磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與非標(biāo)軟磁材料的矯頑力測(cè)量

王春梅，趙振杰，阮建中，李 赫，沈國(guó)土

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

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磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與非標(biāo)軟磁材料的矯頑力測(cè)量

王春梅，趙振杰，阮建中，李 赫，沈國(guó)土

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

原有的磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置為分立的磁塊光具座，光路調(diào)節(jié)中可變因素多，調(diào)節(jié)難度大且精度不高，故只能測(cè)量標(biāo)配樣品. 針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了水平可調(diào)的光學(xué)導(dǎo)軌，通過(guò)增加透鏡組和串聯(lián)電阻補(bǔ)償方法，可顯著簡(jiǎn)化光路調(diào)節(jié)和提高測(cè)量靈敏度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非標(biāo)軟磁性材料矯頑力的測(cè)量.

磁光克爾效應(yīng)；軟磁材料；矯頑力

1845年，Michael Faraday首先發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng). 1877年John Kerr發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(yīng)(magneto-optic Kerr effect). 1985年Moog和Bader成功地得到1個(gè)原子層厚度磁性物質(zhì)的磁滯回線，并提出了以SMOKE來(lái)作為表面磁光克爾效應(yīng) (surface magneto-optic Kerr effect)的縮寫[1]. 21世紀(jì)信息時(shí)代的到來(lái)，磁性元件應(yīng)用于數(shù)碼、軍工等多個(gè)產(chǎn)業(yè)，對(duì)磁性薄膜的研究成為熱點(diǎn). 磁光克爾效應(yīng)原理清晰且實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器操作簡(jiǎn)單，可以迅速準(zhǔn)確地得到磁性薄膜材料的磁光性質(zhì)，因此也受到了廣泛的關(guān)注[2].

磁滯回線是一條閉合的曲線，表示的是材料的磁化狀態(tài)隨外加磁場(chǎng)周期性的變化. 它表示出強(qiáng)磁性物質(zhì)反復(fù)磁化過(guò)程中磁化強(qiáng)度M或磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系，可以反映樣品的矯頑力、剩磁、磁結(jié)構(gòu)等磁學(xué)性質(zhì)[3].

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有復(fù)旦天欣2002年制造的表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，各個(gè)光學(xué)器件由磁塊固定，分立于平臺(tái)上，由于可變因素多，調(diào)節(jié)難度較大，測(cè)量精度難以提高，只能對(duì)設(shè)備配套的鐵鎳合金樣品進(jìn)行測(cè)量. 因此，筆者對(duì)原有裝置進(jìn)行了改進(jìn)，增加了2根可調(diào)水平的導(dǎo)軌，在光路中增加透鏡組，簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)并提高測(cè)量靈敏度. 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置提高了測(cè)量精度，可以用來(lái)測(cè)量非標(biāo)準(zhǔn)的軟磁性材料的矯頑力，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)補(bǔ)充新樣品，也可為科研提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)原有裝置進(jìn)行改進(jìn)，在光路系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)增加2根可調(diào)水平的導(dǎo)軌，設(shè)計(jì)如圖1所示，可以解決光學(xué)器件共軸的問(wèn)題，降低調(diào)節(jié)難度.

圖1中平衡調(diào)節(jié)孔在導(dǎo)軌的遠(yuǎn)端，2個(gè)水準(zhǔn)儀分別縱橫放置. 導(dǎo)軌的長(zhǎng)度取75 cm，寬度為12 cm，要能容納實(shí)驗(yàn)所放置的若干個(gè)光具座，并滿足光路間距需要. 導(dǎo)軌頂部的凸起部分與實(shí)驗(yàn)用光具座匹配，所有光具座螺絲擰緊后，其中軸線處于同一直線. 導(dǎo)軌兩端的細(xì)節(jié)如圖2所示，尖腳螺絲是平衡調(diào)節(jié)螺絲，將其置于平衡調(diào)節(jié)孔內(nèi)，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平；導(dǎo)軌近端有高度可調(diào)的支撐件，配合遠(yuǎn)端2個(gè)平衡調(diào)節(jié)螺絲，可改變導(dǎo)軌高度；導(dǎo)軌近端切割為弧形，曲率半徑為15 cm，與磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)主裝置底座完全吻合，確保調(diào)節(jié)兩導(dǎo)軌張角的同時(shí)，光路始終通過(guò)待測(cè)樣品中央. 該方案已經(jīng)申請(qǐng)實(shí)用新型專利[4]，將在今后物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣.

(a)

(b)圖2 改進(jìn)方案細(xì)節(jié)圖

(a)優(yōu)化前

實(shí)驗(yàn)選用適馬變焦鏡頭(SIGMA 18～200 mm 1:3.6～6.3HSM)替換原有的單一透鏡. 使用變焦鏡頭的優(yōu)勢(shì)有：1)多透鏡的會(huì)聚效果優(yōu)于單透鏡，增強(qiáng)了收光、聚光效果，使非標(biāo)樣品的測(cè)量成為可能；2)多透鏡匹配，可對(duì)激光光束整形，改善光斑質(zhì)量，即使入射光不是嚴(yán)格垂直于鏡頭表面，利用多透鏡作用，也可以使出射光聚焦到接收孔中；3)變焦鏡頭前端伸縮調(diào)焦，可應(yīng)對(duì)不同遠(yuǎn)近的光源，鏡頭后方的聚光點(diǎn)位置則基本保持不變，距離其約3 cm，即便前端光路微調(diào)，對(duì)出射光點(diǎn)的位置影響也可忽略，方便固定接收器，并能降低實(shí)驗(yàn)中周圍環(huán)境振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響. 優(yōu)化前后的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示. 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)快，光點(diǎn)更易攝入接收孔中，系統(tǒng)靈敏度提高，更易找到理想的克爾信號(hào).

(b)優(yōu)化后圖3 優(yōu)化前、后的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 對(duì)標(biāo)配鐵鎳樣品的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)化前，僅能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)量. 由于調(diào)節(jié)精度和會(huì)聚效果的限制，獲得的磁滯回線多數(shù)表現(xiàn)為基線漂移，生成不閉合的回線，或者噪聲信號(hào)明顯，測(cè)量曲線波動(dòng)劇烈，磁滯回線不夠平滑，典型的實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示,左側(cè)圖中藍(lán)線表示磁鐵電流I隨時(shí)間T變化，紅線為克爾信號(hào)VKerr隨時(shí)間T變化，右側(cè)圖為克爾信號(hào)VKerr與磁鐵電流I間的關(guān)系圖.

(a)

(b)圖4 優(yōu)化前測(cè)得的標(biāo)配鐵鎳樣品磁滯回線

系統(tǒng)優(yōu)化后，光學(xué)元件固定穩(wěn)妥，光點(diǎn)細(xì)銳、位置穩(wěn)定，易于測(cè)量，探測(cè)靈敏度提高. 對(duì)原樣品再次測(cè)量，如圖5所示，圖像較改進(jìn)前更為穩(wěn)定，周圍環(huán)境的振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響降低.

圖5 優(yōu)化后測(cè)得的標(biāo)配鐵鎳樣品磁滯回線

2.2 對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)軟磁性樣品的測(cè)量

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)改進(jìn)后的性能，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的Fe20Ni80軟磁薄膜進(jìn)行了測(cè)量. 測(cè)試前，將實(shí)驗(yàn)室制備的Fe20Ni80薄膜粘貼在新加工的銅制樣品架上，對(duì)系統(tǒng)光路進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，達(dá)到較好的狀態(tài). 首先將電流調(diào)節(jié)置于“自動(dòng)”擋位，進(jìn)行磁滯回線的自動(dòng)測(cè)量. 測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可見雖然圖像比較穩(wěn)定，但是由于軟磁樣品的矯頑力太小，自動(dòng)擋位無(wú)法精確得到其表面磁光性質(zhì)發(fā)生改變的具體位置，即圖中克爾信號(hào)的突變位置，所以進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量方法.

圖6 自動(dòng)測(cè)量的軟磁樣品的磁滯回線

將電流調(diào)節(jié)置于“手動(dòng)”擋位，為了克服系統(tǒng)自帶電流表精度不夠高的缺點(diǎn)，在電路中串聯(lián)萬(wàn)用表和電阻，提高了電流調(diào)節(jié)和測(cè)量精度. 勵(lì)磁線圈的自身電阻為1.2 Ω，串聯(lián)電阻的阻值為10.8 Ω(額定功率為2 W)，總阻值為12.0 Ω，這樣可將電流調(diào)節(jié)精度提高10倍. 用恒壓源代替恒流源，完成測(cè)量電路的優(yōu)化. 為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，可采用多次手動(dòng)測(cè)量求平均值的方法. 使用高斯計(jì)測(cè)量了電磁鐵系統(tǒng)的中心磁場(chǎng)與勵(lì)磁電流的正比例系數(shù)，關(guān)系式為

B=0.02I，

(1)

式中B單位為T，I單位是A.

磁性材料的矯頑力大小與其微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，在不同的晶粒尺寸范圍內(nèi)其矯頑力由不同的機(jī)理決定[5]. 矯頑力用HC表示，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁化強(qiáng)度M的關(guān)系為

B=μ0(H+M).

(2)

當(dāng)磁化強(qiáng)度M=0時(shí)，可得到

HC=B/μ0.

當(dāng)I=20.2 mA時(shí)，克爾信號(hào)為零，可計(jì)算出該軟磁材料矯頑力大小為HC=321.7 A/m. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制圖像，如圖7所示.

圖7 手動(dòng)測(cè)量得到的非標(biāo)軟磁性薄膜的磁滯回線

3 結(jié)束語(yǔ)

采用優(yōu)化后的磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，配合手動(dòng)調(diào)節(jié)，可以較精準(zhǔn)地測(cè)出軟磁性樣品的磁滯回線. 優(yōu)化后的表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)化了繁瑣的調(diào)節(jié)過(guò)程，而且提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自制樣品磁滯回線的測(cè)量，能精確地得到矯頑力的數(shù)值，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo). 通過(guò)優(yōu)化，可以豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生了解磁性材料的分類.

[1] 馬延鈞，安玲，陳未杰． 磁光克爾效應(yīng)及其測(cè)量[J]．哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，21(6)：787-788,793．

[2] 劉平安，陳希江，丁菲，等． 一種新型表面磁光克爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 河南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37(1)：18-22．

[3] 周玙． 基于鐵磁性材料矯頑力的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2015．

[4] 王春梅，李赫，傅方杰，等. 一種提高磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)精度的調(diào)節(jié)裝置[P]． 中國(guó)：201520987115.4.

[5] 張良. 鐵磁性材料矯頑力檢測(cè)技術(shù)的研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014．

[6] 石紹華，歐陽(yáng)雨，李道勇，等. 利用表面磁光克爾效應(yīng)監(jiān)測(cè)Ni薄膜生長(zhǎng)的物相轉(zhuǎn)變[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2012，32(8)：30-33.Improvement on apparatus of magneto-optic Kerr effect and measurement of coercive force of non-standard soft magnetic materials

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

WANG Chun-mei, ZHAO Zhen-jie, RUAN Jian-zhong, LI He, SHEN Guo-tu

(School of Physics and Materials Science, East China Normal University， Shanghai 200241, China)

The original magneto-optic Kerr effect experiment device in the lab, with a discrete magnetic optical bench, was difficult to adjust and the precision was low, because of the complexity in light path adjustment. Only standard samples could be measured with it. In this paper, an adjustable optical guide rail was designed and a lens group was inserted to simplify the adjustment of the optical path. Combining with the series resistance compensation method, the sensitivity was further improved. The measurement of the coercive force of non-stranded soft magnetic materials was realized.

magneto-optic Kerr effect; soft magnetic materials; coercive force

2016-05-31

華東師范大學(xué)2014年度實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研制項(xiàng)目資助(No.41000-562930-14203/006)

王春梅(1982-)，女，山東煙臺(tái)人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院工程師，碩士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

O436.4;O482.5

A

1005-4642(2016)11-0013-03

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文