基于LabVIEW的大磁场磁光克尔效应测量系统

栗银伟 叶军 项俊森 徐平 陈子瑜

（北京航空航天大学物理系微纳测控与低维物理教育部重点实验室 北京 100191）

基于LabVIEW的大磁场磁光克尔效应测量系统

栗银伟 叶军 项俊森 徐平 陈子瑜

（北京航空航天大学物理系微纳测控与低维物理教育部重点实验室 北京 100191）

在大磁场下实现对高磁各向异性材料的局域磁性测量具有重要的意义。本文借助LakeShore7404振动样品磁强计（VSM）的部分组件搭建了一套大磁场磁光克尔效应测量系统。通过调用VSM的电源和磁铁部分可获得最高范围达到0～±1.5T的磁场，实现了对大矫顽力的磁性薄膜样品的面内局域磁性测量，为高磁各向异性材料局域磁性测量提供了一种可行的方法。系统由硬件与软件两部分组成。硬件主要包括磁铁、光路及数据采集仪器仪表等部件，软件则由图形化编辑语言LabVIEW编程实现。

磁光克尔效应磁性薄膜；磁滞回线；LabVIEW

1.引言

1877年，John Kerr首次观测到偏振光从抛光的铁磁材料磁极表面反射后其偏振面会发生偏转的现象[1],后称此为磁光克尔效应(Magneto-Optic Kerr Effect，MOKE)。1985年，Mood和Bader利用MOKE对铁磁性超薄膜进行测量，并成功测得一个原子层厚度材料的磁滞回线。从此，基于MOKE的测量技术由于其灵敏度高，对样品无损害等优点，被广泛应用于磁性材料的磁有序、磁化翻转、磁各向异性等问题的研究中[2-5]。而对于高磁各向异性的材料，由于具有较高的矫顽力，往往会受限于外加磁场的大小，无法进行MOKE测量，使这类材料的局域磁性研究受到影响。本文通过控制LakeShore7404型VSM的磁场系统，构建了一套磁场高达1.5T的磁光克尔效应测量系统，旨在解决高磁各向异性材料局域磁性研究中遇到的问题，满足对大矫顽力的磁性薄膜等样品进行面内局域磁性测量的迫切要求。

2.基本原理

根据光平面与样品磁化方向的关系，磁光克尔效应可分为纵向、横向和极向磁光克尔效应。磁化方向既在样品面内又在光平面内的称为纵向磁光克尔效应；磁化方向在样品面内但垂直于光平面的称为横向磁光克尔效应；磁化方向在光平面内但垂直于样品面的则称为极向磁光克尔效应[6]。

图1所示为MOKE的基本原理图。激光经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光经由样品表面反射，再通过检偏器，最后被探测器探测。在线偏振光入射到磁性样品表面时，由于样品面内磁矩作用，反射光的偏振面相对入射光偏振面会发生小角度偏转，称此偏转角为克尔角。通常在实际测量过程中，检偏器的偏振方向相对起偏器的消光位置有一小角度的偏移。这是由于若处于消光位置，无论反射光的偏振面是逆时针还是顺时针偏转，探测器探测的光强信号都是增强的，无法分辨的正负，即无法判断样品的磁化方向。而当转过后，反射光则存在本底光强，当反射光偏振面偏转+时，光强则增加；若偏转-时，光强则减小[7]。

图1 MOKE的基本原理图Fig.1 The basic schematic diagramof MOKE

图2 起偏器、检偏器示意图Fig.2 The schematic diagram of polarizer and analyzer

以纵向磁光克尔效应为例，激光经起偏器后成为P型线偏振光，当P型线偏振光Ep入射到磁性薄膜表面时，反射光的偏振面除了发生θ_k的偏移外，在反射光中还会出现一个垂直于Ep的分量Es，如图2所示，通常Es<

其中，ε_k为克尔椭偏率。而通过检偏器的光强为：

当没有外加磁场时，本底光强为

3.测量系统的构建

测量系统主要由磁场、光路、数据采集仪器仪表与计算机等部件组成，图3所示为测量系统的总体示意图。

图3 测量系统总体示意图Fig.3 The schematic diagram of the measurement system

3.1 磁场部分

测量系统的磁场由LakeShore7404型VSM的磁场系统提供。该磁场由电磁铁极靴间隙产生，磁场强度H可近似表示为：H=NV/Rd，其中，N为磁铁线圈匝数，V为磁化电压，R为线圈电阻，d为磁极间距。只需通过接入电磁铁电源控制柜上的BNC接头输入-10V～+10V的电压即可控制磁场的大小和方向。室温下磁场最高可达±1.5T。图4为当磁极间距d为5cm时，拟合出的磁场H与电压V关系的校准曲线，可以看出两者具有很好的线性关系。

图4 d=5cm时磁场与电压的关系曲线Fig.4Plot of magnetic field H versus voltage V when d=5 cm

3.2 光路部分

光路主要包括激光器、起偏器、检偏器、光电探测器。激光器采用稳定度较高的红外半导体激光器，波长为670nm，稳定度为5%。起偏器和检偏器使用的是格兰汤普逊棱镜。光电探测器由红外带通滤光片和硅光电池组成。此外，在光路系统中又分别在起偏器后和检偏器前增加了聚焦透镜，这样增大了线偏振光的入射角和反射角，克服磁极间距对克尔信号的影响，增强MOKE信号的强度。在光路中，增设了1/4波片，通过共同调整检偏器与1/4波片，实现更好的消光。

3.3 数据采集部分

测量系统所用数据采集的仪器仪表主要有：高斯计、低噪声电流前置放大器SR570、NI USB-6341型数据采集卡。其中，高斯计用以检测磁场的大小与方向；SR570将光电探测器的输出电流放大，便于信号采集，减少误差；数据采集卡完成两类指令，一是电信号的采集，二是输出电压来控制磁场。

4.测量系统软件设计

测量系统的软件部分由图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW来实现。系统的整体前面板布局如图5所示。

图5 系统前面板布局Fig.5 The layout of the front panel of the system

测量系统的软件主要由以下几部分组成：

4.1 数据分析

该部分主要包括数据的读取、处理和存储。数据的读取为txt文档中设定的磁场值并转换成软件要求的数组格式，记录数组长度来设定程序运行循环次数；数据的处理，一是通过设定的拟合关系，将读取的磁场值换算成控制磁场的电压值，二是将从NI USB-6341型数据采集卡及高斯计中读取的字符串型数据转换成十进制的浮点型数据；数据的存储则是将最终的磁场值及与其对应的MOKE数据保存在excel文件中。

4.2 仪器控制

该部分主要是配置仪器的端口、波特率、数据位等参数，并发送指令，远程控制输出状态。其中包括对NIUSB-6341型数据采集卡的MOKE信号输入、控制磁场电压输出以及高斯计探测磁场强度的控制。为增强程序的可读性，这部分通常由子Vi代替。

4.3 波形显示

主要显示测量的实时数据，观察实验现象，由XYGraph控件实现，X轴为磁场大小，Y轴为克尔信号强度。图6为软件部分程序的功能流程图。

图6 程序的功能流程图Fig.6The functional flow chart of the program

4.结果与讨论

图7 (a)FePt薄膜的MOKE曲线及与(b)VSM数据归一化后的比较图Fig.7 (a)The MOKE curve of FePt film and (b)the comparison with VSM after normalization

在对测量系统验证时，采用具有高矫顽力的FePt薄膜样品。薄膜样品由磁控溅射法制备，基底为（100）单晶硅，真空室的本底真空为4.0×10-4Pa，反应气体是纯度为99.999%的Ar气，工作气压为0.5Pa，溅射功率为40W（0.125A×319V），采用Fe、Pt交替沉积的方式沉积而成。图7所示为测得的100nm厚的FePt薄膜的MOKE曲线(a)及与VSM数据归一化后的比较图(b)。

首先，由图7可以看出，系统测量的MOKE曲线可以直观地反映出样品的磁滞回线，除少部分处与VSM数据稍有误差外，整体与VSM所测曲线吻合度很高。其次，从图中还可以看出，系统测得的FePt薄膜样品的矫顽力，而VSM所测数据，两者绝对误差约为80 Oe，相对误差为1.45%，表明所搭建的MOKE系统实验误差较小。综上所述，本文所搭建的MOKE系统满足对大矫顽力磁性薄膜样品局域磁性的测量要求。

分析数据误差的原因，主要有两点。一是测量工具的不同，其中，MOKE为局域测量，测量方式为光束；而VSM为整体测量，测量原理为电磁感应。在测量过程中，由于光束易受外界条件的影响，造成光强信号的波动，从造成MOKE数据的误差。但这种误差的影响主要表现为磁滞回线部分数据的波动，对整体没有太大影响。第二个误差原因则是由于高斯计的霍尔探头未放置在磁场中心位置，造成实验数据的误差。这种误差的影响主要表现在不能精确地测量样品所处位置的磁场值，造成整体的实验误差，影响稍大。

6.结论

本文成功地搭建了一套大磁场磁光克尔效应测量系统，通过调用LakeShore7404型VSM的电源与磁铁组件，使系统可获得0～±1.5T范围的磁场，从而解决大矫顽力磁性薄膜样品的局域磁性测量问题。测量系统搭建完成后所进行的大量测量验证结果表明，该系统灵敏度高，性能稳定，在磁性研究中具有广泛的应用。

【参考文献】

[1] P. Weinberger. John Kerr and his effectsfound in 1877 and 1878[J]. PhilosophicalMagazine Letters,2008, 88(12):897-907.

[2] J. Ye, W. He, Q. Wu, B. Hu,et al,Hysteresis and anisotropy in ultrathin Fe/Si(001) films, Applied Physics Letters,2014, 105(10):102406.

[3] J.Ye, W. He, Q. Wu, B. Hu, et al,Unsymmetrical magnetization switching in Fe/Si(001) single crystalline film induced by weak bias field, Journal of Applied Physics,2014, 115(12):123910.

[4] M.-L. Zhang, J.Ye,R.Liu,et al, C.V.Haesendonck, Z.-Y. Chen, Study of magnetization reversal and anisotropy of single crystalline ultrathin Fe/MgO (001) film by magneto-optic Kerr effect, Chinese Physics B,2016, 25(4):047503.

[5] J. Ye, W. He, Q. Wu, et al, Determination of magnetic anisotropy constants in Fe ultrathin film on vicinal Si(111) by anisotropic magnetoresistance, Scientific reports, 2013, 3:2148.

[6]严密,彭晓玲.磁学基础与磁性材料[M].杭州:浙江大学出版社,2006.

[7]顾培培,马斌,张宗芝等.一种新型大场纵向表面磁光克尔效应测量系统[J].复旦学报(自然科学版),2009,48(4):485-492.

[8]刘平安,丁菲,陈希江等.用表面磁光克尔效应实验系统测量铁磁性薄膜的磁滞回线[J].物理实验,2006,26(9):3-6.

A measurement systemofmagneto-optic Kerr effect based on LabVIEW in large magnetic field

Li Yinwei,Ye Jun,Xiang Junsen,Xu Ping, Chen Ziyu. Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics (Ministry of Education), Department of physics,Beihang University 100191, China

It is of great significance torealize the local magnetic measurement of high magnetic anisotropy materials in large magnetic field. Here introduces a magneto-optic Kerr effect measurement system in large magnetic field, which can be used to measure the in-plane local magnetism of magnetic thin films with high magnetic anisotropy.Meanwhile, the maximum magnetic field of the system can reach±1.5 T by means of controlling the power and magnet parts ofLakeshore 7404 vibrating sample magnetometer (VSM),and can deal withthe problem of local magnetic measurement of high magnetic anisotropy material. In addition, the system consists of hardware and software two parts. The hardware mainly containsmagnet, light path anddata acquisition instrumentswhile the software is from LabVIEW programming.

Magneto-opticalKerr effect;Magnetic thin films;Hysteresis loop;LabVIEW

TQ57

A

1009-5624（2016）06-0023-04