[发明专利]一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统

说明书

技术领域

本发明属于半导体光学性质测试和磁性材料磁学性质测试技术领域，特别涉及磁性半导体磁光光谱、磁滞回线、居里温度和磁晶各向异性的测量技术，具体地说，涉及一种可调整测量几何的磁光圆偏振二向色性测量系统

背景技术

稀磁半导体同时具有磁性和半导体的性质，既可应用于信息存储也可应用于信息处理，是当前颇受重视的新型材料。由于赛曼效应的存在，外磁场会引起半导体能带发生分裂，分裂后的能带不仅有不同的能量，还有不同的自旋取向，这时半导体的光吸收性质会发生相应的变化，它不仅有波长选择性，而且也有光学偏振态选择性。磁光圆偏振二向色性(MagneticCircular Dichroism)就是测量左旋和右旋两种圆偏振光通过材料吸收后的光强差，它的频谱分布能够反映材料的能带结构，它在特定光波长处的磁场强度依赖性能反映材料的磁化过程。

人们通常用超导量子干涉器件(SQUID)是用来测量稀磁半导体的磁学性质，然而，这种仪器只能测量放进仪器中的整个样品的总体磁化，这不利于表征某一特定材料的磁学性质。尽管人们从GaN:Mn、GaAs:Cr和ZnO:Ni的SQUID测量结果认为它们是稀磁半导体，但用磁光圆偏振二向色性测量却没有观察到任何信号，所以人们对于SQUID测量到的磁学性质的来源一直存在争议(Science，312，pp1883-1884，2006)。磁光圆偏振二向色性测量比SQUID测量能提供更丰富的信息，人们对这种新的测试手段也倾注了更多的关注。但是，SQUID能测量材料的磁晶各向异性，尤其是磁场沿薄膜平面方向的磁化特性，而关于用磁光圆偏振二向色性来表征磁晶各向异性的研究却未见报道，所以这个问题亟待解决。

磁光圆偏振二向色性测量的是材料对左旋和右旋圆偏振光的光吸收系数的差。通常的磁光圆偏振二向色性的探测系统如图1所示(S.Suganoand N.Kojima，Magneto-Optics，Springer，2000)，该系统包括：

一卤素灯或氙灯光源101；

一单色仪102；

一起偏器103；

一光弹调制器104及其控制器105；

一变温磁体系统106；

一光电倍增管107；

一锁相放大器108。

然而，灵敏的光电倍增管只能工作在全暗的环境下，这就要求整个测试在封闭的暗室系统中进行，而且由于光电倍增管的大体积和很差的探测接口兼容能力，所以目前报道的磁光圆偏振二向色性测量系统均是采用光接近垂直入射样品表面的测量几何，所以用磁光圆偏振二向色性来表征的磁化特性均是磁场垂直样品的垂直磁化特性。毫无疑问，要用光电倍增管测量是因为普通的卤素灯的光强太弱，一般的光探测器很难探测到更加微弱的光强变化。另一方面，由于通常的卤素灯的灯丝面积大，光源的准直性很差，光很难聚焦，这就限制了磁光圆偏振二向色性在测量几何上灵活变化，从而造成了几乎没人用磁圆偏振二向色性来研究材料的磁晶各向异性，而这是磁性材料研究中非常重要的一个方面。因此，要从光源上考虑革新磁光圆偏振二向色性测量技术。

超连续产生(Supercontinuum generation)光谱是利用飞秒、皮秒激光导入非线性光纤，利用自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、受激喇曼散射(SRS)及四波混频(FWM)等非线性光学效应，使光脉冲的频谱展宽。由于激光的光功率可以很高，超连续光谱也就能达到很高的能量，Michael Seefeldt等人报道了波长范围900nm，能量达到2.4W的超连续光谱白光光源(Optics Communications，216，pp199-202，2003)，而且几十到几百毫瓦的光功率输出比较容易达到，这足够满足磁光圆偏振二向色性测量。由于光子晶体光纤的芯径可以小于2μm，它能达到与激光器相当的准直性，所以超连续光谱白光很容易聚焦，这为测量带来很大便利。

发明内容