磁光克爾效應

在1845年，Michael Faraday首先發現了磁光效應，他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發生旋轉的效應，隨後他在外加磁場之金屬 表面上做光反射的實驗，但由於他所謂的表面並不夠平整，因而實驗結果不 能使人信服。1877年John Kerr在觀察偏振化光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發現了磁光克爾效應(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader兩位學者進行鐵超薄膜磊晶成長在金單晶(100)面上的磁光克爾效應做了大量實驗，成功地得到一原子層厚度磁性物質之磁滯回線，並且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的縮寫)來作為表面磁光克爾效應，用以表示應用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由於此方法致磁性解析靈敏度達一原子層厚度，且儀器配置合於超高真空系統之工作，因而成為表面磁學的重要研究方法。表面磁光克爾效應實驗系統是表面磁性研究中的一種重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向異性、層間耦合和磁性超薄膜的相變行為等方面的研究中都有重要應用。應用該系統可以自動掃描磁性樣品的磁滯回線，從而獲 得薄膜樣品矯頑力、磁各異性等方面的信息。

磁光信息存儲是近年發展起來的新技術，是對傳統信息存儲技術的革新。開發更多、性能更加優越，而且實用的磁光介質材料是當前信息存儲領域的一項重要的任務。測量磁光介質的克爾轉角則是研究這些材料的基本手段和方法。對於非開發人員來講，測量磁光克爾轉角的實驗一方面能夠提高進行物理綜合實驗的能力，另一方面對信息存儲的新技術將有更加深刻的理解，能啟發他們利用物理原理在信息存儲技術等領域提出新的設想，做出新的貢獻。

當一束單色線偏振光照射在磁光介質薄膜表面時，部分光線將發生透射，透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉角，這個轉角被叫做磁光法拉第轉角( )。而反射光線的偏振面與入射光的偏振面相比也有一轉角，這個轉角被叫做磁光克爾轉角( )，這種效應叫做磁光克爾效應。

磁光克爾效應包括三種情況：

(1)縱向克爾效應，即磁化強度既平行於介質表面又平行於光線的入射面時的克爾效應；克爾信號的強度隨入射角的減小而減小，垂直入射時為0。縱向克爾信號中克爾旋轉角和克爾橢偏率都比極向克爾信號小一個數量級。從而縱向克爾信號的探測比極向難。但對於薄膜樣品來說，易磁軸一般平行於樣品表面，縱向配置下樣品的磁化強度才容易達到飽和，因此縱向克爾效應對平面內的磁化相當敏感。

(2)極向克爾效應，即磁化強度與介質表面垂直時發生的克爾效應；通常情況下極向克爾效應的強度隨入射角的減小而增大，在垂直入射時達到最大。並且克爾旋轉角最大最明顯。

(3)橫向克爾效應，即磁化強度與介質表面平行時發生的克爾效應；其反射光的偏振狀態沒有變化，因為這種配置下光電場與磁化強度矢積的方向永遠沒有與光傳播方向相垂直的分量。只有p偏振光（偏振方向平行於入射面）入射時才有一個很小的反射率的變化（一般來講只造成長度的跳變，不會造成極化平面的旋轉）。

對於已經寫入了信息的磁光介質，要讀出所寫的信息則需要利用磁光克爾效應來進行。具體方法是：將一束單色偏振光聚焦后照射在介質表面上的某點，通過檢測該點處磁疇的磁化方向來辨別信息的“0”或“1”。例如，被照射的點為正向磁化，則在該點的反射光磁光克爾轉角應為，見下圖，相反被照射的點為反向磁化，則在該點的反射光磁光克爾轉角應為。因此，如果偏振分析器的軸向恰好調整為與垂直於記錄介質的平面成 夾角，那麼在介質上反向磁化點的反射光線將不能通過偏振分析器，而在介質的正向磁化處，反射光則可以通過偏振分析器。這表明反射光的偏振面旋轉了 的角度．這樣，如果我們在經過磁光介質表面反射的光線後方，在通過偏振分析器后的光路上安放一光電檢測裝置(例如光電倍增管)，就可以很方便地辨認出反射點是正向磁化還是反向磁化，也就是完成“0”和“1”的辨認。由此可見，磁光克爾轉角在磁光信息讀出時扮演著十分重要的角色。如果把磁光介質附著在可旋轉的圓盤表面，就構成了磁光碟。磁光碟旋轉時，如果同時有單色偏振光聚焦在磁光碟表面，就可實現光線的逐點掃描，即信息被連續讀出。

測量系統由以下5部分組成：

(1)光學減震平台。

(2)光路系統，包括輸入光路與接收光路。激光器用普通半導體激光器，起偏和檢偏稜鏡都用格蘭一湯普遜稜鏡，光電檢測裝置由孔狀可調光闌、干涉濾色片和硅光電池組成。格蘭一湯普遜稜鏡的機械調節結構由角度粗調和螺旋測角組成，測微頭的線位移轉變為稜鏡轉動的角位移。測微頭分度值為0.01 mm，轉盤分度值為1，通過測微頭線位移的角位移定標可知其測量精度在2 左右。

(3)勵磁電源主機和可程式控制電磁鐵。勵磁電源主機可選擇磁場自動和手動掃描。

(4)前級放大器和直流電源組合裝置。a)將光電檢測裝置接收到的克爾信號作前級放大，並送入信號檢測主機中。b)將霍耳感測器探測到的磁場強度信號作前級放大並送入檢測裝置。c)為激光器提供精密穩壓電源。

(5)信號檢測主機。將前置放大器傳來的克爾信號及磁場強度信號進行二級放大，分別經A/D轉換後送計算機處理，同時用數字電壓表顯示克爾信號及磁場強度信號的大小。D/A提供周期為20 s、40 s、80 S准三角波，作為勵磁電流自動掃描信號。

磁光克爾法是測量材料特性特別是薄膜材料特性的一種有效方法，表面磁光克爾效應作為表面磁學的重要實驗手段，已被廣泛應用於磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜間的相變行為等問題的研究。