磁光调制锁相椭偏仪与多层磁光薄膜测试系统

　　1　引　　言

　　近年来,利用薄膜技术制造各种具有特殊功能的电子器件发展很快,涉及领域也很广,例如:半导体薄膜、光学薄膜、表声波薄膜、介质薄膜、磁性薄膜、超导薄膜,以及由磁光多层膜[1～5]发展起来的磁光信息盘等。多层膜的性能与各层膜的厚度和参数关系密切,故迫切需要一种不破坏而又能准确测得上述各层膜参数的方法。椭圆偏振仪原理上能满足上述要求,但国产椭偏仪由于精度低,测试分辨率及稳定度为0.1°,往往达不到要求,而国外的椭偏仪精度也仅为0.01°,虽勉强满足了上述要求,但价格贵,而且由于机械加工精度限制了它性能进一步提高。本文介绍的工作正是针对这些不足而展开的。研制的磁光调制椭偏仪采用固态线性磁性器件及电子技术,使椭偏仪的总精度提高一个数量级,达到国外椭偏仪水平(如进一步改进,可进一步提高精度)。高性能的磁光盘均由多层膜制成,磁光调制锁相椭偏仪得出了多层膜的测试方法与软件。

　　2　测试原理及测试方法

　　磁光调制锁相自动反馈椭偏仪的原理框图如图1所示。

　　高灵敏度法拉第调制器B由在罐型磁芯的间隙内加入石榴石磁光薄膜后饶上线圈制成。音频振荡器的交变电源送入高灵敏度法拉第调制器B,使极化面在±5°左右的范围内不断左右摆动。设:从样品表面反射后椭圆偏振光的椭圆度角、偏转方位角为ε、θ,强度为I,光电探测器的灵敏度为KD,τ为光通过检偏器的透过率,gD、gD—为光电探测器接收到的光强和检偏器旋转一周光电探测器接收到的平均光强。有:gD=gD—[1+Qcos2(θ-A)]

　　从上式可知:探测器探测到的光电信号的基波分量前面的系数为:(2αM)/πsin2(θ0-A),当θ0=A或θ0=A±π/2时gD(ω)=0即检偏器平行或垂直于反射椭圆偏振光的长轴时,基波信号消失,此即消光点。加上垂直磁场与不加磁场消光点的位置差即为Kerr角。如检偏器已在消光点附近,那末光电探测器的输出讯号经前置放大与滤波器(基波带通)后,仍具有与调制波频率相同的输出讯号,偏离消光点愈远,输出讯号愈大,只有在消光点的位置上,才没有讯号(实际上是讯号最小),因此,如用示波器或电子毫伏表做指示,并仔细调节检波器,很容易找消光点。

　　以上即是以“磁光调制相敏检波”代替普通电平指示的新方案。此外,由于在消光点前后,输出讯号的相位差180°,根据其相位,即可知道应该如何调节检偏器的方向。现将相敏检波的输出经直流功放,反馈送入高线性度法拉第调制器A(它的法拉第旋转角与流入电流成正比),使偏振面自动旋转至消光点,此即“磁光调制锁相椭偏仪”的工作原理。高线性度法拉第调制器A由铽玻璃棒加上纵向磁场制成,由于铽玻璃具有良好的线性磁光效应,制成的调制器励磁电流与偏转角之比为0.01°/mA时,线性度≤±0.5×10-2。