[發(fā)明專利]極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210150881.6
• 申請日: 2012-05-15
• 公開（公告）號: CN102654450A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃學(xué)驕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: G01N21/19
• 分類號: G01N21/19;G01R33/12
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁學(xué)和半導(dǎo)體自旋電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于對半導(dǎo)體自旋電子學(xué)材料(比如：稀磁半導(dǎo)體材料)的自旋相關(guān)光學(xué)性質(zhì)的測量，提供一種極向磁光克爾(KERR)譜和磁圓二向色性(MCD)譜同步測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

由于很多物質(zhì)存在法拉第效應(yīng)與克爾效應(yīng)，因此磁光光譜探測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物和工程技術(shù)領(lǐng)域。特別時(shí)近年來隨著自旋電子學(xué)的興起，磁光光譜測量系統(tǒng)作為一種重要的測量手段，在自旋電子學(xué)研究中發(fā)揮了重要的作用。

MCD全稱為磁圓二向色性，即在磁場下，物質(zhì)對左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的吸收率不同的現(xiàn)象。克爾效應(yīng)是指在磁場下，垂直入射的線偏振光經(jīng)樣品反射后，反射光的偏振面相對入射光偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；極向克爾效應(yīng)是磁場和入射光方向都垂直于樣品平面時(shí)的克爾效應(yīng)。它們本質(zhì)上反應(yīng)了樣品的折射率張量在磁場中的變化，在反射式配置下，克爾信號與介電張量非對角元的實(shí)部ε_xy′成正比；MCD信號與介電張量非對角元的虛部ε_xy″成正比。

在磁光測量系統(tǒng)中，磁場、光束的偏振狀態(tài)是最關(guān)鍵的兩個(gè)要素。根據(jù)磁光信號對磁場，光波長，光偏振狀態(tài)的依賴關(guān)系，進(jìn)而分析出樣品的能帶結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性質(zhì)等重要物理信息。

通常磁光光譜測量系統(tǒng)分為透射式和反射式兩種，透射式磁光光譜測量系統(tǒng)無法測量不透明樣品的磁光光譜，并且樣品制備極其困難。同時(shí)，大部分反射式磁光光譜測量系統(tǒng)基于電磁鐵和氦循環(huán)制冷機(jī)，測量目的較為單一，配置方案不靈活，信噪比較差，并且無法同時(shí)改變溫度和磁場大小。

如何設(shè)計(jì)一套高信噪比，并且可以靈活改變溫度、磁場、波長的反射式磁光光譜測量系統(tǒng)，是各磁學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)室期待解決的重要技術(shù)問題之一。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的主要目的在于提供一套配置靈活、能同步測量的極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統(tǒng)，在測量過程中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要靈活地改變波長、磁場大小以及樣品的溫度。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種極向磁光克爾譜和磁圓二向色性譜同步測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

一超連續(xù)白光光源(LS)，其出射光經(jīng)過單色儀(SP)后作為樣品測試光源；

一單色儀(SP)，用于對白光光源(LS)的出射光進(jìn)行濾波，僅選擇單一波長的光通過；

一斬波器(CP)，用于對單色儀(SP)出射光進(jìn)行斬波調(diào)制，并為第一鎖相放大器(LIA1)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)提供參考信號，從而得到樣品反射光的強(qiáng)度；

一起偏器(P)，用于將單色儀(SP)出射光變?yōu)榫€偏振光；

一光彈調(diào)制器(MO)，用于將起偏器(P)出射的線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光；

一寬波段消偏振分光棱鏡(BS)，使入射光垂直通過后打到樣品上，并將經(jīng)過樣品反射的光的傳播方向偏轉(zhuǎn)90°，便于探測器收集；

一消色差透鏡(L)，用于聚焦入射光到樣品上，并收集樣品的反射光；

一中心帶有室溫孔洞的超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)，提供用于磁光光譜測量的磁場；

一檢偏器(A)，用于檢測樣品反射光偏振態(tài)的改變；

一探測器(DT)，用于接收和探測反射光，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

第一鎖相放大器(LIA1)、第二鎖相放大器(LIA2)和第三鎖相放大器(LIA3)，用于檢測探測器(DT)輸出信號的對應(yīng)特定頻率的信號幅度；以及

由計(jì)算機(jī)組成的數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)。

上述方案中，所述超連續(xù)白光光源(LS)通過一個(gè)波長為1064nm的泵浦光激發(fā)一個(gè)非線性光纖，得到功率最大2w，波長范圍覆蓋450nm至1500nm的超連續(xù)白光。與傳統(tǒng)的白光光源(如汞燈)相比，該光源具有更大的功率，更好的準(zhǔn)直性，更寬的光譜覆蓋范圍，更均勻的光強(qiáng)分布等顯著優(yōu)點(diǎn)。

上述方案中，該系統(tǒng)利用起偏器(P)將單色儀(SP)出射光變?yōu)榫€偏振光，利用光彈調(diào)制器(MO)將線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光，利用檢偏器(A)檢測施加磁場時(shí)樣品反射光偏振態(tài)的改變。

上述方案中，所述起偏器(P)和檢偏器(A)均是格蘭泰勒棱鏡。所述光彈調(diào)制器(MO)工作在0.25λ模式，工作頻率為50KHZ。所述光彈調(diào)制器(MO)的快軸與慢軸均與起偏器的通光軸成45°角，調(diào)節(jié)檢偏器(A)角度，使無磁場時(shí)樣品反射光的電矢量在檢偏器通光軸方向的分量不隨時(shí)間變化。