磁性材料磁畴动态观测仪的研制

　　1 引言

　　在强磁性(铁磁性、亚铁磁性)材料中，由于材料内交换能、磁晶各向异性能、退磁场能等各种能量的综合作用，使得材料在微观上被分成许多磁矩规则排列的小区域(约 )，这些小区域就被称为磁畴[1,2]。磁畴根据其结构的不同分为很多种，如片形畴、封闭畴、棋盘畴、波纹畴、磁泡畴以及多种衍生畴等。在一般的磁性材料中，由于各种能量(退磁能、应力能等)的综合作用，导致材料中可能同时存在多种磁畴。磁畴结构及其在外部因素(如磁场、应力、温度等)作用下的运动变化方式，直接决定了磁性材料的宏观磁性能，如材料的矫顽力、磁导率、剩磁等。如果我们能够完全清楚地知道磁畴结构及其在外部因素作用下的动态变化方式，就可以直接通过微磁学理论计算出磁性材料的各种宏观磁性能参数。可惜的是到目前为止，还不能得到材料在各种情况下(如不同的温度、压力、磁场等)磁畴结构的清晰图像信息，或即使得到某种情况下磁畴结构的清晰图像信息，但由于很难得到磁畴结构在外部因素作用下的动态变化方式，从而无法从所得到的磁畴结构图像信息直接计算出材料的各种宏观磁性能参数。因此自从预言了磁畴的存在之后，人们一直在尝试利用各种方法来观测磁畴结构及其在外部因素作用下的动态变化方式[3]。

　　到目前为止观测磁畴的方法已经有很多种，如粉纹图法、磁光效应法、电子显微术、X 射线形貌学法、电子全息照相术以及磁力显微镜等。其中粉纹图法对所用磁性粒子的尺寸有严格要求，且不能在较高温度下观测磁畴结构，观测精度也不高，更不能进行动态观测[1,2];电子显微术、X 射线形貌学法和电子全息照相术等虽然观测精度高，但操作非常复杂，价格昂贵，且需要专业人员操作[3,4];磁力显微镜不但操作复杂，而且只能对部分磁性材料(如磁记录材料等)进行精确地观测，在观测矫顽力非常大的材料(如钕铁硼)时，磁针的磁性有可能被改变，因此测试结果不可信[5];磁光效应法对材料的磁畴结构几乎没有影响，不受材料性能的限制，可在不同温度下进行测量，也可以动态追踪磁畴结构在外磁场作用下的变化过程，因此在磁畴观测方面被广泛采用。中科院物理所曾利用磁光效应法详细研究了磁泡畴并取得了很多成果[6,7]。为此，我们与中科院物理所合作，研制了一台利用磁光法拉第效应原理来观测磁畴结构的动态磁畴观测仪，并可把观测图像数字化，通过计算机软件进行处理，可得到有用的磁畴结构信息。本文将详细介绍其工作原理及测试方法。

　　2 工作原理及仪器组成

　　磁光效应是指当一束线偏振光穿过磁性材料或在磁性材料表面反射时，透射光或反射光的偏振面相对于入射光的偏振面偏转一定角度的现象。其中对于反射的情况，称为克尔效应;对于透射的情况，称为法拉第效应[3,8,9]。在法拉第效应中，偏振面的旋转角度与材料磁畴的磁化强度在平行于光传播方向上的分量成正比，而偏振面的偏转方向与磁畴磁矩的取向有关。若偏振面的偏转角为,光波在介质中穿过的路程为 L，磁化强度在光传播方向上的分量为 M，则有[2]：