[发明专利]极向磁光克尔谱和磁圆二向色性谱同步测量系统

说明书

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ε_xy′成正比；MCD信号与介电张量非对角元的虚部ε_xy″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。