克尔椭偏率

克尔椭偏率是磁光克尔效应的主要参数，一般而言，由于样品对p光和s光的吸收率是不一样的，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也发生变化，而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率εk。

发现历程在1845年，MichaelFaraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转的效应，随后他在外加磁场之金属表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年JohnKerr在观察偏振化光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应（magneto-opticKerreffect）。1985年Moog和Bader两位学者进行铁超薄膜磊晶成长在金单晶（100）面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功地得到一原子层厚度磁性物质之磁滞回线，并且提出了以SMOKE（surfacemagneto-opticKerreffect的缩写）来作为表面磁光克尔效应，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法致磁性解析灵敏度达一原子层厚度，且仪器配置合于超高真空系统之工作，因而成为表面磁学的重要研究方法。表面磁光克尔效应实验系统是表面磁性研究中的一种重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向异性、层间耦合和磁性超薄膜的相变行为等方面的研究中都有重要应用。应用该系统可以自动扫描磁性样品的磁滞回线，从而获得薄膜样品矫顽力、磁各异性等方面的信息。

磁光信息存储是近年发展起来的新技术，是对传统信息存储技术的革新。开发更多、性能更加优越，而且实用的磁光介质材料是当前信息存储领域的一项重要的任务。测量磁光介质的克尔转角则是研究这些材料的基本手段和方法。对于非开发人员来讲，测量磁光克尔转角的实验一方面能够提高进行物理综合实验的能力，另一方面对信息存储的新技术将有更加深刻的理解，能启发他们利用物理原理在信息存储技术等领域提出新的设想，做出新的贡献。1

效应原理当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，部分光线将发生透射，透射光线的偏振面与入射光的偏振面相比有一转角，这个转角被叫做磁光法拉第转角。而反射光线的偏振面与入射光的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角，这种效应叫做磁光克尔效应。

磁光克尔效应包括三种情况：

（1）纵向克尔效应，即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应；克尔信号的强度随入射角的减小而减小，垂直入射时为0。纵向克尔信号中克尔旋转角和克尔椭偏率都比极向克尔信号小一个数量级。从而纵向克尔信号的探测比极向难。但对于薄膜样品来说，易磁轴一般平行于样品表面，纵向配置下样品的磁化强度才容易达到饱和，因此纵向克尔效应对平面内的磁化相当敏感。

（2）极向克尔效应，即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应；通常情况下极向克尔效应的强度随入射角的减小而增大，在垂直入射时达到最大。并且克尔旋转角最大最明显。

（3）横向克尔效应，即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应；其反射光的偏振状态没有变化，因为这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。只有p偏振光（偏振方向平行于入射面）入射时才有一个很小的反射率的变化（一般来讲只造成长度的跳变，不会造成极化平面的旋转）。

对于已经写入了信息的磁光介质，要读出所写的信息则需要利用磁光克尔效应来进行。具体方法是：将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面上的某点，通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的“0”或“1”。例如，被照射的点为正向磁化，则在该点的反射光磁光克尔转角应为+θk，见下图，相反被照射的点为反向磁化，则在该点的反射光磁光克尔转角应为-θk。因此，如果偏振分析器的轴向恰好调整为与垂直于记录介质的平面成θk夹角，那么在介质上反向磁化点的反射光线将不能通过偏振分析器，而在介质的正向磁化处，反射光则可以通过偏振分析器。这表明反射光的偏振面旋转了2θk的角度．这样，如果我们在经过磁光介质表面反射的光线后方，在通过偏振分析器后的光路上安放一光电检测装置（例如光电倍增管），就可以很方便地辨认出反射点是正向磁化还是反向磁化，也就是完成“0”和“1”的辨认。由此可见，磁光克尔转角在磁光信息读出时扮演着十分重要的角色。如果把磁光介质附着在可旋转的圆盘表面，就构成了磁光盘。磁光盘旋转时，如果同时有单色偏振光聚焦在磁光盘表面，就可实现光线的逐点扫描，即信息被连续读出。

测量装置测量系统由以下5部分组成：

（1）光学减震平台。

（2）光路系统，包括输入光路与接收光路。激光器用普通半导体激光器，起偏和检偏棱镜都用格兰一汤普逊棱镜，光电检测装置由孔状可调光阑、干涉滤色片和硅光电池组成。格兰一汤普逊棱镜的机械调节结构由角度粗调和螺旋测角组成，测微头的线位移转变为棱镜转动的角位移。测微头分度值为0.01mm，转盘分度值为1，通过测微头线位移的角位移定标可知其测量精度在2左右。

（3）励磁电源主机和可程控电磁铁。励磁电源主机可选择磁场自动和手动扫描。

（4）前级放大器和直流电源组合装置。a）将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大，并送入信号检测主机中。b）将霍耳传感器探测到的磁场强度信号作前级放大并送入检测装置。c）为激光器提供精密稳压电源。

（5）信号检测主机。将前置放大器传来的克尔信号及磁场强度信号进行二级放大，分别经A/D转换后送计算机处理，同时用数字电压表显示克尔信号及磁场强度信号的大小。D/A提供周期为20s、40s、80S准三角波，作为励磁电流自动扫描信号。2

应用前景磁光克尔法是测量材料特性特别是薄膜材料物性的一种有效方法，表面磁光克尔效应作为表面磁学的重要实验手段，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜间的相变行为等问题的研究。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所