磁光效应

磁光效应

从广义来说，磁光效应是通过光学方法检测被测物体磁性质的方法。一束探测光照射到被测物体上，探测光和被测物体发生相互作用后，探测光离开被测物体，这时探测光的物理状态会发生变化，通过检测这种变化，就可以推断出被测物体的磁性质。从本质上讲，被测物体的磁学性质反映了电子自旋取向分布的状况。因为磁光效应反映的是被测物体的磁性质，所以进行磁光效应测量的时候，经常会给样品施加上磁场，磁光效应的强度会随着外界磁场的变化而变化。

一般来说，磁光效应会使探测光的物理状态发生两种变化：第一种变化是探测光偏振方向变化（Rotation），即入射光和出射光的偏振方向会不同。第二种变化是探测光的椭圆率发生了变化（Elliptically），即入射光和出射光的左旋偏振分量和右旋偏振分量比率会发生变化。从经典光学上讲，磁光效应就是被测物体对左旋偏振光和右旋偏振光的反应不同。

根据光路布局的不同，磁光效应可以分为两类：第一类是Faraday 效应，它的特点是探测光束透射过被测物体。Faraday 效应的优点是探测光和被测物体的作用距离长，所以信号强度相对大，容易测量；Faraday 效应的缺点是被测物体必须是透光的。根据施加到样品上的磁场方向的不同，Faraday 效应有两种实验布局：第一种称为Faraday布局，其特点是外加磁场方向平行于探测光的方向；

图1. Faraday 效应

图2. Faraday布局

第二种称为Voigt布局，其特点是外加磁场方向垂直于探测光的方向。

图3. Voigt布局

第二类磁光效应称为Kerr效应（MOKE），它的特点是探测光束从被测物体上反射而出。Kerr效应的优点是实验操作上简单，缺点是磁光效应弱。

图4. Kerr效应

根据施加到样品上的磁场方向的不同，Faraday 效应有三种实验布局：第一种称为Polar MOKE，它的特点是外加磁场方向垂直于被测物体表面，但平行于入射平面。

图5. Polar MOKE 布局

第二种称为Longitudinal MOKE，它的特点是外加磁场方向平行于被测物体表面，也平行于入射平面。

图6. Longitudinal MOKE布局

第三种称为Transverse MOKE，它的特点是外加磁场方向垂直于入射平面。

由于被测物体的磁学性质仅仅反映了电子自旋取向分布的状况，所以对磁光效应的解释，也完全取决于实验方法和被测物体自身的性质。这也就是说，磁光效应仅仅是一种测试手段。

图7. Transverse MOKE布局

对于磁光效应的测量，根据实验条件的不同，实验布局的差异是非常巨大的。下面我们已Kerr效应为例，对磁光效应的基本测量方法加以说明。Faraday效应的测量与此完全相同。

最简单的测量方法是根据Kerr效应的定义来测量，图8是这种测量的原理图。激光器发射出一束激光，经过起偏器变成线偏振光，照射到被测样品上，探测光经样品反射以后，经过检偏器检偏，照射到光接收器上，检测出光强信息。因为起偏器和检偏器的方向是固定不变的，如果样品的磁性质发生了变化，那么由于Kerr旋转效应，反射光的偏振方向会发生变化，这会使光接收器上的光强发生变化，从而测量出Kerr旋转的强度。

图8. 直接进行Kerr效应测量

由于Kerr效应相对较弱，外界干扰会对测量结果产生非常大的影响，所以直接测量方法没有实用价值。Kerr效应的测量需要用相关检测的方法，一般人们会对入射光的强度进行调制，并在接收端采用光桥接收器以去除共模噪音的干扰，光接收器输出的信号在经过锁相放大器检测，得出最终结果。

上述方法只能测出Kerr旋转，无法测出Kerr椭偏率，而且Kerr效应的强度和探测光的波长有着非常大的关系，所以为了更全面的的测量Kerr效应，人们设计了图9所示的实验布局。光源L发出的光，被光强调制装置C调制成脉冲光，光进入单仪后，选择输出只有单一波长λ的光，然后光再通过起偏器P变成线偏振光，线偏振光再通过光弹性调制器，照射到样品上。光弹性调制器是一种比较特殊的光学部件，它可以对光的旋转性进行调制。光从样品表面反射以后，通过检偏器A，照射到孤傲接收器上。光接收器输出的信号分三路输入到三个锁相放大器上，这三个锁相放大器分别锁定光强调制频率、光弹性调制器调制频率和光弹性调制器调制频率的二次谐波上。根据光路布局，经过Jones矩阵的计算，可以算出，锁相放大器LA1的读数代表总光强值，LA2的读数代表Kerr椭圆率的强度，，LA3的读数代表Kerr旋转的强度。通过改变单仪的输出波长，就可以得到Kerr效应随波长的变化关系。

L

图9. Kerr效应测量原理

Kerr效应测量的实验布局要根据实验条件而采取相应的光路布局方式。Jones矩阵方法是分析偏振光学的强力手段，根据Jones矩阵的分析，我们还可以设计出其它的测量方法，以满足实际需要。

Preamplifier

D

LA1 (f Hz)

LA2 (p Hz)

LA3 (2p Hz)

C

(f Hz)

P

M2

MC

M1

PEM

(p Hz)

A

Electromagnet

S