态的改变。
3.根据权利要求1所述的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，所述探测器(DT)、第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)组成信号探测和处理系统，所述探测器(DT)收集和探测经过检偏器(A)的出射光，将光信号转变为电信号，输入到第一锁相放大器(LIA1)、第二锁相放大器(LIA2)和第三锁相放大器(LIA3)中。
4.根据权利要求1所述的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，磁圆二向色性信号与测量信号中频率为50KHZ的成分的幅度成正比，磁光克尔信号与测量信号中频率为100KHZ的成分的幅度成正比。
5.根据权利要求1所述的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，所述宽波段消偏振分光棱镜(BS)使入射光垂直通过后打到样品上，并将经过样品反射的光传播方向偏转90°，这样既解决了入射光与样品必须近似垂直的问题，又保证了反射光收集的方便性；该分光棱镜同时能使通过它的光的偏振特性不改变。
6.根据权利要求1所述的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，所述中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)中设置有一制冷器，用于控制样品的温度，样品放置在该制冷器的冷头上。
7.根据权利要求6所述的极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统，其特征在于，所述超导磁体杜瓦(MG)与所述制冷器相互分离，放置样品的冷头能够伸入超导磁体杜瓦(MG)的室温孔洞中，所述超导磁体杜瓦(MG)用于提供0特斯拉到+5特斯拉范围的垂直样品表面的磁场，所述制冷器能够使样品温度在4K到300K范围变化。
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| Title |
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| Andreas Winter et al..KERR ROTATION AND MAGNETIC CIRCULAR DICHROISM SPECTRA OF FERROMAGNETIC InMnSb AND InMnAs.《Rev.Adv.Mater.Sci.》.2009,第20卷92-100. |
| KERR ROTATION AND MAGNETIC CIRCULAR DICHROISM SPECTRA OF FERROMAGNETIC InMnSb AND InMnAs;Andreas Winter et al.;《Rev.Adv.Mater.Sci.》;20091231;第20卷;92-100 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102654450A (zh) | 2012-09-05 |
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