Установки для исследования магнитооптических эффектов.

4.6.3. Установка для исследования эффекта Фарадея в ферритах в трехсантиметровом диапазоне.

 

Установка для исследования эффекта Фарадея в ферритах в трехсантиметровом диапазоне собирается по блок-схеме, приведенной на рис. 4.6.3. 1.

Рис. 4.6.3. 1. Блок-схема установки для исследования эффекта Фарадея в ферритах: 1—генератор СВЧ; 2- ферритовая развязка; 3 - измерительная линия; 4 -согласующий трансформатор; 5 - лимб для отсчета углов поворота плоскости поляризации электромагнитной волны; 6 - намагничивающий соленоид; 7 - образец (феррит); 8 - анализатор; 9 - детекторная секция; 10 - детектор; 11 - микроамперметр; 12 - блок реостатов для регулировки тока в соленоиде; 13 - усилитель 28-ИМ, 14 - ключ для коммутации тока в соленоиде (для размагничивания образца); 15 – аттенюатор; 16 - амперметр.

 

Внешний вид установки приведен на рисунке 4.6.3.2.

В качестве генератора сантиметровых волн используется стандартный генератор типа Г4-111А (1) в режиме импульсной модуляции. На выходе генератора стоит ферритовая развязка (2), обеспечивающая развязку генератора от влияния изменяющихся нагрузок (служит для запирания отраженной волны). Измерительная линия (3) в настоящей работе используется для определения коэффициента стоячей волны (КСВ) и для определения длины волны.

 

Рис. 4.6.3.2. Общий вид установки для измерения эффекта Фарадея в ферритах.

 

В качестве поляризатора и анализатора используются прямоугольные

волноводы. Как и почему это возможно описано, например, в фейнмановском курсе электродинамики. Исследуемый образец помещается вдоль оси круглого волновода. Круглый волновод вставлен в соленоид (6), который намагничивает образец в направлении, параллельном оси волновода.

Устройство перехода прямоугольного волновода в круглый позволяет

поворачивать один волновод относительно другого с точным отсчетом угла поворота (устройство 5 на рис. 4.6.3.2. и 4.6.3.3.).

В прямоугольном волноводе, служащем поляризатором, в нашем случае создаются волны, в которых вектор напряженности электрического поля аправлен от одной широкой стенки волновода к другой. В волноводной технике волны такого типа обозначаются как тип Е10.

Рис. 4.6.3. 3. Типы волн в волноводном тракте: а - в прямоугольном волноводе - поляризаторе; б – в круглом волноводе; в - поворот плоскости поляризации на угол ϕ при прохождении через образец; г - в прямоугольном волноводе - анализаторе - в случае поворота анализатора на угол ϕ (стрелками указано направление векторов электрического поля).

 

Эти волны переходят в круглый волновод, где трансформируются в

волны другого вида, которые, в свою очередь, обозначаются как тип Е11. При прохождении волн через секцию круглого волновода,

заполненную образцом (образец представляет собой ферритовый стержень длиной 50 мм и диаметром 5 - 6 мм), который намагничивается продольным

полем соленоида, плоскость поляризации волн Е11 поворачивается на угол ϕ. Далее волны из круглого волновода поступают в прямоугольный волновод (8), служащий анализатором, где опять трансформируются в волны типа Е10. Угол поворота для данного значения постоянного поля соленоида определяется по лимбу (устройство 5 на рис. 4.6.3.2. и 4.6.3.3.).) при максимуме поступающей в детекторную секцию анализатора (9) высокочастотной мощности. Для регистрации сигналов используется

микроамперметр (11), на вход которых подаются сигналы с детектора (10) из детекторной секции (9).

 

Исследование эффекта Коттона-Мутона. [17-21].

Магнитное двойное лучепреломление (МДЛ) состоит в том, что оптически изотропная прозрачная среда (жидкость, стекло, коллоид) под влиянием поперечного магнитного поля становится анизотропной, т. е. подобной одноосному кристаллу, оптическая ось которого совпадает с направлением напряженности магнитного поля.

Явление возникает благодаря тому, что анизотропные молекулы ориентируются в сильном магнитном поле подобно микроскопическим магнитным стрелкам. Наблюдать МДЛ трудно, так как постоянная С очень мала; для большинства жидкостей C =(1÷ 30)*10⁻³ м ^-1· Тл ^-2, т. е. при l ≈ 0,03 м и B ≈ 0,30 Тл ϕ ≈(2 ÷ 60)*10⁻⁵ рад. Трудность связана с необходимостью получения сильного магнитного поля в большом объеме. Это затрудняет использование явления для научных и технических целей, хотя первые попытки связать МДЛ со структурой молекул были предприняты еще в 20-х гг., а в 40-х годах прошлого столетия В.Н.Цветков (ЛГУ) успешно применил МДЛ для изучения процесса полимеризации полистирола.

Нами разработан метод измерения МДЛ в переменном магнитном поле, основанный на преобразовании постоянного сигнала в переменный и усилении его радиотехническими средствами. Схема установки показана на рис. 4.6.3.4. Свет от источника (лазер или монохроматор) проходит образец, помещенный в поперечное переменное магнитное поле, анализатор (николь) и фокусируется на рабочую поверхность фотоприемника (фотодиод или фотоумножитель). Электромагнит питается переменным током от осветительной сети 220 В, 50 Гц. Напряженность поля изменяется в пределах ± 0,03 Тл. С нагрузочного сопротивления фотоприемника сигнал подается для регистрации на вход селективного вольтметра (В6-9), настроенного на удвоенную частоту 100 Гц. Постоянное напряжение регистрируется цифровым вольтметром (например, В7-27).

Рис. 4.6.3.4. Функциональная схема установки для наблюдения эффекта Коттон-Мутона в переменном магнитном поле.

 

Рис. 4.6.3.5. Взаимная ориентация плоскости поляризации света и силовых линий магнитного поля.

Спектральный магнитоэллипсометр для изучения поверхностного магнитооптического эффекта Керра. [22]

Поверхностный магнитооптический эффект Керра – общепринятая методика характеризации магнитных свойств сверхтонких слоев и межфазных границ раздела. Актуальность таких исследований обусловлена интенсивным развитием целого ряда научных направлений, связанных со спинтроникой. Эффект Керра проявляется в анизотропии отражающих свойств поверхности при приложении магнитного поля. В зависимости от ориентации вектора намагниченности и направления падающего света выделяют: полярный, меридиональный и экваториальный эффекты Керра. Полярный и меридиональный эффекты проявляются в повороте вектора поляризации при отражении света, а экваториальный возникает за счет изменению коэффициента отражения для р- компоненты.

Для регистрации эффекта Керра оптимально подходит статическая фотометрическая схема эллипсометра, в которой реализовано параллельное считывание отраженных сигналов для двух взаимно ортогональных поляризаций света. Реализация магнитооптических измерений на базе стандартного эллипсометра позволяет одновременно получать как эллипсометрическую информацию (эллипсометрические параметры Y и D), так магнитные характеристики в виде модулированного отклика на переменное магнитное поле. Такое комплексное описание свойств поверхностных структур имеет особенное значение для контроля технологических процессов непосредственно в процессе роста.

Структурная схема прибора представлена на рис. 3.6. В качестве источника излучения (О) выбирается осветитель на базе галогенной лампы (диапазон 350 нм до 1100 нм), либо на базе ксеноновой (от 250 нм до 950 нм).

 

 

Рис. 4.6.3.6. Структурная схема прибора.

Квазимонохроматический световой поток, поляризованный поляризатором П отражается от исследуемой поверхности и попадает в блок анализатора (ПА). Оцифрованные значения интенсивностей световых компонент передаются в компьютер и по ним вычисляются эллипсометрические и магнитооптические характеристики поверхности.

В геометрии экваториального эффекта Керра магнитные и эллипсометрические измерения проводятся одновременно при фиксированных положениях оптических элементов. Изменение намагниченности приводит к модуляции измеряемых эллипсометрических параметров. Амплитуды модуляции Y, D, а также их фазы (по отношению к фазе переменного магнитного поля) являются измеряемыми магнитооптическими характеристиками. При измерениях полярного и меридионального эффектов эллипсометрические и магнитные измерения проводятся раздельно, так как оптимальные положения оптических элементов для них различаются. В результате измерений определяется амплитуда модуляции угла поворота вектора поляризации и его фаза.

Оптические измерения проводятся синхронно с генератором, формирующим магнитное поле, на частоте от 0 до 120 Гц. Для повышения точности измерений оптические сигналы накапливаются за несколько периодов модуляции – синхронно усредняется сумма точек каждой отдельной фазы модулирующего сигнала. Такие усреднения позволяют существенно повысить частоту модуляции магнитного поля при тех же параметрах полосы пропускания аналогового измерительного тракта и частоты дискретизации АЦП. В ходе работы для каждой длины волны спектра светового излучения измеряется кривая оптического отклика образца на модуляцию магнитным полем. Управление комплексом осуществляется персональным компьютером посредством интерфейса USB. Оригинальное программное обеспечение позволяет проводить измерения в различных режимах, обработку, визуализацию, анализ и хранение измеренных данных.

На рис. 4.6.3.7. показан пример измерения магнитооптических характеристик тонких пленок железа на кремнии в геометрии экваториального эффекта Керра (l=632.8 нм). Амплитуда модуляции параметров Y и D составляет 0.17 и 0.70°, соответственно и надежно регистрируется даже без усреднений.

 

Рис. 3.7.