克爾旋轉角

當線偏振光入射到不透明樣品表面時，如果樣品是各向異性的，反射光將變成橢圓偏振光且偏振方向會發生偏轉，而如果此時樣品為鐵磁狀態，還會導致反射光偏振面相對於入射光的偏振面額外再轉過一小角度，這個小角度稱為克爾旋轉角θK，即橢圓長軸和參考軸間的夾角。

基本介紹

• 中文名：克爾旋轉角
• 外文名：kerr rotation angle
• 發現者：J.克爾
• 發現時間：1875

原理

圖1

圖1所給出的光路中，選取入射光為電場矢量E平行於入射面的P偏振光，該偏振光被磁場中的材料表面進行反射，反射光的E_p一般遠大於垂直於E的電場分量E_s。在飽和狀態下的克爾旋轉角公式如下圖所示。

克爾旋轉角的計算公式

將所測量的偏振夾角及正負狀態下光強差代入到克爾旋轉角的計算公式，可以得到克爾旋轉角。

實驗

1845年，MichaelFaraday首先發現了磁光效應，他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發生旋轉，隨後他加磁場於金屬表面上做光反射的實驗，但由於金屬表面並不夠平整，因而實驗結果不能使人信服。1877年JohnKerr在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發現了磁光克爾效應(magneto-opticKerreffect)。1985年Moog和Bader兩位學者進行鐵磁超薄膜的磁光克爾效應測量，成功地得到一原子層厚度磁性物質的磁滯回線，並且提出了以SMOKE來作為表面磁光克爾效應(surfacemagneto-opticKerreffect)的縮寫，用以表示套用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由於此方法的磁性測量靈敏度可以達到一個原子層厚度，並且儀器可以配置於超高真空系統上面工作，所以成為表面磁學的重要研究方法。

表面磁性以及由數個原子層所構成的超薄膜和多層膜磁性，是當今凝聚態物理領域中的一個極其重要的研究熱點。而表面磁光克爾效應（SMOKE）譜作為一種非常重要的超薄膜磁性原位測量的實驗手段，正受到越來越多的重視。並且已經被廣泛用於磁有序、磁各向異性以及層間耦合等問題的研究。和其他的磁性測量手段相比較，SMOKE具有以下四個優點：

1．SMOKE的測量靈敏度極高。國際上通用的SMOKE測量裝置其探測靈敏度可以達到亞單原子層的磁性。這一點使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有著重要的地位。

2．SMOKE測量是一種無損傷測量。由於探測用的“探針”是雷射束，因此不會對樣品造成任何破壞，對於需要做多種測量的實驗樣品來說，這一點非常有利。

3．SMOKE測量到的信息來源於介質上的光斑照射的區域。由於雷射光束的束斑可用聚焦到1mm以下，這意味著SMOKE可以進行局域磁性的測量。這一點是其他磁性測量手段諸如振動樣品磁強計和鐵磁共振所無法比擬的。在磁性超薄膜的研究中，樣品的製備是一個周期較長而代價昂貴的過程。有人已經實現同一塊樣品上按生長時間不同而製備出厚度不等的鍥形磁性薄膜。這樣從一塊樣品上就能夠得到磁學性質隨薄膜厚度變化的信息，可以大大提高實驗效率。無疑，SMOKE的這種局域測量的特點使它成為研究這類不均勻樣品的最好工具。

4．相對於其他的磁性測量手段，SMOKE系統的結構比較簡單，易於和別的實驗設備（特別是超高真空系統）相互兼容。這一點有助於提高它的功能並擴展其研究領域。我們試製的表面磁光克爾效應實驗系統可以和超高真空系統相連，所以既可以完成磁性薄膜在大氣中的SMOKE測量，也可以完成在超高真空中的SMOKE測量實驗。

由於SMOKE能夠達到單原子層磁性檢測的靈敏度，即相當於能夠測量到小於千分之一度的克爾旋轉角。因此，對於光源和檢測手段提出了很高的要求。國際上比較常見的是用功率輸出很穩定的偏振雷射器。Bader等人採用的高穩定度偏振雷射器，其穩定度小於0.1%。也有用Wollaston稜鏡分光的方法，降低對雷射功率穩定度的要求。Chappert等人的方案是將從樣品出射的光經過Wollaston稜鏡分為s和p偏振光，再通過測量它們的比值來消除光強不穩定所造成的影響。但是這種方法的背景信號非常大，對探測器以及後級放大器的要求很高。