磁光克爾效應實驗裝置改進與非標軟磁材料的矯頑力測量

王春梅，趙振杰，阮建中，李 赫，沈國土

(華東師范大學 物理與材料科學學院，上海 200241)

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磁光克爾效應實驗裝置改進與非標軟磁材料的矯頑力測量

王春梅，趙振杰，阮建中，李 赫，沈國土

(華東師范大學 物理與材料科學學院，上海 200241)

原有的磁光克爾效應實驗裝置為分立的磁塊光具座，光路調節中可變因素多，調節難度大且精度不高，故只能測量標配樣品. 針對以上問題，設計了水平可調的光學導軌，通過增加透鏡組和串聯電阻補償方法，可顯著簡化光路調節和提高測量靈敏度，實現了對非標軟磁性材料矯頑力的測量.

磁光克爾效應；軟磁材料；矯頑力

1845年，Michael Faraday首先發現了磁光效應. 1877年John Kerr發現了磁光克爾效應(magneto-optic Kerr effect). 1985年Moog和Bader成功地得到1個原子層厚度磁性物質的磁滯回線，并提出了以SMOKE來作為表面磁光克爾效應 (surface magneto-optic Kerr effect)的縮寫[1]. 21世紀信息時代的到來，磁性元件應用于數碼、軍工等多個產業，對磁性薄膜的研究成為熱點. 磁光克爾效應原理清晰且實驗設備儀器操作簡單，可以迅速準確地得到磁性薄膜材料的磁光性質，因此也受到了廣泛的關注[2].

磁滯回線是一條閉合的曲線，表示的是材料的磁化狀態隨外加磁場周期性的變化. 它表示出強磁性物質反復磁化過程中磁化強度M或磁感應強度B與磁場強度H之間的關系，可以反映樣品的矯頑力、剩磁、磁結構等磁學性質[3].

實驗室現有復旦天欣2002年制造的表面磁光克爾效應實驗系統裝置，各個光學器件由磁塊固定，分立于平臺上，由于可變因素多，調節難度較大，測量精度難以提高，只能對設備配套的鐵鎳合金樣品進行測量. 因此，筆者對原有裝置進行了改進，增加了2根可調水平的導軌，在光路中增加透鏡組，簡化調節并提高測量靈敏度. 改進后的實驗裝置提高了測量精度，可以用來測量非標準的軟磁性材料的矯頑力，為實驗教學補充新樣品，也可為科研提供參考.

1 實驗裝置的設計與優化

對原有裝置進行改進，在光路系統中，設計增加2根可調水平的導軌，設計如圖1所示，可以解決光學器件共軸的問題，降低調節難度.

圖1中平衡調節孔在導軌的遠端，2個水準儀分別縱橫放置. 導軌的長度取75 cm，寬度為12 cm，要能容納實驗所放置的若干個光具座，并滿足光路間距需要. 導軌頂部的凸起部分與實驗用光具座匹配，所有光具座螺絲擰緊后，其中軸線處于同一直線. 導軌兩端的細節如圖2所示，尖腳螺絲是平衡調節螺絲，將其置于平衡調節孔內，可以調節導軌水平；導軌近端有高度可調的支撐件，配合遠端2個平衡調節螺絲，可改變導軌高度；導軌近端切割為弧形，曲率半徑為15 cm，與磁光克爾效應實驗主裝置底座完全吻合，確保調節兩導軌張角的同時，光路始終通過待測樣品中央. 該方案已經申請實用新型專利[4]，將在今后物理實驗教學中推廣.

(a)

(b)圖2 改進方案細節圖

(a)優化前

實驗選用適馬變焦鏡頭(SIGMA 18～200 mm 1:3.6～6.3HSM)替換原有的單一透鏡. 使用變焦鏡頭的優勢有：1)多透鏡的會聚效果優于單透鏡，增強了收光、聚光效果，使非標樣品的測量成為可能；2)多透鏡匹配，可對激光光束整形，改善光斑質量，即使入射光不是嚴格垂直于鏡頭表面，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焦，可應對不同遠近的光源，鏡頭后方的聚光點位置則基本保持不變，距離其約3 cm，即便前端光路微調，對出射光點的位置影響也可忽略，方便固定接收器，并能降低實驗中周圍環境振動對實驗造成的影響. 優化前后的實驗裝置圖如圖3所示. 改進后的實驗裝置調節快，光點更易攝入接收孔中，系統靈敏度提高，更易找到理想的克爾信號.

(b)優化后圖3 優化前、后的實驗裝置實物圖

2 實驗數據

2.1 對標配鐵鎳樣品的測量

實驗裝置優化前，僅能對標準樣品進行測量. 由于調節精度和會聚效果的限制，獲得的磁滯回線多數表現為基線漂移，生成不閉合的回線，或者噪聲信號明顯，測量曲線波動劇烈，磁滯回線不夠平滑，典型的實驗曲線如圖4所示,左側圖中藍線表示磁鐵電流I隨時間T變化，紅線為克爾信號VKerr隨時間T變化，右側圖為克爾信號VKerr與磁鐵電流I間的關系圖.

(a)

(b)圖4 優化前測得的標配鐵鎳樣品磁滯回線

系統優化后，光學元件固定穩妥，光點細銳、位置穩定，易于測量，探測靈敏度提高. 對原樣品再次測量，如圖5所示，圖像較改進前更為穩定，周圍環境的振動對系統的影響降低.

圖5 優化后測得的標配鐵鎳樣品磁滯回線

2.2 對非標準軟磁性樣品的測量

為進一步驗證系統改進后的性能，對非標準的Fe20Ni80軟磁薄膜進行了測量. 測試前，將實驗室制備的Fe20Ni80薄膜粘貼在新加工的銅制樣品架上，對系統光路進行精細調節，達到較好的狀態. 首先將電流調節置于“自動”擋位，進行磁滯回線的自動測量. 測試結果如圖6所示，可見雖然圖像比較穩定，但是由于軟磁樣品的矯頑力太小，自動擋位無法精確得到其表面磁光性質發生改變的具體位置，即圖中克爾信號的突變位置，所以進一步改進測量方法.

圖6 自動測量的軟磁樣品的磁滯回線

將電流調節置于“手動”擋位，為了克服系統自帶電流表精度不夠高的缺點，在電路中串聯萬用表和電阻，提高了電流調節和測量精度. 勵磁線圈的自身電阻為1.2 Ω，串聯電阻的阻值為10.8 Ω(額定功率為2 W)，總阻值為12.0 Ω，這樣可將電流調節精度提高10倍. 用恒壓源代替恒流源，完成測量電路的優化. 為了進一步提高測量精度，可采用多次手動測量求平均值的方法. 使用高斯計測量了電磁鐵系統的中心磁場與勵磁電流的正比例系數，關系式為

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構有著密切的關系，在不同的晶粒尺寸范圍內其矯頑力由不同的機理決定[5]. 矯頑力用HC表示，磁感應強度B與磁場強度H和磁化強度M的關系為

B=μ0(H+M).

(2)

當磁化強度M=0時，可得到

HC=B/μ0.

當I=20.2 mA時，克爾信號為零，可計算出該軟磁材料矯頑力大小為HC=321.7 A/m. 根據實驗結果繪制圖像，如圖7所示.

圖7 手動測量得到的非標軟磁性薄膜的磁滯回線

3 結束語

采用優化后的磁光克爾效應實驗系統，配合手動調節，可以較精準地測出軟磁性樣品的磁滯回線. 優化后的表面磁光克爾效應實驗系統不僅簡化了繁瑣的調節過程，而且提高了測量精度，實現了對自制樣品磁滯回線的測量，能精確地得到矯頑力的數值，達到了預期目標. 通過優化，可以豐富實驗教學內容，讓學生了解磁性材料的分類.

[1] 馬延鈞，安玲，陳未杰． 磁光克爾效應及其測量[J]．哈爾濱商業大學學報(自然科學版)，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測量系統[J]. 河南大學學報，2007，37(1)：18-22．

[3] 周玙． 基于鐵磁性材料矯頑力的應力檢測技術研究[D]. 沈陽:沈陽工業大學，2015．

[4] 王春梅，李赫，傅方杰，等. 一種提高磁光克爾效應實驗精度的調節裝置[P]． 中國：201520987115.4.

[5] 張良. 鐵磁性材料矯頑力檢測技術的研究[D]. 沈陽：沈陽工業大學，2014．

[6] 石紹華，歐陽雨，李道勇，等. 利用表面磁光克爾效應監測Ni薄膜生長的物相轉變[J]. 物理實驗，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2014年度實驗教學設備研制項目資助(No.41000-562930-14203/006)

王春梅(1982-)，女，山東煙臺人，華東師范大學物理與材料科學學院工程師，碩士，主要從事物理實驗教學與研究.

O436.4;O482.5

A

1005-4642(2016)11-0013-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文