专利摘要
本发明涉及材料表面磁性测量领域，一种磁化矢量测量方法，测量装置包括光源、非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III、半透明反射镜、物镜、样品、样品台、磁体、旋转台、补偿器、检偏器、非球面镜IV、光电探测器、锁相放大器、步进电机、计算机，所述光源、非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III、半透明反射镜、物镜依次组成照明光路，所述物镜、半透明反射镜、补偿器、检偏器、非球面镜IV依次组成成像光路，能够在宽场磁光克尔显微镜中实现了克尔对比度的分离和增强，能够得到任何样品的表面磁化的三维矢量图，并在观测样品中磁畴的实验中抑制了棱镜中的寄生法拉第效应的贡献，增加对比度和信噪比。
权利要求
1.一种磁化矢量测量方法，测量装置主要包括光源、非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III、半透明反射镜、物镜、样品、样品台、磁体、旋转台、补偿器、检偏器、非球面镜IV、光电探测器、锁相放大器、步进电机、计算机，所述光源、非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III、半透明反射镜、物镜依次组成照明光路，所述物镜、半透明反射镜、补偿器、检偏器、非球面镜IV依次组成成像光路，样品位于样品台上，所述样品、样品台、旋转台依次位于物镜下方，光源发出的光依次经过非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射，样品表面的反射光经物镜汇集后依次经过半透明反射镜、补偿器、检偏器、非球面镜IV后进入光电探测器，所述磁体由正极和负极组成，样品台具有中心轴，样品台能够绕中心轴在水平面内旋转，所述磁体的正极和负极相对于样品台中心轴对称，磁体固定于旋转台上，并能够随旋转台绕样品台中心轴360度旋转，所述光源由四个成十字形排列的长方形LED灯组成，所述四个LED灯为灯I、灯II、灯III和灯IV，每个LED灯均连接有一根光纤，所述光纤的直径为1.5毫米，LED灯发出的光通过光纤引导至光源的输出端，每个LED灯输出功率均为150毫瓦，每个LED灯发出的光的波长均为600纳米，通过调整非球面镜I、非球面镜II、视场光阑和非球面镜III的位置，使得光源的输出端成像于物镜的背聚焦平面，
其特征是，测量不同方向克尔灵敏度的方法为：
测量纯极向克尔灵敏度的方法：开启灯I、灯II、灯III和灯IV，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
测量竖直方向的纵向克尔灵敏度的方法：开启灯I和灯III，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
测量水平方向的纵向克尔灵敏度的方法：开启灯II和灯IV，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
抑制极向灵敏度的方法：以脉冲序列模式开启和关闭光源的LED，开启灯I两微秒后关闭，然后开启灯III两微秒后关闭，如此重复，并与光电探测器同步，处理光电探测器探测到的电流后，得到两组连续的具有相反入射角的图像，将两组图像相减，从而得到纯面内灵敏度；
获得多成分的成像的方法：交替地开启和关闭灯I和灯IV，开启灯I两微秒后关闭，然后开启灯IV两微秒后关闭，如此重复，能够在正交灵敏度条件下得到样品中的磁畴图案；
测量二次磁光克尔信号方法的步骤为：
一.初始时，样品易磁轴方向与光入射平面平行，将该方向定义为γ＝0；
二.将磁场方向调至沿光入射平面方向，此时的角度定义为磁场角度x＝0；
三.通过计算机控制步进电机以及锁相放大器，在某一个固定的样品方向γ记录光电探测器的电流，所述电流作为磁场方向的函数，调节磁场方向，磁场角度x取值范围从0到360度，步进0.1度；
四.重复第三步骤五次，并对结果取平均，得到光电探测器的电流相对于磁场方向的变化；
五.旋转样品台，在样品角度γ范围0到180度，每隔10度都实施以上测量步骤三和步骤四；
六.二次磁光克尔信号分量的抽取，分离光电探测器测得的光强包括的线性和二次克尔信号，如果克尔角θ远小于检偏器的偏移角δ，测得的光强和克尔角之间的关系能够由 表示，其中I0为克尔旋转为0时从样品表面反射的光强；
七.将得到的数据按照公式 拟合，从而得到样品角度γ对应的Q1和Q2的值，进而求得样品的各向异性二次磁光耦合常数AG以及各项同性的磁光克尔耦合常数
说明书
技术领域
本发明涉及材料表面磁性测量领域，尤其是一种采用特殊光源及磁体结构的一种磁化矢量测量方法。
背景技术
磁光克尔效应测量装置是材料表面磁性研究中的一种重要手段，其工作原理是基于由光与磁化介质间相互作用而引起的磁光克尔效应，其不仅能够进行单原子层厚度材料的磁性检测，而且可实现非接触式测量，在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。克尔显微镜是一种常用的装置，其工作原理为：平面偏振光与非透明的磁性媒介表面相互作用后，被反射的光的偏振平面产生了顺时针或逆时针的旋转，其旋转方向与媒介的磁化方向有关，通常反射光中的椭圆偏振是叠加的，反射光经过反射光路中的检偏器后，克尔旋转转变为磁畴对比度，从而得到样品表面不同区域的磁畴的磁化特征。现有技术缺陷一：传统的克尔显微镜使用机械机构来调整光阑狭缝来改变样品上的照亮区域，而这不易满足实验的精度要求；现有技术缺陷二：对于具有较小克尔旋转的材料或稀磁半导体薄膜样品，不能得到分辨率较好的图像，所述一种磁化矢量测量方法能解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用十字形排列的LED灯组作为光源，无需光阑狭缝来改变样品上的照亮区域，能够测量并实时显示样品表面磁化矢量的x分量和y分量，并能够将样品表面磁化的面内分量和面外分量产生的对比度区分开来，增加了信噪比，并减少了寄生法拉第效应，提升了装置灵敏度。
本发明所采用的技术方案是：
测量装置主要包括光源、非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III、半透明反射镜、物镜、样品、样品台、磁体、旋转台、补偿器、检偏器、非球面镜IV、光电探测器、锁相放大器、步进电机、计算机，所述光源、非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III、半透明反射镜、物镜依次组成照明光路，所述物镜、半透明反射镜、补偿器、检偏器、非球面镜IV依次组成成像光路，样品位于样品台上，所述样品、样品台、旋转台依次位于物镜下方，光源发出的光依次经过非球面镜I、非球面镜II、视场光阑、偏振器、非球面镜III，被半透明反射镜转变为线偏振后偏向进入物镜，并汇聚到样品表面，被样品表面反射，样品表面的反射光经物镜汇集后依次经过半透明反射镜、补偿器、检偏器、非球面镜IV后进入光电探测器，所述磁体由正极和负极组成，样品台具有中心轴，样品台能够绕中心轴在水平面内旋转，所述磁体的正极和负极相对于样品台中心轴对称，磁体固定于旋转台上，并能够随旋转台绕样品台中心轴360度旋转，所述光源由四个成十字形排列的长方形LED灯组成，所述四个LED灯为灯I、灯II、灯III和灯IV，每个LED灯发出的光的波长均为600纳米，每个LED灯均连接有一根光纤，所述光纤的直径为1.5毫米，LED灯发出的光通过光纤引导至光源的输出端，每个LED灯输出功率均为150毫瓦，通过调整非球面镜I、非球面镜II、视场光阑和非球面镜III的位置，使得光源的输出端成像于物镜的背聚焦平面。
使用旋转磁场方法来抽取二次磁光克尔信号分量，优点是对二次以及线性磁光克尔信号都较灵敏，能够从单晶或者薄膜样品中抽取二次磁光克尔信号。
技术原理如下：样品中的极向克尔效应对应的样品磁化方向为面外，纵向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并沿着光的入射面，横向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并与光入射平面垂直。通过改变入射光偏振平面的方向、光的入射角的方向、样品的磁化方向，能够将样品中的极向克尔效应和纵向克尔效应区分开来，横向克尔效应会引起反射光的幅度变化。根据克尔效应的折射规则，能够得出一个简单的法则：探测得到的样品表面的克尔对比度与沿反射光束传播方向的磁化成分成正比，例如入射光垂直入射到样品表面，反射光垂直反射，样品中的面内磁化磁畴没有沿着反射光传播方向的分量，即没有显示出对比度。相反，样品中的面外磁化的磁畴中，存在最大的矢量分量，即显示出极向克尔效应的最大对比度。因此，为了得到面内磁化磁畴之间的对比度差异，即区分不同的面内磁化磁畴，需要斜入射光：根据入射光平面及入射光的方向，样品表面不同磁化方向的磁畴所反射的光在探测器中会表现出不同的克尔对比度，因此能够将不同磁化方向的磁畴区别开来。
磁化晶体的磁光特性可以由随磁化变化的磁导率张量来描述，这个张量可以表示为公式一： 其中，Kijk和Gijkl分别为线性的和二次的磁光张量，mk和ml分别为磁化在k和l方向的分量， 是介电张量，采用翁萨格倒易关系以及晶体的立方对称性，磁导率张量能够采用以下参数完全展开 n为光在磁化晶体中的折射率，Kijk＝Kjki＝Kkij＝K，K是线性磁光耦合常数，i≠j时，二次磁光耦合常数有下列关系Giiii＝G11，Giijj＝G12，G1212＝G1313＝G2323＝G44，在面内磁化的样品中，如果在样品磁化饱和时进行测量，面外的磁化分量可以被忽略。这种情况下，通过在入射媒介-样品界面处求解麦克斯韦方程，并使用上述磁导率张量，便能够得到完整的磁光克尔角，对于s偏振光，克尔角表示为如下公式二：
其中， 各向异性的磁光耦合常数ΔG＝(G11-G12-2G44)， 是入射角，γ是样品中面内易磁轴方向与光入射面的夹角，mL为磁化在平行于光入射平面的方向的分量，mT为为磁化在垂直于光入射平面的方向的分量，N0为光在入射媒介中的折射率。
根据上述公式二，二次磁光克尔效应具有时间反演对称性而纵向磁光克尔效应使得时间反演对称性产生破缺。对于晶体的面内旋转，线性磁光耦合是各向同性的，二次磁光耦合参数是各向异性的。如果在旋转磁场中，样品饱和时测量克尔信号，上述公式二能够简化为如下公式三： 其中， x为磁场与光入射平面的夹角。
二次磁光克尔信号分量的抽取：
实验中测得的光强包括了线性克尔信号和二次克尔信号的贡献，需要将两者分离。由于在光束接近法相入射时纵向磁光克尔效应减小而二次磁光克尔效应达到饱和，因此为了避免线性磁光克尔效应过大而覆盖了二次磁光克尔效应，使用较小的入射角比如10度。
为了抽取磁光克尔效应系数，使用旋转磁场方法固定样品方向，使用光电探测器记录各个磁场条件下(0到360度)的光强由于线性磁光克尔效应和二次磁光克尔效应对磁场角度的依赖关系不同，能够分离并抽取纵向磁光克尔效应和二次磁光克尔效应系数然后通过固定样品角度γ并重复上述步骤，这个样品角度条件下的磁光克尔效应系数就能被抽取。如果克尔角θ比反射光相对于检偏器的偏移角δ小很多，测得的光强和克尔角之间的关系可以由公式四表示，公式四为： 将公式三代入公式四，得到下列公式五： 其中Q1＝b+c×cos4γ，Q2＝c×sin4γ，将得到的数据按照公式五拟合，从而得到γ对应的Q1和Q2的值，进而求得样品的各向异性二次磁光耦合常数ΔG以及各项同性的磁光克尔耦合常数
所述一种磁化矢量测量方法包括测量纯极向克尔灵敏度的方法、测量竖直方向的纵向克尔灵敏度的方法、测量水平方向的纵向克尔灵敏度的方法、抑制极向灵敏度的方法、获得多成分的成像的方法、测量二次磁光克尔信号方法。
测量不同方向克尔灵敏度的方法为：
测量纯极向克尔灵敏度的方法：开启灯I、灯II、灯III和灯IV，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
测量竖直方向的纵向克尔灵敏度的方法：开启灯I和灯III，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
测量水平方向的纵向克尔灵敏度的方法：开启灯II和灯IV，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
抑制极向灵敏度的方法：以脉冲序列模式开启和关闭光源的LED，开启灯I两微秒后关闭，然后开启灯III两微秒后关闭，如此重复，并与光电探测器同步，处理光电探测器探测到的电流后，得到两组连续的具有相反入射角的图像，将两组图像相减，从而得到纯面内灵敏度；
获得多成分的成像的方法：交替地开启和关闭灯I和灯IV，开启灯I两微秒后关闭，然后开启灯IV两微秒后关闭，如此重复，能够在正交灵敏度条件下得到样品中的磁畴图案；
测量二次磁光克尔信号方法的步骤为：
一.初始时，样品易磁轴方向与光入射平面平行，将该方向定义为γ＝0；
二.将磁场方向调至沿光入射平面方向，此时的角度定义为磁场角度x＝0；
三.通过计算机控制步进电机以及锁相放大器，在某一个固定的样品方向γ记录光电探测器的电流，所述电流作为磁场方向的函数，调节磁场方向，磁场角度x取值范围从0到360度，步进0.1度；
四.重复第三步骤五次，并对结果取平均，得到光电探测器的电流相对于磁场方向的变化；
五.旋转样品台，在样品角度γ范围0到180度，每隔10度都实施以上测量步骤三和步骤四；
六.二次磁光克尔信号分量的抽取，分离光电探测器测得的光强包括的线性和二次克尔信号，如果克尔角θ远小于检偏器的偏移角δ，测得的光强和克尔角之间的关系能够由 表示，其中I0为克尔旋转为0时从样品表面反射的光强；
七.将得到的数据按照公式 拟合，从而得到样品角度γ对应的Q1和Q2的值，进而求得样品的各向异性二次磁光耦合常数ΔG以及各项同性的磁光克尔耦合常数
本发明的有益效果是：
本发明在宽场磁光克尔显微镜中实现了克尔对比度的分离和增强，能够得到任何样品的表面磁化的三维矢量图，并在观测样品磁畴的实验中抑制了棱镜中的寄生法拉第效应的贡献，增加了对比度和信噪比。另外，使用旋转磁场方法来抽取二次克尔效应分量，无需像矢量磁铁那样需要精确地实时测量其强度及方向。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图，图2是光源的侧面放大示意图。
图中，1.光源，1-1.灯I，1-2.灯II，1-3.灯III，1-4.灯IV，2.非球面镜I，3.非球面镜II，4.视场光阑，5.偏振器，6.非球面镜III，7.半透明反射镜，8.物镜，9.样品，10.样品台，11.磁体，12.旋转台，13.补偿器，14.检偏器，15.非球面镜IV，16.光电探测器。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，如图2是光源的侧面放大示意图，测量装置主要包括光源1、非球面镜I 2、非球面镜II3、视场光阑4、偏振器5、非球面镜III6、半透明反射镜7、物镜8、样品9、样品台10、磁体11、旋转台12、补偿器13、检偏器14、非球面镜IV15、光电探测器16、锁相放大器、步进电机、计算机，所述光源1、非球面镜I 2、非球面镜II 3、视场光阑4、偏振器5、非球面镜III6、半透明反射镜7、物镜8依次组成照明光路，所述物镜8、半透明反射镜7、补偿器13、检偏器14、非球面镜IV15依次组成成像光路，样品9位于样品台10上，所述样品9、样品台10、旋转台12依次位于物镜8下方，光源1发出的光依次经过非球面镜I 2、非球面镜II3、视场光阑4、偏振器5、非球面镜III6，被半透明反射镜7转变为线偏振后偏向进入物镜8，并汇聚到样品9表面，被样品9表面反射，样品9表面的反射光经物镜8汇集后依次经过半透明反射镜7、补偿器13、检偏器14、非球面镜IV15后进入光电探测器16，所述磁体11由正极和负极组成，样品台10具有中心轴，样品台10能够绕中心轴在水平面内旋转，所述磁体11的正极和负极相对于样品台中心轴对称，磁体11固定于旋转台12上，并能够随旋转台12绕样品台中心轴360度旋转，所述光源1由四个成十字形排列的长方形LED灯组成，所述四个LED灯为灯I 1-1、灯II 1-2、灯III1-3和灯IV 1-4，每个LED灯均连接有一根光纤，所述光纤的直径为1.5毫米，LED灯发出的光通过光纤引导至光源1的输出端，每个LED灯输出功率均为150毫瓦，每个LED灯发出的光的波长均为600纳米，通过调整非球面镜I 2、非球面镜II 3、视场光阑4和非球面镜III6的位置，使得光源的输出端成像于物镜8的背聚焦平面。
使用旋转磁场方法来抽取二次磁光克尔信号分量，优点是对二次以及线性磁光克尔信号都较灵敏，能够从单晶或者薄膜样品中抽取二次磁光克尔信号。
技术原理如下：样品中的极向克尔效应对应的样品磁化方向为面外，纵向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并沿着光的入射面，横向克尔效应对应的样品磁化方向为面内并与光入射平面垂直。通过改变入射光偏振平面的方向、光的入射角的方向、样品的磁化方向，能够将样品中的极向克尔效应和纵向克尔效应区分开来，横向克尔效应会引起反射光的幅度变化。根据克尔效应的折射规则，能够得出一个简单的法则：探测得到的样品表面的克尔对比度与沿反射光束传播方向的磁化成分成正比，例如入射光垂直入射到样品表面，反射光垂直反射，样品中的面内磁化磁畴没有沿着反射光传播方向的分量，即没有显示出对比度。相反，样品中的面外磁化的磁畴中，存在最大的矢量分量，即显示出极向克尔效应的最大对比度。因此，为了得到面内磁化磁畴之间的对比度差异，即区分不同的面内磁化磁畴，需要斜入射光：根据入射光平面及入射光的方向，样品表面不同磁化方向的磁畴所反射的光在探测器中会表现出不同的克尔对比度，因此能够将不同磁化方向的磁畴区别开来。
所述一种磁化矢量测量方法包括测量纯极向克尔灵敏度的方法、测量竖直方向的纵向克尔灵敏度的方法、测量水平方向的纵向克尔灵敏度的方法、抑制极向灵敏度的方法、获得多成分的成像的方法、测量二次磁光克尔信号方法。
测量不同方向克尔灵敏度的方法为：
测量纯极向克尔灵敏度的方法：开启灯I 1-1、灯II 1-2、灯III1-3和灯IV 1-4，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
测量竖直方向的纵向克尔灵敏度的方法：开启灯I 1-1和灯III1-3，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
测量水平方向的纵向克尔灵敏度的方法：开启灯II 1-2和灯IV1-4，处理光电探测器探测到的电流后得到磁畴图像；
抑制极向灵敏度的方法：以脉冲序列模式开启和关闭光源的LED，开启灯I两微秒后关闭，然后开启灯III两微秒后关闭，如此重复，并与光电探测器同步，处理光电探测器探测到的电流后，得到两组连续的具有相反入射角的图像，将两组图像相减，从而得到纯面内灵敏度；
获得多成分的成像的方法：交替地开启和关闭灯I 1-1和灯IV1-4，开启灯I 1-1两微秒后关闭，然后开启灯IV1-4两微秒后关闭，如此重复，能够在正交灵敏度条件下得到样品中的磁畴图案；
测量二次磁光克尔信号方法的步骤为：
一.初始时，样品易磁轴方向与光入射平面平行，将该方向定义为γ＝0；
二.将磁场方向调至沿光入射平面方向，此时的角度定义为磁场角度x＝0；
三.通过计算机控制步进电机以及锁相放大器，在某一个固定的样品方向γ记录光电探测器的电流，所述电流作为磁场方向的函数，调节磁场方向，磁场角度x取值范围从0到360度，步进0.1度；
四.重复第三步骤五次，并对结果取平均，得到光电探测器16的电流相对于磁场方向的变化；
五.旋转样品台，在样品角度γ范围0到180度，每隔10度都实施以上测量步骤三和步骤四；
六.二次磁光克尔信号分量的抽取，分离光电探测器16测得的光强包括的线性和二次克尔信号，如果克尔角θ远小于检偏器的偏移角δ，测得的光强和克尔角之间的关系能够由 表示，其中I0为克尔旋转为0时从样品9表面反射的光强；
七.将得到的数据按照公式 拟合，从而得到样品角度γ对应的Q1和Q2的值，进而求得样品的各向异性二次磁光耦合常数ΔG以及各项同性的磁光克尔耦合常数
采用十字形排列的LED灯组作为光源，无需光阑狭缝来改变样品上的照亮区域，减小了实验中的机械不稳定性，能够得到分辨率较好的图像，并节省了测量时间。另外，使用旋转磁场方法来抽取二次克尔效应分量，无需像矢量磁铁那样需要精确地实时测量其强度及方向，简化了装置结构，优化了实验步骤。
一种磁化矢量测量方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
动态评分
0.0