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磁光克尔效应研究
摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时,以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景,引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应,作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法,已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。
关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应

1845年,Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时,透射光的偏振面将发生旋转,首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验,但由于他所谓的表面不够平整,因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时,发现了磁光克尔效应(o-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验,成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface o-optic Kerr effect)的缩写,用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度,且此装置可配置于超高真空系统上面工作,所以成为表面磁学的重要研究方法。

图1 克尔效应示意图
一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时,反射光将是一束椭圆偏振光,而且偏振方向将发生产生旋转。相对于入射的线偏振光(以椭圆的长轴为标志)的偏振面方向有一定的偏转,偏转的角度为克尔转角,短轴与长轴的比为椭偏率,如图1所示。复磁光克尔角定义为:,其大小正比于样品的磁化强度。表1给出了常见的磁性物质在室温下的磁光克尔转角的数值。克尔效应产生的原因如下:当磁性物质在外加磁场作用下磁化或铁磁性物质自发磁化,就让物质本身的折射率造成磁双折射(ic birefringence) 的现象,即其右旋折射率和左旋折射率不相同。一束线偏振光可以分解成两个振幅相同的左旋光与右旋光,而左旋光与右旋光在磁性材料中有不同的吸收和反射系数,不同的传播速度使得两种光产生相位差,同时也能造成振幅上的不同。这样,两个振幅不同、且具有相位
差的左旋光与右旋光在反射后就会叠加成一束椭圆偏振光。
表1 常见磁性物质在室温下的磁光克尔转角
一般情况下,克尔磁光效应分极向克尔磁光效应、纵向克尔磁光效应与横向克尔磁光效应(按磁化强度同入射面的相对取向不同划分),如图2所示。极向克尔磁光效应是指磁化强度矢量M与介质界面垂直时的科尔效应。这是三种克尔效应中,克尔转角最大、最明显的。纵向克尔磁光效应指的是磁化强度矢量M既平行于光的入射面,也平行于介质表面时的科尔效应。横向克尔磁光效应是指磁化方向平行于材料表面但垂直于反射平面的克尔效应。横向克尔磁光效应中事实上仅仅是反射率有微小的变化,没有偏振面的旋转。其最大的优点在于:即使入射光是非极化光源经由磁性介质反射后,其反射光的振幅也是磁光强度矢量的线性函数。
图2 极向、纵向和横向克尔效应示意图


当一束线偏振光入射到不透明的样