一種可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色性測量系統的制作方法

專利名稱：一種可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色性測量系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體光學性質測試和磁性材料磁學性質測試技術領域，
特別涉及磁性半導體磁光光譜、磁滯回線、居里溫度和磁晶各向異性的測 量技術，具體地說，涉及一種可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色性測量 系統
背景技術：
稀磁半導體同時具有磁性和半導體的性質，既可應用于信息存儲也可 應用于信息處理，是當前頗受重視的新型材料。由于賽曼效應的存在，外 磁場會引起半導體能帶發生分裂，分裂后的能帶不僅有不同的能量，還有 15不同的自旋取向，這時半導體的光吸收性質會發生相應的變化，它不僅有
波長選擇性，而且也有光學偏振態選擇性。磁光圓偏振二向色性(Magnetic Circular Dichroism)就是測量左旋和右旋兩種圓偏振光通過材料吸收后的 光強差，它的頻譜分布能夠反映材料的能帶結構，它在特定光波長處的磁 場強度依賴性能反映材料的磁化過程。 20 人們通常用超導量子干涉器件(SQUID)是用來測量稀磁半導體的磁
學性質，然而，這種儀器只能測量放進儀器中的整個樣品的總體磁化，這 不利于表征某一特定材料的磁學性質。盡管人們從GaN:Mn、 GaAs:Cr和 ZnO:Ni的SQUID測量結果認為它們是稀磁半導體，但用磁光圓偏振二向 色性測量卻沒有觀察到任何信號，所以人們對于SQUID測量到的磁學性 質的來源一直存在爭議(Science, 312, ppl883-1884， 2006)。磁光圓偏振二 向色性測量比SQUID測量能提供更豐富的信息，人們對這種新的測試手 5 段也傾注了更多的關注。但是，SQUID能測量材料的磁晶各向異性，尤其 是磁場沿薄膜平面方向的磁化特性，而關于用磁光圓偏振二向色性來表征 磁晶各向異性的研究卻未見報道，所以這個問題亟待解決。
磁光圓偏振二向色性測量的是材料對左旋和右旋圓偏振光的光吸收 系數的差。通常的磁光圓偏振二向色性的探測系統如圖1所示(S.Sugano io and N. Kojima, Magneto-Optics, Springer, 2000)，該系統包括
一鹵素燈或氙燈光源101;
一單色儀102;
—起偏器103;
一光彈調制器104及其控制器105;
15 —變溫磁體系統106;
一光電倍增管107;
一鎖相放大器108。
然而，靈敏的光電倍增管只能工作在全暗的環境下，這就要求整個測 試在封閉的暗室系統中進行，而且由于光電倍增管的大體積和很差的探測
20 接口兼容能力，所以目前報道的磁光圓偏振二向色性測量系統均是采用光
接近垂直入射樣品表面的測量幾何，所以用磁光圓偏振二向色性來表征的 磁化特性均是磁場垂直樣品的垂直磁化特性。毫無疑問，要用光電倍增管
測量是因為普通的鹵素燈的光強太弱， 一般的光探測器很難探測到更加微 弱的光強變化。另一方面，由于通常的鹵素燈的燈絲面積大，光源的準直 性很差，光很難聚焦，這就限制了磁光圓偏振二向色性在測量幾何上靈活 變化，從而造成了幾乎沒人用磁圓偏振二向色性來研究材料的磁晶各向異性，而這是磁性材料研究中非常重要的一個方面。因此，要從光源上考慮 革新磁光圓偏振二向色性測量技術。
超連續產生(Supercontinuum generation)光譜是利用飛秒、皮秒激光 導入非線性光纖，利用自相位調制(SPM)、交叉相位調制(XPM)、受激 喇曼散射(SRS)及四波混頻(FWM)等非線性光學效應，使光脈沖的頻譜展寬。由于激光的光功率可以很高，超連續光譜也就能達到很高的能量， Michael Seefeldt等人報道了波長范圍900nm，能量達到2.4W的超連續光譜 白光光源(Optics Communications, 216， ppl99-202, 2003)，而且幾十到 幾百毫瓦的光功率輸出比較容易達到，這足夠滿足磁光圓偏振二向色性測 量。由于光子晶體光纖的芯徑可以小于2pm，它能達到與激光器相當的準直性，所以超連續光譜白光很容易聚焦，這為測量帶來很大便利。

發明內容
本發明的目的在于提供一種可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色性 測量系統，它比通常的磁光圓偏振二向色性測量系統在測量幾何上有更強 的靈活性，在光測量譜范圍上有更強的可拓展性，能提供更多的材料信息。 利用這套系統，既可以測量磁光圓偏振二向色性信號與外磁場的關系，這 與SQUID測量的磁滯回線(M-H依賴關系)相對應；也可以測量磁光圓
偏振二向色性信號與溫度的關系，這對應于SQUID測量的飽和磁化或剩 余磁化的溫度依賴性，可以確定材料的鐵磁居里溫度；還可以測量磁光圓 偏振二向色性信號的光波長依賴性，從而確定材料的能帶結構；最重要的
是還能利用它來測量材料的磁晶各向異性。因此，只要材料有磁光圓偏振
5二向色性，利用本發明可以測到SQUID能測到的所有磁學性質，還能得 到稀磁半導體的能帶結構性質，是表征稀磁半導體的性質的重要工具。
為實現上述目的，本發明提供的可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色
性測量系統，其結構為
一飛秒激光器激發超連續光譜白光，通過一單色儀進行分光，成為波 10長可以調節的單色光，該單色光通過一個消光系數為10—5的格蘭-泰勒棱鏡 純化偏振；
一光彈調制器，其光軸與格蘭-泰勒棱鏡的光軸成45。角，使光成為左 旋和右旋交替變化的圓偏振光；
一樣品，放在低溫磁體的中心； 15 圓偏振光聚焦到樣品上，從樣品反射回來的反射光聚焦到第一光二極
管探測器上；
一鎖相放大器，其參考信號由光彈調制器的控制器提供，用于測左旋 和右旋圓偏振光的光強差。
所述的測量系統，其中，激光器與單色儀之間光軸線上設置一光子晶 20 體光纖，在激光器與光子晶體光纖之間設置一聚焦顯微物鏡，將激光器的 光斑聚焦后耦合至光子晶體光纖中；單色儀與光子晶體光纖之間設置一收 集顯微物鏡，將經光子晶體光纖傳輸的光轉換成平行白光。
所述的測量裝置，其中，格蘭-泰勒棱鏡的偏振方向與入射光的偏振方 向保持一致，以獲得最大的光強。
所述的測量裝置，其中，光彈調制器與樣品之間、樣品與第一光二極 管探測器之間各設有一聚焦透鏡。
所述的測量裝置，其中，光彈調制器與樣品之間設置一個半透半反鏡，
反射的圓偏振光至第二光二極管探測器上實時探測光強的變化。
所述的測量裝置，其中，半透半反鏡與第二光二極管探測器之間設有 一聚焦透鏡。
展開地說，本發明主要是用一個超連續產生光譜白光作為光源，用廉價的光二極管作為探測器來探測光強隨偏振態變化而引起的變化。超連續 光譜白光是通過一個顯微物鏡把飛秒激光器的光耦合進入非線性光子晶 體光纖產生的，產生的白光光譜通過另一個顯微物鏡收集轉變成一束準直 性與激光相當的高亮度光。光經單色儀后頻率被純化，然后經過一個格蘭
-泰勒棱鏡使光的偏振純化到消光比達到10—5，再經過光彈調制器后光被變
成一束左旋和右旋交替變化的圓偏振光。這時需要根據光、磁場和樣品的 幾何構型(既測量幾何)把光照射到樣品上，從樣品反射的光被聚焦到一 個光二極管探測器上，用鎖相放大器測量左旋和右旋圓偏振光的光強差， 從而得到材料對左旋和右旋兩種圓偏振光的吸收系數差。超連續產生白光 的準直性很好，所以光的入射和反射方向容易改變，光又不會因為光的發
散而損失能量，而且，光二極管探測器是適用于強光探測的，它可以被放 在有較大雜散光背景下，所以可以靈活運用測量幾何，測量在各種幾何構 型下材料的磁光圓偏振二向色性。樣品開始平行于Z軸固定，光沿磁場方向垂直入射到樣品表面，經過鏡面反射到光二極管探測器上，這樣能得到 人們通常得到的材料的磁光圓偏振二向色性和垂直磁化特性。然后，樣品 旋轉180°，光通過一個小的掠入射角照到樣品上，這樣去測量反射光的光 強變化就能得磁光圓偏振二向色性和平行磁化特性。如果樣品樣品固定在
x-y平面內，光總是掠入射到樣品上，轉動樣品，可以通過磁光圓偏振二
向色性測量材料的平面磁晶各向異性。


圖1為公知技術的測量裝置。
圖2為本發明的測量裝置示意圖。
圖3為圖2中樣品架的示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，非線性光子晶體光纖203被固定在一個可以旋轉的三維 is 可調支架上，把飛秒激光器201的激光調節到光子晶體光纖前，確保激光 的傳播路線與光子晶體光纖的芯層重合，從而盡量高效率地把激光耦合到 光纖中。由于激光的光斑很大，通常在毫米量級，需要一個聚焦顯微物鏡 202把光聚焦，使光斑直徑為幾個微米，把大部分光都耦合進光纖中，這 樣，超連續光譜白光就產生了。然后用另一個收集顯微物鏡204來收集超連續白光，經過收集顯微物鏡，發散的光被變成一束準直性可以與激光媲 美的平行白光，它的光斑大約為幾毫米，但很容易聚焦。平行的白光照射 進單色儀205經過分光后，這束光就成為波長可以調節的單色光，用超連續產生白光作光源，即用飛秒激光器201在非線性光子晶體光纖203中產 生超連續光譜白光，該光源的波長范圍覆蓋廣，強度大，準直性好，容易 靈活調整，適合于磁光圓偏振二向色性測量。
盡管光子晶體光纖是保持偏振的，但這時光的起偏效率是比較低的，
需要一個消光系數為1『5的格蘭-泰勒棱鏡206來純化偏振，格蘭-泰勒棱鏡 206的偏振方向與入射光的偏振方向保持一致來獲得最大的光強。接下來 放置光彈調制器207，它的光軸與格蘭-泰勒棱鏡206的光軸成45。角，使 光成為左旋和右旋交替變化的圓偏振光。然后光通過聚焦透鏡212聚焦到 樣品上，從樣品反射回來的光通過聚焦透鏡215聚焦到第一光二極管探測
器216上，用鎖相放大器217測左旋和右旋圓偏振光的光強差，鎖相放大 器217的參考信號由光彈調制器的控制器208提供。樣品通過樣品架213 放在低溫磁體214的中心，通過改變從單色儀205出射光的波長測量材料 的能帶結構，通過改變變溫磁體體統214的溫度，測量材料的居里溫度。 樣品架可以繞如圖3所示的z軸旋轉，調整樣品和磁場的夾角。為了實時
跟蹤光強的起伏，在光彈調制器207后面通過一個半透半反鏡209反射出 來，通過聚焦透鏡210聚焦到第二光二極管探測器211上實時探測光強的 變化。本發明用經濟耐用的光二極管探測器216探測光強的變化，光二極 管探測器適用于大光強測量，在開放的強雜散光背景下不易燒壞，可以在 空間中靈活放置；超連續白光是高重復頻率的超短脈沖光，有很高的峰值
功率，可以用于寬頻譜范圍的時間分辨的磁光圓偏振二向色性測量，大大 方便了磁光圓偏振二向色性測量，使我們可以用磁光圓偏振二向色性測量 來表征材料的磁晶各向異性。
本發明的超連續白光的方向和光二極管探測的位置可以同時靈活調 整，而樣品相對于磁場也容易調整角度和方位，所以我們可以構造新的磁 光圓偏振二向色性測量幾何，如V0igt幾何、法拉第幾何等，擴展磁光圓 偏振二向色性的應用。
通過上述步驟，就可以得到材料的磁光圓偏振二向色性信號，變量有 光波長、溫度、磁場強度和測量幾何構型，通過磁光圓偏振二向色性的這 些依賴關系，就可以得到材料的能帶結構、磁滯回線、居里溫度和磁晶各 向異性的信息。
權利要求
1、一種可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色性測量系統，其結構為一飛秒激光器激發超連續光譜白光，通過一單色儀進行分光，成為波長可以調節的單色光，該單色光通過一個消光系數為10-5的格蘭-泰勒棱鏡純化偏振；一光彈調制器，其光軸與格蘭-泰勒棱鏡的光軸成45°角，使光成為左旋和右旋交替變化的圓偏振光；一樣品，放在低溫磁體的中心；圓偏振光聚焦到樣品上，從樣品反射回來的反射光聚焦到第一光二極管探測器上；一鎖相放大器，其參考信號由光彈調制器的控制器提供，用于測左旋和右旋圓偏振光的光強差。
2、 如權利要求1所述的測量系統，其中，激光器與單色儀之間光軸15線上設置一光子晶體光纖，在激光器與光子晶體光纖之間設置一聚焦顯微 物鏡，將激光器的光斑聚焦后耦合至光子晶體光纖中；單色儀與光子晶體 光纖之間設置一收集顯微物鏡，將經光子晶體光纖傳輸的光轉換成平行白 光。
3、 如權利要求1所述的測量裝置，其中，格蘭-泰勒棱鏡的偏振方向 20與入射光的偏振方向保持一致，以獲得最大的光強。
4、 如權利要求1所述的測量裝置，其中，光彈調制器與樣品之間、 樣品與第一光二極管探測器之間各設有一聚焦透鏡。
5、 如權利要求1或4所述的測量裝置，其中，光彈調制器與樣品之 間設置一個半透半反鏡，反射的圓偏振光至第二光二極管探測器上實時探 測光強的變化。
6、 如權利要求5所述的測量裝置，其中，半透半反鏡與第二光二極 管探測器之間設有一聚焦透鏡。
全文摘要
一種可調整測量幾何的磁光圓偏振二向色性測量系統，其結構為一飛秒激光器激發超連續光譜白光，通過一單色儀進行分光，成為波長可以調節的單色光，該單色光通過一個消光系數為10^-5的格蘭-泰勒棱鏡純化偏振；一光彈調制器，其光軸與格蘭-泰勒棱鏡的光軸成45°角，使光成為左旋和右旋交替變化的圓偏振光；一樣品，放在低溫磁體的中心；圓偏振光聚焦到樣品上，從樣品反射回來的反射光聚焦到第一光二極管探測器上；一鎖相放大器，其參考信號由光彈調制器的控制器提供，用于測左旋和右旋圓偏振光的光強差。本發明不僅可以測量材料的磁光圓偏振二向色性的頻譜、磁場強度和溫度依賴性，還可以測量磁性半導體的磁晶各向異性。
文檔編號G01R33/12GK101196559SQ20061016488
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月7日 優先權日2006年12月7日
發明者孫寶權, 甘華東, 趙建華, 鄭厚植 申請人:中國科學院半導體研究所