[发明专利]一种线性及非线性磁光克尔测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量磁性金属、半金属、半导体薄膜材料以及低维量子结构的时间分辨线性及非线性磁光克尔测量系统。

背景技术

半导体自旋电子学由于具有常规电子学无法比拟的优点而受到了人们广泛的重视。自旋极化以及其动态演化过程的研究是自旋电子学基础物理研究的重要部分。实验上对该问题的研究主要是利用时间分辨磁光克尔旋转技术实现的。其原理是：一束线偏振激光入射到所研究的材料上，由于光子与物质的电子自旋磁矩相互作用产生磁光效应，即材料的折射率发生变化，导致反射后的激光偏振面发生旋转，旋转角即为克尔旋转角。克尔旋转角的大小正比于材料的磁化强度。而对于非磁性半导体，引入圆偏振泵浦光产生自旋极化的载流子，克尔旋转角随着探测光的延迟而振荡，克尔旋转角的大小直接反映了电子自旋的极化度以及自旋在磁场下的相干进动过程。线性磁光克尔测量只能得到薄膜块体平均的磁信息，而无法测量薄膜表面、界面几个原子层内的相关信息。两种不同材料的界面由于存在很大的导电性质差异，因而对自旋通过铁磁性/半导体异质结构时的输运影响很大，直接决定着自旋注入的效率。因此研究界面散射对自旋输运的影响是实现半导体自旋电子器件的关键问题。非线性磁光克尔效应，即磁场引起或增强的二次谐波探测是一种对表面、界面非常敏感的测量技术。对于中心反演对称晶体，在表、界面处反演对称性破缺，可以产生非常大的非线性磁光响应。对于非中心反演对称晶体，可以利用入射、出射光不同的偏振组合，区别晶体本身或磁场引起的二次谐波响应。利用泵浦-探测技术可以得到异质结界面处磁激发的动态响应。

磁场和温度是磁性半导体材料研究中常用的外微扰条件。在光学实验中引入磁场等参数可以增加许多信息，这使得磁光光谱成为表征(磁性)半导体、铁磁薄膜以及半金属材料物性的重要手段。通常情况下，是把样品放置在样品架上，然后把它们浸入到液氦杜瓦中来测量的，因而连续改变样品的测试温度以及磁场的大小是比较困难的。如何把磁场和温度这两个重要的实验参数在磁光光谱测试中有机地结合起来，以及如何区分磁性半导体薄膜中体材料与表、界面不同的自旋激发和磁化信息，是磁光光谱技术期待解决的重要问题之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种线性及非线性磁光克尔测量系统，以同时测量磁性半导体薄膜材料的时间分辨线性与非线性磁光克尔效应，以及测量稳态和动态的自旋极化随时间演化相关信息。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种线性及非线性磁光克尔测量系统，该系统包括：

一超短脉冲激光器，其出射激光用于泵浦和探测样品的线性及非线性磁光克尔效应；

一氦气闭循环制冷机，用于控制样品的温度，样品放置于其带光学窗口的制冷头中；

一气隙和磁场大小可调的适用于磁光测量的电磁铁，提供用于磁光克尔效应测量的磁场；

一激光泵浦光路，用于激发样品，使样品处于非平衡态，激光器出射的激光经偏振分光器透射后，经过反射镜，聚焦透镜垂直聚焦在样品表面上；

一激光探测光路，用于探测样品信号，激光器出射的激光经偏振分光器反射后，经过反射镜、平移装置、聚焦透镜聚焦在样品表面上，其入射方向与样品表面法线夹角为30度，探测束光斑与泵浦束光斑中心重合，探测束光斑的面积小于泵浦束光斑的面积；

一光斑监视系统，用于精确控制泵浦束光斑与探测束光斑的重合度以及它们在样品上的位置；

一线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为基频信号的线性克尔信号被二向色反射镜反射，然后经聚焦透镜聚焦，穿过波片，由沃拉斯顿棱镜分解成偏振相互垂直的两束光，最后被光桥接收；

一非线性克尔信号收集光路，探测束激光经样品、反射镜反射后，作为倍频信号的非线性克尔信号透过二向色反射镜，其中混入的基频信号被带通滤光片进一步过滤，穿过波片，然后经聚焦透镜聚焦，进入单色仪，经单色仪选频后的纯倍频信号，最后由光电倍增管来探测；

一锁相放大器信号采集系统，其中的斩波器为锁相放大器提供参考信号，线性克尔信号和非线性克尔信号接入锁相放大器经滤波放大后，通过GPIB数据采集卡，最后送给计算机处理数据。

上述方案中，所述激光器为掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器，脉冲宽度为200fs，脉冲间隔为13ns。

上述方案中，所述激光器出射的激光强度由衰减器连续调节，泵浦光和探测光的相对强度用波片调节，控制在10∶1以上。

上述方案中，所述制冷机提供的温度在7.5K至350K连续可变。