磁光克尔效应研究摘要当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。

表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。

本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。

关键词磁光克尔效应磁光特性表面磁光克尔效应一、引言1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。

随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。

1877年John Kerr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-optic Kerr effect)[]1。

1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。

由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可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。

二、光学中的磁光克尔效应当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，透射光线的偏振面与入射θ)[]2。

反射光线的光的偏振面相比有一转角，这个转角被称作磁光法拉第转角(F偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角θ)，这种效应叫做磁光克尔效应。

(K磁光克尔效应包括三种情况[]3：(1)纵向磁光克尔效应，即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应；(2)极向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应；(3)横向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。

三、磁光克尔测量技术(一)工作原理当一束线偏振光入射到不透明的样品表面时，如果样品室各向异性的，反射光将变成椭圆偏振光，并且偏振方向与入射光的偏振方向相比会发生一定角度的偏转。

如果此时样品还处于铁磁状态，铁磁性还会导致反射光偏振面相对于入射θ，如图1所示光的偏振面额外转过一个小的角度，此角即为磁光克尔旋转角K即椭圆长轴和参考轴之间的夹角。

一般而言，由于样品对P偏振光和S偏振光的的吸收率不同，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也要发生变化，而样ε，即品的铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率K椭圆长短轴之比。

(二)发展过程1963年福勒(Fowler)等人首次利用极向磁光克尔效应成功的观察到不透明立方铁氧体3YFeO 和3HoFeO 中的磁畴[]4，同时也测量了垂直入射时这两种材料的极向磁光克尔效应，所用的装置如图2[]4所示。

测试精度在0.1'之内。

图2 福勒极向克尔效应测量在上述设备的基础上，1955年贝尔实验室的洪(Wun)[]4用极头中间打孔的电磁铁代替图2中的线圈，费尔得常熟比蒸馏水更大的偏磷酸盐玻璃做法拉第元件，用光斩波器和锁定放大器来提高信噪比，测定了三溴化铬(3CrBr )的克尔转角.1981年，沈德芳用极向克尔回线翻转的办法研究了Cd-Co 和Cd-Fe 无定形薄膜的退火对补偿温度的影响[]5。

所用的装置如图3[]5所示。

加在X-Y 记录仪X 方向的讯号是与样品磁场成正比的霍尔电压，Y 方向的讯号是与样品垂直方向的磁化强度以及极向克尔效应成比例的差分放大器的输出。

因此连续改变磁场的大小和方向就可以画出一个磁滞回线。

根据回线的有无和大小可以迅速而方便的检查样品的均匀性和克尔效应的大小。

O. 光源L. 准直透镜I. 可变光阑F. 干涉滤波器P. 福斯特型起偏棱镜C. 法拉第补偿元件S. 磁化线圈中的样品G . 格兰—汤姆逊后置检偏器PT.光电倍增管图3 极向克尔回线测试系统1983年，柯纳尔(Connell)借用史密斯(Smith)1969年的工作[]6，用椭偏仪测量了钛铁合金的磁光常数。

方法是先测量椭偏常数Δ和Ψ，在通过迭代计算得到克尔旋转角和椭偏率，据称这一方法的测量精度较高，旋转角和椭偏率的相对测量精度达 005.0。

他还用这些测量结果推算出介电张量的对角元和非对角元。

现在已经发展了多种测量磁光克尔效应的方法，如磁光调制法[]9,8,7、旋转检偏器的位相偏移测定法[]11,10和消光法[]12。

(1) 磁光调制法，早期测量中应用较多的是磁光调制法[]9,8,7，实验装置如图4[]9所示。

在频率为ω的外加交变磁场或电场的驱动下入射电场的偏振面发生微小的调制变化。

最终分析从检偏器出来并被检测的光电信号中的交流成分可得到要测量的克尔角k θ。

测量装置中采用调制锁相技术，因此可获得较高的性噪比。

但是要通过调节检偏器的方位角使信号幅度最大来确定克尔旋转角，带来一定的测量误差和不便。

高次频信号的存在使波形偏离正弦或余弦变化规律，给波形的判断带来困难。

同时调制器的品质因数和使用条件不同也会影响数据的稳定性。

这种方法多用于单波长和单参数克尔角的测量。

图4磁光调制测量装置示意图A. 检偏器B. 光束分裂器D. 光电检测器 P. 起偏器DA.差分放大器 M. 反射镜L .He-Ne 激光器 S. 样品V. 真空泵 EM.电磁铁Ha.霍尔元件 R .X-Y 记录仪PS.直流电源 T. 热电偶FC.磁场控制器H. 插入加热器获加液氮的孔1.激光器；2.光阑；3.起偏器；4.调制元件；5.调制信号源；6.调制线圈；7.样品；8.磁场；9.检偏器；10.测角仪；11.光电探测器和信号放大器；12..示波器；(2) 旋转检偏器的位相偏移测定法旋转检偏器的方法是通过测量检偏器的方位角在不同位置时光信号强度的变化来求得磁光克尔转角和椭偏率吗，实验装置如图5[]2所示。

此方法实验图像清楚，所用光学元件少，避免了某些场合使用特种光学元件所引起的间接测量误差，光谱测量的范围较宽，系统可以自行定标，是一种磁光效应的绝对测量方法，特别适用于材料磁光效应光谱特性的研究。

整个系统易于实现自动化操作，使测量过程更加简单，数据的密度和质量也得到相应的提高。

此装置对一般的磁光样品，绝对测量的准确率可达到[]201.0 。

图5旋转检偏器的实验装置示意图(3) 消光法1996年，朱伟荣对Bader []14,13和Chappert 等人[]15的方案做了修改，提出了一种新的SMOKE 系统[]16，图6为系统的光路示意图[]16。

在偏振镜后面加一分光镜，将光束一分为二，参考光束直接直接送入探测器1，信号光束经过样品和偏振镜2后送入探测器2。

通过测量信号光束和参开光束的比值来消除激光器光强和偏振面不稳定造成的影响。

系统的灵敏度可达 0001.0～ 0002.0。

图6 SMOKE 系统光路图1. 石英光纤；2. 准直镜；3. 光阑；4. 起偏器；5、6. 反光镜；7. 样品；8. 熔石英1/4波长器9. 步进电机；10.检偏器；11.防震光学平台（三）新方法的探索自1985年以来，相继出现了多种SMOKE实验方法，由于SMOKE要求能够达到单原子层厚度磁性检测的灵敏度，因此对光源和检测手段提出了很高的要求。

目前国际常用的是输出功率稳定的偏振激光器作为光源。

如Bader等人[]14,13采用稳定度小于0.1%的偏振激光器。

Chappert等人[]15用Wollaston棱镜分光的方法，将样品反射的光经过Wollaston棱镜分为I偏振光和P偏振光，通过测量两束光的比值来消除光强不稳定造成的影响。

此方法的背景信号非常大，对探测器和后极放大器提出更高的要求。

也有人采用普通的氦氖激光器[]16，在起偏器后加一分光镜，将光束分为信号光和参考光两束。

通过测量两者的比值消除激光器光强和偏振面不稳定造成的影响。

通过对前人测试方法的改进，刘平安等[]17人给出了一种新型SMOKE测量系统。

采用更为普通的半导体激光器作为光源，用常见的硅光电池进行克尔信息的采集，同样成功的测得了磁滞回线。

且整个装置又较高的检测灵敏度，实验装置系统如图7[]所示.这一系统在一些科研机构和大学近代物理实验室使用后均取得良好的实验效果。

图7 SMOKE系统简图复旦大学学生刘方泽、黄鑫尝试利用纵向磁光克尔效应(LOMKE)[]18与旋转磁场结合的方法(ROTMOKE)[]19定量测量Co/IrMn双层膜中的交换偏置各向异性。

通过与LMOKE[]18测量结果的比较，表明通过此方法不容易得到准确地交换偏置各向异性常数。

但是作为一种快捷的研究磁性薄膜性质的方法，如何实现用ROTMOK[]19研究材料的交换偏置各向异性是一个值得研究的方向和值得探索的问题。

四、优势数个原子层所构成的超级薄膜和多层膜的表面磁性，是当今凝聚态物理领域研究的一大热点。

作为一种有效的超薄膜表面磁性测量的实验手段，表面磁光克尔效应(SMOKE)谱正受到广泛的关注和越来越多的重视。

已被广泛应用于磁有序，磁各向异性和刺进耦合等问题的研究[]20。

与其他磁性测量手段相比，SMOKE具有以下四点优势。

1.SMKOE测量的灵敏度高。

国际上现在通用的SOMKE测量装置的测量灵敏度可以达到亚单原子层的磁性。

这一点使得SMOKE在超薄膜磁性的研究中有着重要的地位。

2.SMOKE测量是无损伤测量。

SMOKE测量技术用的“探针”是激光束，测量过程不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的试验样品，这一点非常重要。

3.SMOKE测量得到的信息来源于介质上光斑照射的区域，激光光束的光斑可以聚焦到1mm以下，所以SMOKE可以进行局域磁性的测量。

这是其他磁性测量手段如震动样品磁强计和铁磁共振所无法比拟的。

SMKOE的这一特点使它成为研究不均匀楔形磁性薄膜样品的最好工具。

4.SMOKE测量系统的结构简单，易于与其他的实验设备(特别是超高真空系统)相互兼容，易实现自动化操作。

有助于提高它功能并扩展其研究领域。

五、总结从发现磁光克尔效应到现在，磁光克尔法作为一种测量材料磁性特别是超薄膜磁性材料物性的有效方法，已成为表面刺血研究的重要手段，被广泛应用于磁有序、磁各向异性、磁畴结构[]21、多层膜层间耦合和磁性超薄膜像变行为等问题的研究。

为获得理想的和可供实用的高性能磁光器件，对磁光材料做细致深入的光谱学特性的测量研究和分析具有基础和应用上的双重意义，无疑磁光克尔效应是首选地测量手段。