[发明专利]一种纳米结构磁性测量方法

权利要求书

1.一种纳米结构磁性测量方法，测量装置主要包括激光器、分束器、凸透镜I、光电探测器、锁相放大器、棱镜偏振器、凸透镜II、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、凸透镜III、波片I、透镜台、原子力显微镜、探针、样品、磁铁、样品台、信号发生器、示波器、波片II、凸透镜IV、平面镜，激光器的波长在400纳米到800纳米范围可调，xyz为空间直角坐标系、xy平面为水平面，zx平面与水平面垂直，原子力显微镜位于透镜台下方，探针位于原子力显微镜下方，所述探针为原子力显微镜探针且为圆台形状，所述圆台的上底面直径为3微米、下底面直径为1.5微米，所述圆台的轴线方向与水平面垂直，样品、磁铁及样品台依次位于探针的正下方，所述探针中具有通孔I和通孔II，所述通孔I、通孔II的轴线和探针圆台的轴线均位于zx平面内，所述通孔I和通孔II的轴线分别位于探针圆台轴线的两侧、且均与所述探针圆台轴线成45度角，光电探测器与锁相放大器电缆连接，信号发生器、示波器分别电缆连接样品台，保偏光纤I具有慢轴和快轴，棱镜偏振器的透射轴与保偏光纤I的慢轴平行，保偏光纤I的慢轴位于电光调制器的横磁轴和横电轴之间夹角的角平分线上，电光调制器的横磁轴与保偏光纤II的慢轴平行，所述探针中的通孔I和通孔II的直径均为200纳米，所述保偏光纤I长度为2米，所述保偏光纤II长度为9米，波片I为半波片，波片II为1/4波片，激光器发出的光依次经过分束器、棱镜偏振器、凸透镜II、保偏光纤I后，进入电光调制器，光在电光调制器中形成两个正交的偏振分量为面内偏振和面外偏振，且每个分量加上相位φ(t)＝φ₀cos(ωt)，两个光分量的相位时间差为τ，光束从电光调制器出来后进入保偏光纤II，光的两个正交的偏振分量分别沿保偏光纤II的快轴和慢轴传输，光离开保偏光纤II后，依次通过凸透镜III、波片I、透镜台、原子力显微镜、通孔I到达样品表面，并第一次被反射，第一次反射光依次经过通孔II、原子力显微镜、透镜台、波片II、凸透镜IV到达平面镜，并第二次被反射，第二次反射光依次经过凸透镜IV、波片II、透镜台、原子力显微镜、通孔II到达样品表面，并第三次被样品表面反射，第三次反射光依次经过通孔I、原子力显微镜、透镜台、波片I、凸透镜III、保偏光纤II、电光调制器、保偏光纤I、凸透镜II、棱镜偏振器，再被分束器偏转后，经过凸透镜I进入光电探测器，第三次反射光的两个偏振分量在光电探测器处发生干涉，分别沿保偏光纤II的慢轴和快轴传输的光的两个正交偏振分量，从保偏光纤II输出后对应的琼斯矩阵分别表示为和在经过波片I后，所述光的两个正交偏振分量对应的琼斯矩阵转变为和其由为相位角，定义为表示光束在经过样品表面的两次反射后回到电光调制器整个过程的琼斯矩阵，光电探测器中得到的光的两个正交偏振分量的相位差表示为相位差在x、y、z方向的分量分别为α_x、α_y、α_z，对光电探测器中得到的光电流进行傅里叶分析，锁相放大器得到光电流的一阶谐波分量：

和二阶谐波分量：

考虑对称性，α_K简化为其中ω是电光调制器的时间依赖的相位φ(t)的角频率，I_inc是激光器发射的光的光强，γ为光束两次经过下列光学元件：分束器、棱镜偏振器、凸透镜II、保偏光纤I、电光调制器、保偏光纤II、凸透镜III、凸透镜IV，并被样品表面反射两次后光强的剩余比例，J₁和J₂分别是一阶和二阶是贝塞尔方程，α_K是样品磁化分量的线性方程，x、y、z方向的样品磁化分量m_x、m_y、m_z对α_K的贡献取决于样品的反射系数、光路中的光学元件，

其特征是，所述一种纳米结构磁性测量方法的步骤分别如下：

测量纵向克尔效应的方法：

一.调整波片I的快轴与y方向成22.5度，调整波片II的快轴与y方向一致，使得在经过波片I后，入射光的两个正交偏振分量对应的琼斯矩阵为

二.通过原子力显微镜使得探针逼近样品表面，令探针在二微米范围内扫描，扫描速度2纳米/秒，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

三.探针向上回缩距离50纳米，并关闭原子力显微镜的扫描反馈；

四.调整激光器的位置，使得激光器发出的激光束进入探针的通孔I，激光束在样品表面反射后形成的第一次反射光依次通过探针的通孔II、波片II、凸透镜IV到达平面镜，并被平面镜反射形成第二次反射光；

五.调整凸透镜IV和平面镜位置，使得第二次反射光通过探针的通孔II射到样品表面，并形成第三次反射光；

六.第三次反射光依次经过探针的通孔I、原子力显微镜、透镜台、波片I、凸透镜III、保偏光纤II、电光调制器、保偏光纤I、凸透镜II、棱镜偏振器后被分束器偏转，经过凸透镜I进入光电探测器，光束的两个偏振分量在光电探测器处发生干涉；

七.光电探测器输出信号至锁相放大器进行傅里叶分析后得到差分相位，在这个条件下，光强一阶谐波分量

纵向克尔旋转r_p和r_s分别为P偏振光和S偏振光在样品表面的反射率；

八.由公式计算得到克尔旋转；

测量极向克尔效应方法：

一.调整波片I的快轴与y方向成22.5度，调整波片II的快轴与y方向一致，使得在经过波片I后，入射光的两个正交偏振分量对应的琼斯矩阵为

二.通过原子力显微镜使得探针逼近样品表面，令探针在二微米范围内扫描，扫描速度2纳米/秒，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

三.探针向上回缩距离50纳米，并关闭原子力显微镜的扫描反馈；

四.调整激光器的位置，使得激光器发出的激光束进入探针的通孔I，激光束在样品表面反射后形成的第一次反射光依次通过探针的通孔II、波片II、凸透镜IV到达平面镜，并被平面镜反射形成第二次反射光；

五.调整凸透镜IV和平面镜位置，使得第二次反射光通过探针的通孔II射到样品表面，并形成第三次反射光；

六.第三次反射光依次经过探针的通孔I、原子力显微镜、透镜台、波片I、凸透镜III、保偏光纤II、电光调制器、保偏光纤I、凸透镜II、棱镜偏振器后被分束器偏转，经过凸透镜I进入光电探测器，光束的两个偏振分量在光电探测器处发生干涉；

七.光电探测器输出信号至锁相放大器进行傅里叶分析后得到差分相位，在这个条件下，光强一阶谐波分量

极向克尔旋转r_p和r_s分别为P偏振光和S偏振光在样品表面的反射率，

八.由公式计算得到克尔旋转；

测量横向克尔效应方法：

一.移除波片I，调整波片II的快轴与y方向成45度，使得在经过波片I后，入射光的两个正交偏振分量对应的琼斯矩阵为和

二.通过原子力显微镜使得探针逼近样品表面，令探针在二微米范围内扫描，扫描速度2纳米/秒，通过扫描中得到的样品表面轮廓来确定样品边缘位置；

三.探针向上回缩距离50纳米，并关闭原子力显微镜的扫描反馈；

四.调整激光器的位置，使得激光器发出的激光束进入探针的通孔I，激光束在样品表面反射后形成的第一次反射光依次通过探针的通孔II、波片II、凸透镜IV到达平面镜，并被平面镜反射形成第二次反射光；

五.调整凸透镜IV和平面镜位置，使得第二次反射光通过探针的通孔II射到样品表面，并形成第三次反射光；

六.第三次反射光依次经过探针的通孔I、原子力显微镜、透镜台、波片I、凸透镜III、保偏光纤II、电光调制器、保偏光纤I、凸透镜II、棱镜偏振器后被分束器偏转，经过凸透镜I进入光电探测器，光束的两个偏振分量在光电探测器处发生干涉；

七.光电探测器输出信号至锁相放大器进行傅里叶分析后得到差分相位，在这个条件下，光强一阶谐波分量横向克尔旋转r_p和r_s分别为P偏振光和S偏振光在样品表面的反射率；

八.由公式计算得到克尔旋转。