專利名稱：一種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量磁性金屬、半金屬、半導(dǎo)體薄膜材料以及低維量子結(jié)構(gòu)
的時間分辨線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體自旋電子學(xué)由于具有常規(guī)電子學(xué)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)而受到了人們廣泛的重視。自旋極化以及其動態(tài)演化過程的研究是自旋電子學(xué)基礎(chǔ)物理研究的重要部分。實(shí)驗(yàn)上對該問題的研究主要是利用時間分辨磁光克爾旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。其原理是一束線偏振激光入射到所研究的材料上，由于光子與物質(zhì)的電子自旋磁矩相互作用產(chǎn)生磁光效應(yīng)，即材料的折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致反射后的激光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角即為克爾旋轉(zhuǎn)角?？藸栃D(zhuǎn)角的大小正比于材料的磁化強(qiáng)度。而對于非磁性半導(dǎo)體，引入圓偏振泵浦光產(chǎn)生自旋極化的載流子，克爾旋轉(zhuǎn)角隨著探測光的延遲而振蕩，克爾旋轉(zhuǎn)角的大小直接反映了電子自旋的極化度以及自旋在磁場下的相干進(jìn)動過程。線性磁光克爾測量只能得到薄膜塊體平均的磁信息，而無法測量薄膜表面、界面幾個原子層內(nèi)的相關(guān)信息。兩種不同材料的界面由于存在很大的導(dǎo)電性質(zhì)差異，因而對自旋通過鐵磁性/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)時的輸運(yùn)影響很大，直接決定著自旋注入的效率。因此研究界面散射對自旋輸運(yùn)的影響是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體自旋電子器件的關(guān)鍵問題。非線性磁光克爾效應(yīng)，即磁場引起或增強(qiáng)的二次諧波探測是一種對表面、界面非常敏感的測量技術(shù)。對于中心反演對稱晶體，在表、界面處反演對稱性破缺，可以產(chǎn)生非常大的非線性磁光響應(yīng)。對于非中心反演對稱晶體，可以利用入射、出射光不同的偏振組合，區(qū)別晶體本身或磁場引起的二次諧波響應(yīng)。利用泵浦_探測技術(shù)可以得到異質(zhì)結(jié)界面處磁激發(fā)的動態(tài)響應(yīng)。 磁場和溫度是磁性半導(dǎo)體材料研究中常用的外微擾條件。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入磁場等參數(shù)可以增加許多信息，這使得磁光光譜成為表征(磁性)半導(dǎo)體、鐵磁薄膜以及半金屬材料物性的重要手段。通常情況下，是把樣品放置在樣品架上，然后把它們浸入到液氦杜瓦中來測量的，因而連續(xù)改變樣品的測試溫度以及磁場的大小是比較困難的。如何把磁場和溫度這兩個重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)在磁光光譜測試中有機(jī)地結(jié)合起來，以及如何區(qū)分磁性半導(dǎo)體薄膜中體材料與表、界面不同的自旋激發(fā)和磁化信息，是磁光光譜技術(shù)期待解決的重要問
題之一。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問題 本發(fā)明的主要目的是提供一種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，以同時測量磁性半導(dǎo)體薄膜材料的時間分辨線性與非線性磁光克爾效應(yīng)，以及測量穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的自旋極化
隨時間演化相關(guān)信息。
( 二 )技術(shù)方案 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
—種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 —超短脈沖激光器，其出射激光用于泵浦和探測樣品的線性及非線性磁光克爾效應(yīng)； —氦氣閉循環(huán)制冷機(jī)，用于控制樣品的溫度，樣品放置于其帶光學(xué)窗口的制冷頭中； —?dú)庀逗痛艌龃笮】烧{(diào)的適用于磁光測量的電磁鐵，提供用于磁光克爾效應(yīng)測量的磁場； —激光泵浦光路，用于激發(fā)樣品，使樣品處于非平衡態(tài)，激光器出射的激光經(jīng)偏振分光器透射后，經(jīng)過反射鏡，聚焦透鏡垂直聚焦在樣品表面上； —激光探測光路，用于探測樣品信號，激光器出射的激光經(jīng)偏振分光器反射后，經(jīng)過反射鏡、平移裝置、聚焦透鏡聚焦在樣品表面上，其入射方向與樣品表面法線夾角為30度，探測束光斑與泵浦束光斑中心重合，探測束光斑的面積小于泵浦束光斑的面積；
—光斑監(jiān)視系統(tǒng)，用于精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度以及它們在樣品上的位置； —線性克爾信號收集光路，探測束激光經(jīng)樣品、反射鏡反射后，作為基頻信號的線性克爾信號被二向色反射鏡反射，然后經(jīng)聚焦透鏡聚焦，穿過l波片，由沃拉斯頓棱鏡分解成偏振相互垂直的兩束光，最后被光橋接收； —非線性克爾信號收集光路，探測束激光經(jīng)樣品、反射鏡反射后，作為倍頻信號的
非線性克爾信號透過二向色反射鏡，其中混入的基頻信號被帶通濾光片進(jìn)一步過濾，穿過l
波片，然后經(jīng)聚焦透鏡聚焦，進(jìn)入單色儀，經(jīng)單色儀選頻后的純倍頻信號，最后由光電倍增管來探測； —鎖相放大器信號采集系統(tǒng)，其中的斬波器為鎖相放大器提供參考信號，線性克爾信號和非線性克爾信號接入鎖相放大器經(jīng)濾波放大后，通過GPIB數(shù)據(jù)采集卡，最后送給計算機(jī)處理數(shù)據(jù)。 上述方案中，所述激光器為摻鈦藍(lán)寶石飛秒脈沖激光器，脈沖寬度為200fs，脈沖間隔為13ns。 上述方案中，所述激光器出射的激光強(qiáng)度由衰減器連續(xù)調(diào)節(jié)，泵浦光和探測光的
相對強(qiáng)度用l波片調(diào)節(jié)，控制在io : l以上。 上述方案中，所述制冷機(jī)提供的溫度在7. 5K至350K連續(xù)可變。 上述方案中，通過LabVIEW程序自動控制，使磁場從_1T到+1T范圍內(nèi)連續(xù)掃描，
磁場的正反方向可自動切換。 上述方案中，所述泵浦光的偏振態(tài)由j波片調(diào)為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，或
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者由l波片調(diào)為S偏振或P偏振。 上述方案中，所述探測光的偏振態(tài)由l波片調(diào)為S偏振或P偏振。
上述方案中，所述光斑監(jiān)視系統(tǒng)包括CCD攝像頭和監(jiān)視器。
上述方案中，所述為鎖相放大器提供參考信號的斬波器可用光彈調(diào)制器來替換。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 1、利用本發(fā)明提供的這種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，可同時調(diào)節(jié)樣品感受到的磁場強(qiáng)度和溫度，實(shí)現(xiàn)可變溫的穩(wěn)態(tài)以及時間分辨動態(tài)線性與非線性磁光克爾效應(yīng)測試。 2、本發(fā)明提供的這套線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便以及信噪比高等特點(diǎn)。在做瞬態(tài)測量時，把斬波器加到泵浦光路中；做穩(wěn)態(tài)測量時，只需要擋住泵浦光，再把斬波器加到探測光路即可。 3、本發(fā)明可以同時調(diào)節(jié)樣品所處的溫度和磁場，并且利用這一集成系統(tǒng)可以對材料磁激發(fā)以及自旋動力學(xué)的體效應(yīng)與界面效應(yīng)同時測量并做平行比較，非常有利于對低維半導(dǎo)體材料和磁性半導(dǎo)體半金屬材料進(jìn)行磁光克爾效應(yīng)的研究。


為進(jìn)一步了解本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖及實(shí)例詳細(xì)說明如后，其中 圖1是本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2是利用本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)在不同溫度下測試的
稀磁半導(dǎo)體(Ga，Mn)As的時間分辨克爾旋轉(zhuǎn)譜。 圖3是利用本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)在常溫下測試的Fe膜的隨方位角變化的二次諧波信號。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。 下面通過上述附圖闡述本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)。 請參閱圖1，圖1是本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，該
系統(tǒng)包括 —皮秒/飛秒脈沖激光器LS，其輸出波長680nm到980nm連續(xù)可調(diào)，重復(fù)頻率76MHz，功率900mW。出射激光用于泵浦和探測樣品S的線性及非線性克爾信號。該激光器LS出射的激光被兩個定位小孔Pl和P2精確定位，便于多次重復(fù)測量；
—激光泵浦光路，用來激發(fā)樣品，使樣品處于非平衡態(tài)。激光器LS出射的激光經(jīng)偏振分光器BS透射后，經(jīng)過反射鏡Ml， M2，聚焦透鏡L2垂直聚焦在樣品表面上，光斑大小
約為100um。其偏振態(tài)可以由^波片W3調(diào)為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，或者由^波片調(diào)
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為S偏振或P偏振； —激光探測光路，用來探測樣品信號。激光器LS出射的激光經(jīng)偏振分光器BS反射后，經(jīng)過反射鏡M3，平移裝置DL，反射鏡M4，聚焦透鏡Ll聚焦在樣品表面上，其入射方向與樣品表面法線夾角為30度。探測束光斑與泵浦束光斑中心重合，大小略小于泵浦束光斑。其偏振態(tài)可以由5波片W2調(diào)為S偏振或P偏振。平移裝置DL由計算機(jī)來控制，最小分辨
率為1. 25um，最大行程為20cm。對應(yīng)的光學(xué)延遲最小分辨率約為8. 3fs，最大光學(xué)延遲為1. 3ns ; —光斑監(jiān)視光路MT，由CCD攝像頭、焦距為50mm的鏡頭以及監(jiān)視器組成。通過調(diào)節(jié)光圈個數(shù)可以將光斑放大50至100倍，用來精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度以及它們在樣品上的位置； —電磁鐵EM，包括電源箱(可以產(chǎn)生-75A到75A的電流)和冷卻水系統(tǒng)。適當(dāng)調(diào)節(jié)電磁鐵兩極間的氣隙大小，在配置了低溫液氦杜瓦后可以產(chǎn)生±1T的磁場，其大小由高斯計測出。通過計算機(jī)控制可以連續(xù)掃描磁場，最小掃描步長約為3Gauss ;
—制冷機(jī)CT，包括閉循環(huán)氦氣裝置、冷頭、溫控儀和冷卻水系統(tǒng)。樣品S放置于制冷頭中，溫度在7. 5K至350K連續(xù)可控。 —線性克爾信號收集光路，探測束激光經(jīng)樣品、反射鏡M5、 M6反射后，基頻信號(即線性克爾信號)被二向色反射鏡(即對基頻信號反射，而對倍頻信號透射)匿反射，然
后經(jīng)聚焦透鏡L3聚焦，穿過i波片W4，由沃拉斯頓棱鏡WS分解成偏振相互垂直的兩束光，最后被光橋0P接收。i波片W4用來調(diào)節(jié)初始時光橋的平衡。 —非線性克爾信號收集光路，探測束激光經(jīng)樣品、反射鏡M5、 M6反射后，倍頻信號(即非線性克爾信號)被二向色反射鏡匿透射，倍頻信號中混入的基頻信號經(jīng)帶通濾光片
FT進(jìn)一步過濾，通過:l波片W5，然后經(jīng)聚焦透鏡L4聚焦，進(jìn)入光柵位置設(shè)置在倍頻信號波
長的單色儀MC，最后由光電倍增管PM收集信號。W5被安裝在可用計算機(jī)控制的轉(zhuǎn)動平移臺上，用來設(shè)定不同的探測信號偏振態(tài)配置。 —鎖相放大器信號采集系統(tǒng)，斬波器CP為鎖相放大器提供參考信號，線性克爾信號和非線性克爾信號接入鎖相放大器經(jīng)濾波放大后，通過GPIB數(shù)據(jù)采集卡，最后送給計算機(jī)PC處理數(shù)據(jù)。為鎖相放大器提供參考信號的斬波器也可以換成光彈調(diào)制器。做穩(wěn)態(tài)測量時斬波器放在探測光路上，而做瞬態(tài)測量時斬波器放在泵浦光路上。
圖2是利用本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)在不同溫度下測試的稀磁半導(dǎo)體(Ga，Mn)As的時間分辨克爾旋轉(zhuǎn)譜，所加磁場為1T?？梢钥闯鏊玫降男盘栃旁氡群芨摺囟群痛艌霰阌谡{(diào)節(jié)。 圖3是利用本發(fā)明提供的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)在室溫下測得的磁場沿Fe膜不同晶向時的二次諧波響應(yīng)信號，反映了分子束外延生長在GaAs襯底上10nm厚的Fe膜具有四重對稱磁各向異性。 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一超短脈沖激光器，其出射激光用于泵浦和探測樣品的線性及非線性磁光克爾效應(yīng)；一氦氣閉循環(huán)制冷機(jī)，用于控制樣品的溫度，樣品放置于其帶光學(xué)窗口的制冷頭中；一氣隙和磁場大小可調(diào)的適用于磁光測量的電磁鐵，提供用于磁光克爾效應(yīng)測量的磁場；一激光泵浦光路，用于激發(fā)樣品，使樣品處于非平衡態(tài)，激光器出射的激光經(jīng)偏振分光器透射后，經(jīng)過反射鏡，聚焦透鏡垂直聚焦在樣品表面上；一激光探測光路，用于探測樣品信號，激光器出射的激光經(jīng)偏振分光器反射后，經(jīng)過反射鏡、平移裝置、聚焦透鏡聚焦在樣品表面上，其入射方向與樣品表面法線夾角為30度，探測束光斑與泵浦束光斑中心重合，探測束光斑的面積小于泵浦束光斑的面積；一光斑監(jiān)視系統(tǒng)，用于精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度以及它們在樣品上的位置；一線性克爾信號收集光路，探測束激光經(jīng)樣品、反射鏡反射后，作為基頻信號的線性克爾信號被二向色反射鏡反射，然后經(jīng)聚焦透鏡聚焦，穿過波片，由沃拉斯頓棱鏡分解成偏振相互垂直的兩束光，最后被光橋接收；一非線性克爾信號收集光路，探測束激光經(jīng)樣品、反射鏡反射后，作為倍頻信號的非線性克爾信號透過二向色反射鏡，其中混入的基頻信號被帶通濾光片進(jìn)一步過濾，穿過波片，然后經(jīng)聚焦透鏡聚焦，進(jìn)入單色儀，經(jīng)單色儀選頻后的純倍頻信號，最后由光電倍增管來探測；一鎖相放大器信號采集系統(tǒng)，其中的斬波器為鎖相放大器提供參考信號，線性克爾信號和非線性克爾信號接入鎖相放大器經(jīng)濾波放大后，通過GPIB數(shù)據(jù)采集卡，最后送給計算機(jī)處理數(shù)據(jù)。FSA00000016566500011.tif,FSA00000016566500012.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器為摻鈦藍(lán)寶石飛秒脈沖激光器，脈沖寬度為200fs，脈沖間隔為13ns。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器出射的激光強(qiáng)度由衰減器連續(xù)調(diào)節(jié)，泵浦光和探測光的相對強(qiáng)度用l波片調(diào)節(jié)，控制在io : i以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷機(jī)提供的溫度在7. 5K至350K連續(xù)可變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，通過LabVIEW程序自動控制，使磁場從-lT到+1T范圍內(nèi)連續(xù)掃描，磁場的正反方向可自動切換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述泵浦光的偏振態(tài)由j波片調(diào)為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光，或者由^波片調(diào)為S偏振或P偏振。4 2
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述探測光的偏振態(tài)由^波片調(diào)為S偏振或P偏振。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光斑監(jiān)視系統(tǒng)包括CCD攝像頭和監(jiān)視器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，其特征在于，所述為鎖相放大器提供參考信號的斬波器可用光彈調(diào)制器來替換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，包括一超短脈沖激光器；一帶有光學(xué)窗口的氦氣閉循環(huán)制冷機(jī)用以控制樣品的溫度；一氣隙和磁場大小可調(diào)的電磁鐵；一激光泵浦光路把激光器的輸出激光引入并聚焦到制冷頭內(nèi)的樣品表面來激發(fā)樣品；一激光探測光路，激光器輸出的一束激光被樣品反射后，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)；一線性克爾信號收集光路收集探測光的基頻信號；一非線性克爾信號收集光路接收探測光的倍頻信號；一鎖相放大器信號采集系統(tǒng)，把信號濾波放大后送給計算機(jī)處理；一光斑監(jiān)視系統(tǒng)，用來精確控制泵浦束光斑與探測束光斑的重合度。利用本發(fā)明提供的這種線性及非線性磁光克爾測量系統(tǒng)，可同時調(diào)節(jié)樣品感受到的磁場強(qiáng)度和溫度，實(shí)現(xiàn)可變溫的穩(wěn)態(tài)以及時間分辨動態(tài)線性與非線性磁光克爾效應(yīng)測試。
文檔編號G01N21/19GK101776575SQ20101010677
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者張新惠, 朱永剛 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所