[发明专利]磁圆二向色性光电导谱测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及磁学和半导体自旋电子学技术领域，特别适用于对半导体自旋电子学材料(比如：稀磁半导体材料)的自旋相关光学和电学性质的研究，提供了一种磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统。

背景技术

近年来自旋电子学逐渐兴起，磁光光谱测量和电学测量作为重要的测量手段，在自旋电子学研究中发挥了重要的作用。

MCD全称为磁圆二向色性，即在磁场下，物质对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收率不同的现象，它是研究材料磁学性质的重要手段。光电导谱测量光照引起的样品电导率的变化，光吸收产生附加的载流子，引起样品电导率的变化。由于半导体对不同波长的光吸收率存在差异，特别是在半导体带隙边缘，吸收率会有明显的突变，因此通过测量光电导随波长的变化，可以获得样品能带结构的信息。光电导正比于光电压，一般锁相放大器测量光电压信号。

通常的光电导测量系统中，入射光设置成稳态的左圆或右圆偏振光，通过分别测量两种偏振光引起的光电导的差异，来获得样品的光谱结构和磁学信息。然而通常情况下，这种差异非常小，加之测量系统本身存在的噪声，使得分辨这种差异变得很困难。

如何设计一套高信噪比，并且可以灵活改变温度、磁场、波长的光电导谱测量系统，是各磁学、光学实验室期待解决的重要技术问题之一。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一套配置灵活，有较高分辨率的磁圆二向色性光电导谱(PC-MCD)测量系统，在测量过程中可以根据实验需要灵活地改变波长、磁场大小以及样品的温度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种磁圆二向色性光电导谱测量系统，该系统包括：

一超连续白光光源(LS)，其出射光经过单色仪后作为样品测试光源；

一单色仪(SP)，对该超连续白光光源(LS)的出射光进行滤波，仅选择单一波长的光通过；

一斩波器(CP)，对该单色仪(SP)出射光进行斩波调制，并为第一锁相放大器(LIA1)提供参考信号，从而得到样品光生电压的强度；

一格兰泰勒棱镜(P)，用于将单色仪(SP)出射光变为线偏振光；

一光弹调制器(MO)，用于将格兰泰勒棱镜(P)出射的线偏光变为周期性偏振调制光；

一消色差透镜(L)，用于聚焦入射光到样品上；

一中心带有室温孔洞的超导磁体杜瓦(MG)，提供用于光电导谱测量的磁场；

一电流源(CS)，为样品提供一稳定的直流电流；

第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)，用于测量样品光生电压信号的对应特定频率的信号幅度；以及

一由计算机组成的数据处理与存储系统。

上述方案中，所述超连续白光光源(LS)通过一个波长为1064nm的泵浦光激发一个非线性光纤，得到功率最大2w，波长范围覆盖450nm至1500nm的超连续白光。与传统的白光光源(如汞灯)相比，该光源具有更大的功率，更好的准直性，更宽的光谱覆盖范围，更均匀的光强分布等显著优点。

上述方案中，该系统利用格兰泰勒棱镜(P)将单色仪出射光变为线偏振光，利用光弹调制器(MO)将线偏光变为周期性偏振调制光，利用光生电压检测样品对不同偏振态光吸收的差别。

上述方案中，所述光弹调制器(MO)工作在0.25λ模式，工作频率为50KHZ。所述光弹调制器(MO)的快轴与慢轴均与格兰泰勒棱镜的通光轴成45°角。

上述方案中，该系统利用电流源(CS)为样品提供恒定电流，利用第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)组成信号探测和处理系统，将样品两端的电压信号输入到第一锁相放大器(LIA1)和第二锁相放大器(LIA2)中，其中第一锁相放大器(LIA1)的参考频率为斩波器频率，测量样品光生电压；第二锁相放大器(LIA2)的参考频率为光弹调制器频率(50KHZ)，测量信号中频率为50KHZ的成分的幅度，该幅度正比于样品对左圆和右圆偏振光吸收的差别。

上述方案中，该系统采用两端电压测量法，将样品做成长条状，两端做好欧姆接触电极，通过电极通恒定电流，用锁相放大器测量两端电压。