[发明专利]一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光学性质测试和磁性材料磁学性质测试技术领域，尤其涉及一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统。

背景技术

现代信息技术利用电子的电荷自由度来进行信息处理，而用磁性材料的自旋自由度来存储信息。自旋电子学这个新兴的领域同时利用电子的这两个自由度来产生新的功能，这可能引起未来的信息技术的革新。

由于同时具有磁性和半导体的性质，稀磁半导体成为自旋电子学的应用材料基础。外磁场会通过赛曼效应引起半导体能带发生分裂，分裂后的能带的自旋简并被解除，即加外磁场后每一个能带有不同的能量，角动量和自旋，这时半导体对光的吸收不仅依赖于光的能量而且依赖于光的偏振态。

磁圆偏振二向色性(Magnetic Circular Dichroism)就是测量磁场引起的材料对左旋和右旋两种圆偏振光吸收系数的差，它的频谱分布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。

通常的非磁半导体由于有效g因子很小，它的磁圆偏振二向色性信号很弱，而稀磁半导体由于很强的sp-d交换相互作用引起巨赛曼分裂，这减小了我们探测到它的磁圆偏振二向色性的难度。

超导量子干涉器件(SQUID)是用来测量稀磁半导体的磁学性质的主要仪器。然而，这种仪器非常灵敏，很少量的杂质都会影响到测量结果(Science，312，pp1883-1884，2006)。而且，这种仪器只能测量放进仪器中的整个样品的总体磁化，这也不利于得到单层磁性薄膜的磁化性质。所以，尽管长时间以来人们从SQUID测量结果认为GaN:Mn，GaAs:Cr和ZnO:Ni是稀磁半导体，但磁圆偏振二向色性测量却没有观察到任何信号，所以人们对这些材料是否是稀磁半导体一直都持有不同意见。

因此，磁圆偏振二向色性测量是比SQUID测量更有说服力，它也能提供更多的信息，人们对这种新的测试手段也越来越感兴趣。

如图1所示(S.Sugano and N.Kojima，Magneto-Optics，Springer，2000)，图1为通常的磁圆偏振二向色性的探测系统示意图，该系统包括光源101、单色仪102、起偏器103、光弹调制器104及其控制器105、变温磁体系统106、探测器107和锁相放大器108。采用一个偏振方向的光通过的起偏器103，在起偏器103的后面放一个光弹调制器104，把通过起偏器103的线偏振光变成一束左旋和右旋交替变化的圆偏振光。光通过样品后被聚焦在探测器107上，用锁相放大器108来测量样品对左旋和右旋两种圆偏振光的吸收的差值。

磁圆偏振二向色性测量的是左旋和右旋圆偏振光透过材料后的光强差，这个值通常是入射光强的万分之几或更低，属于微弱信号测量，如何增强测量信号和提高信噪比变得尤其重要，这也是仪器开发中最应该考虑的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，以增强测量信号并提高信噪比。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种增强磁圆偏振二向色性信号和提高信噪比的测量系统，该系统包括：

用于提供入射光的光源；

用于将光源发出的光变成单色光的单色仪；

用于将单色仪出射的光聚焦到渥拉斯顿棱镜上的第一凸透镜；

用于将第一凸透镜聚焦的光分成偏振方向相互垂直的线偏振光O光和E光的渥拉斯顿棱镜；

用于调制渥拉斯顿棱镜分成的O光和E光，产生左旋和右旋圆偏振光强度相等的光弹调制器；

用于控制光弹调制器，并向锁相放大器输出参考信号的光弹调制器控制器；

用于将光弹调制器出射的左旋和右旋圆偏振光强度相等的O光和E光聚焦到固定在变温磁体系统中心的样品上的第二凸透镜；

用于固定样品，实现样品的温度和磁场在较大范围内连续可变，进而研究材料磁圆偏振二向色性的温度和磁场强度依赖关系的变温磁体系统；

用于分别探测从样品透射O光和E光的光强信号，并将探测的O光和E光的光强信号差分输入给锁相放大器的两个探测器；

用于根据接收自两个探测器的光强信号和接收自光弹调制器控制器的参考信号，得到样品的磁圆偏振二向色性信号、光波长、温度和磁场强度的锁相放大器。

所述第一凸透镜为具有很强聚焦能力和很大焦距的凸透镜，以确保透射的光发散很小和会聚的光斑很小。

所述第一凸透镜的焦距为20cm。