技术领域
[0001] 本
发明涉及一种对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置及其应用，属于磁光椭偏分析的技术领域。
背景技术
[0002]
磁性材料的磁光性质在磁光存储方面有广泛应用，磁光椭偏技术是一种利用磁性材料的磁光克尔效应进行椭偏测量的广义椭偏测量技术。
[0003] 材料显微组织及其中的
原子排列决定了材料的性能，现阶段对材料的设计方面面临着主要依靠实验，设计周期长，成功率低等缺点，材料基因组计划目的在于寻找和建立材料从原子排列依次到相的形成、显微组织的形成、材料宏观性能与使用寿命之间的相互关系，这种将成分-结构-性能关系和
数据库与计算模型结合起来的研究方法可以大幅度提高材料的设计速度，降低材料的设计成本，提高材料的设计成功率。
[0004] 高通量组合薄膜制备技术是材料基因组计划的核心技术，通过高通量组合薄膜制备技术可以在同一
块衬底上制备出连续组分且空间可分辨的高
质量外延薄膜，可
加速材料研发周期，保障新材料探索的可执行性。磁性高通量组合薄膜微区磁光性质的高速表征对薄膜材料的分析手段提出了更高的要求，要求对同一薄膜样品上不同生长条件的微区性质进行对比分析，实现薄膜样品上各个微区性质的快速，高
分辨率，非破坏性分析。
[0005] 中国
专利，授权公告号CN203396695U公开了一种利用可调
波长激光器进行磁光椭偏测试的装置；该装置通过可调波长激光器与磁光椭偏系统的结合，将单波长磁光椭偏测试延伸到多波长磁光椭偏测试；通过调节激光电源的
电流可以使激光器出射不同
频率的激光，同时更换光电探测器上前置连接的与出射激光频率对应的滤光片，由PC机对磁性材料样品的进行多波长磁光椭偏测试，得到该材料磁光耦合系数的光谱曲线。但该装置一次测量仅对3mm光斑范围内的平均磁学参数进行磁光椭偏分析，不能进行微区磁光椭偏光谱分析；而且该装置使用的可调波长激光器只能选择410nm、450nm、520nm、638nm、660nm、780nm、808nm，830nm八个离散波长，波长选择范围有限；另外，该装置需要手动旋转起偏器和检偏器的繁琐操作，影响测量
精度和速度。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置。
[0007] 本发明提供一种利用上述装置对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的方法。
[0008] 发明概述：
[0009] 本发明所述装置包括
光源模块、起偏模块、样品台、
磁场模块、检偏模块、探测及分析模块和
电机控
制模块。通过使用氙灯光源加单色仪的组合来实现光谱磁光椭偏分析，光谱测量范围为300nm-800nm，精确度为0.2nm，重复性为0.1nm；使用
准直镜和成像单元以及CCD实现接收整个光斑范围内样品各个微区的光强信息，光斑直径为3mm，可分辨的最小微区直径为2um，CCD的每个
像素点都与样品的不同微区相对应，通过分析CCD各个像素点的光强信息实现对样品表面光斑范围内所有微区的磁光椭偏分析。
[0010] 术语说明：
[0011] CCD：Charge-coupled Device；CCD电荷
耦合器件，一种用电荷量表示
信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。
[0012] 本发明的技术方案为：
[0013] 一种对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，包括计算机、电磁
铁和按光路方向依次设置的氙灯光源、单色仪、光纤耦合器、输出光纤、准直镜、起偏器、样品台、显微物镜、镜筒透镜、检偏器和CCD；所述样品台设置在电
磁铁两个磁极的中心
位置；电磁铁通过磁铁控制系统与计算机连接；所述起偏器和检偏器分别与电机的转动轴连接；电机通过电机
控制模块与计算机连接；单色仪与计算机连接；
[0014] 所述氙灯光源、单色仪、光纤耦合器和输出光纤组成光源模块；所述准直镜和起偏器组成起偏模块；所述电磁铁和磁铁控制系统组成磁场模块；沿光轴设置的显微物镜和镜筒透镜组成成像单元；所述成像单元和检偏器组成检偏模块；所述CCD和计算机组成探测及分析模块；所述起偏模块和检偏模块设置在所述样品台的两侧，且与样品台的夹
角均为φ。
[0015] 所述光源模块用于产生可调单色光束；氙灯光源发出的光由氙灯光源内部汇聚透镜汇聚到单色仪入射焦点处，单色仪与输出光纤采用光纤耦合器耦合；所述准直镜对光纤入射光进行准直，准直产生的平行光束由起偏器进行偏振态调试；入射的光束经过起偏器起偏为线偏振光后入射到样品台上待测样品表面并反射；反射光束经过成像单元后由检偏器调制为线偏振光；所述起偏器和检偏器可以由电机带动旋转，沿光轴方向旋转调节角度；所述CCD用于探测光强信号；
[0016] 所述计算机功能为：通过单色仪配套
软件控制单色仪选择波长；通过与电机配套的电机控制模块控制电机；通过与电磁铁配套的磁铁控制系统控制电磁铁；通过与CCD配套的信号采集软件系统采集并通过公式计算处理每个像素点所得的光强信号，得到样品上各个微区的磁光椭偏参数；
[0017] 根据本发明优选的，所述准直镜和起偏器与入射光同光轴设置；所述成像单元和检偏器与样品反射光同光轴设置。
[0018] 根据本发明优选的，所述样品台包括调节XY轴的二维平移台，调节Z轴的一维平移台和调节
俯仰的αβ轴倾斜平台；所述样品台可通过调节旋钮调节高低与俯仰。
[0019] 根据本发明优选的，所述起偏模块和检偏模块通过V型
支架设置在所述样品台的两侧；夹角φ的大小可调节。
[0020] 根据本发明优选的，所述成像单元可沿光轴方向前后移动调整工作距离。
[0021] 一种利用上述装置对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的方法，包括如下步骤：
[0022] 1)打开磁铁控制系统进行电磁铁预热；
[0023] 2)打开氙灯光源、单色仪、电机控制模块、CCD和计算机的电源；
[0024] 3)转动V型支架两臂
选定入射角φ，所述入射角为入射光线与样品上表面的夹角；
[0025] 4)将待测薄膜样品置于样品台上，调整样品位置使样品上表面位于电磁铁两磁极的中心且与磁场方向平行或垂直，此时反射光由V型支架中心射入且与检偏模块同光轴；
[0026] 5)沿光轴方向前后移动成像单元，调整工作距离，使CCD得到清晰的图像，转动检偏器使入射到CCD上的光强最大，同时调节氙灯光源的功率，避免CCD发生饱和；
[0027] 6)计算机通过电机控制模块控制电机旋转，将起偏器角度θ1，检偏器角度θ2旋转至起始角度；起偏器0°位置为起偏器透振方向与入射面垂直时的位置，起偏器角度θ1为沿入射光传输方向看时起偏器透振方向逆
时针偏离起偏器0°位置的角度；检偏器0°位置为检偏器透振方向与入射面垂直时的位置，检偏器角度θ2为沿反射光传输方向看时检偏器透振方向逆时针偏离检偏器0°位置的角度；
[0028] 7)记录不加磁场时CCD各个像素点接收的光强I；计算机控制磁铁控制系统加正向磁场并记录加正向磁场时CCD各个像素点接收的光强I0；计算机控制磁铁控制系统加反向磁场并记录加反向磁场时CCD各个像素点接收的光强I1；得到光强变化率 并记录此时的θ1和θ2；
[0029] 8)保持起偏器角度θ1不变，计算机控制电机控制模块旋转检偏器角度θ2，并重复步骤7)，其中检偏器角度θ2的增加步长为1°，直至转满180°，得到起偏器角度为θ1时，与θ2一系列的对应数据；
[0030] 9)通过用计算机改变起偏器角度θ1，并将检偏器角度θ2旋转至起始角度，重复步骤7)-8)，得到一组不同起偏器角度θ1下 与θ2一系列的对应数据；再次改变起偏器角度θ1，重复步骤7)-8)，最终得到三组不同起偏器角度θ1下 与θ2一系列的对应数据；
[0031] 10)通过计算机分析入射角φ、起偏器角度θ1、检偏器角度θ2和 的对应数据，计算样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N；
[0032] 11)改变单色仪输出波长，重复步骤6)-10)，得到样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N的光谱图像；
[0033] 12)转动V型支架的两臂，改变角度φ，重复步骤4)-11)，得到不同角度φ下，样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N的光谱图像；
[0034] 根据本发明优选的，所述步骤10)中，计算样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N具体方法如下：
[0035] 光强变化率 随θ2的变化关系如下：
[0036]
[0037] 将三组不同起偏器角度θ1下 与θ2一系列的对应数据同时拟合，得到上式中的系数B1，B2，B3，B4，B5，B6，将B5，B6和入射角φ带入下式求出入射光的复折射角[0038] 公式中的i为虚数单位；
[0039] 将B1，B2，B5，B6，θ， 代入下式求得样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N；
[0040]
[0041]
[0042] 根据本发明优选的，所述步骤4)中，磁场方向为正向或反向。
[0043] 本发明的有益效果为：
[0044] 1.本发明所述对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，采用由准直镜，成像单元和CCD组成的成像系统，实现对直径为3mm的光斑范围内样品所有直径为2um的微区的独立磁光椭偏分析，适用于磁性高通量组合薄膜微区磁光性质的表征，分辨率得到极大的提高；此外，本发明在不加磁场并安装
相位补偿器时，还可以进行微区椭偏光谱分析；
[0045] 2.本发明所述对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，起偏器和检偏器的旋转采用电机控制，旋转精度达到1°，避免了手动旋转起偏器和检偏器的繁琐操作，测量精度和速度都得到提高；
[0046] 3.本发明所述对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，光源系统采用由氙灯光源，单色仪，光纤耦合器和输出光纤组成的光源系统，使用氙灯光源加单色仪的组合实现光源模块波长调节，光谱测量范围达到300nm-800nm，精确度达到0.2nm，重复性达到0.1nm，波长选择范围和精度都得到极大提高；
[0047] 4.本发明提供了一种实现微区磁光椭偏光谱分析系统装置和测量方法，目的在于实现磁性薄膜表面微区光学、磁学性质的快速，高分辨率，宽光谱范围，非破坏性分析。
附图说明
[0048] 图1为本发明所述对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置的模块示意图；
[0049] 图2为本发明所述对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置的具体结构示意图；
[0050] 其中，1、氙灯光源；2、单色仪；3、光纤耦合器；4、输出光纤；5、光纤
接口；6、准直镜；7、起偏器；8、样品台；9、角度计；10、电磁铁；11、显微物镜；12、镜筒透镜；13、检偏器；14、CCD；15、V型支架；16、电机控制模块；17、磁铁控制系统；18、计算机。
具体实施方式
[0051] 下面结合
实施例和
说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0052] 实施例1
[0053] 如图1-2所示。
[0054] 一种对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，包括计算机、电磁铁和按光路方向依次设置的氙灯光源、单色仪、光纤耦合器、输出光纤、准直镜、起偏器、样品台、显微物镜、镜筒透镜、检偏器和CCD；所述样品台设置在电磁铁两个磁极的中心位置；电磁铁通过磁铁控制系统与计算机连接；所述起偏器和检偏器分别与电机的转动轴连接；电机通过电机控制模块与计算机连接；单色仪与计算机连接；
[0055] 所述氙灯光源、单色仪、光纤耦合器和输出光纤组成光源模块；所述准直镜和起偏器组成起偏模块；所述电磁铁和磁铁控制系统组成磁场模块；沿光轴设置的显微物镜和镜筒透镜组成成像单元；所述成像单元和检偏器组成检偏模块；所述CCD和计算机组成探测及分析模块；所述起偏模块和检偏模块设置在所述样品台的两侧，且与样品台的夹角均为φ。
[0056] 所述起偏模块和检偏模块通过V型支架设置在所述样品台的两侧；夹角φ的大小可调节。
[0057] 所述光源模块用于产生可调单色光束；氙灯光源发出的光由氙灯光源内部汇聚透镜汇聚到单色仪入射焦点处，单色仪与输出光纤采用光纤耦合器耦合；所述准直镜对光纤入射光进行准直，准直产生的平行光束由起偏器进行偏振态调试；入射的光束经过起偏器起偏为线偏振光后入射到样品台上待测样品表面并反射；反射光束经过成像单元后由检偏器调制为线偏振光；所述起偏器和检偏器可以由电机带动旋转，沿光轴方向旋转调节角度；所述CCD用于探测光强信号；
[0058] 所述计算机功能为：通过单色仪配套软件控制单色仪选择波长；通过与电机配套的电机控制模块控制电机；通过与电磁铁配套的磁铁控制系统控制电磁铁；通过与CCD配套的信号采集软件系统采集并通过公式计算处理每个像素点所得的光强信号，得到样品上各个微区的磁光椭偏参数；
[0059] 所述磁铁控制系统为上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的，产品型号为FD-VSMG-A；所述光纤接口为SMA905光纤接口；电机控制模块为西格玛光机株式会社的，型号为OSMS-40YAW。
[0060] 实施例2
[0061] 如实施例1所述的对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，进一步的，所述准直镜和起偏器与入射光同光轴设置；所述成像单元和检偏器与样品反射光同光轴设置。
[0062] 实施例3
[0063] 如实施例1所述的对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，进一步的，所述样品台包括调节XY轴的二维平移台，调节Z轴的一维平移台和调节俯仰的αβ轴倾斜平台；所述样品台可通过调节旋钮调节高低与俯仰。所述二维平移台为北京茂丰光电科技有限公司生产的，型号为MPV60-2S；所述一维平移台为北京茂丰光电科技有限公司生产的，型号为MPV60-1S；αβ轴倾斜平台为西格玛光机株式会社生产的，型号为AIS-60B；
[0064] 实施例4
[0065] 如实施例1所述的对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的装置，进一步的，所述成像单元可沿光轴方向前后移动调整工作距离。
[0066] 实施例5
[0067] 一种利用实施例1-4任意一项所述装置对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的方法，包括如下步骤：
[0068] 1)打开磁铁控制系统进行电磁铁预热；
[0069] 2)打开氙灯光源、单色仪、电机控制模块、CCD和计算机的电源；
[0070] 3)转动V型支架两臂选定入射角φ，所述入射角为入射光线与样品上表面的夹角；
[0071] 4)将待测薄膜样品置于样品台上，调整样品位置使样品上表面位于电磁铁两磁极的中心且与磁场方向平行或垂直，此时反射光由V型支架中心射入且与检偏模块同光轴；磁场方向为正向；
[0072] 5)沿光轴方向前后移动成像单元，调整工作距离，使CCD得到清晰的图像，转动检偏器使入射到CCD上的光强最大，同时调节氙灯光源的功率，避免CCD发生饱和；
[0073] 6)计算机通过电机控制模块控制电机旋转，将起偏器角度θ1，检偏器角度θ2旋转至起始角度；起始角度根据实验要求确定，此处设定起偏器和检偏器起始角度都为0°；起偏器0°位置为起偏器透振方向与入射面垂直时的位置，起偏器角度θ1为沿入射光传输方向看时起偏器透振方向逆时针偏离起偏器0°位置的角度；检偏器0°位置为检偏器透振方向与入射面垂直时的位置，检偏器角度θ2为沿反射光传输方向看时检偏器透振方向逆时针偏离检偏器0°位置的角度；
[0074] 7)记录不加磁场时CCD各个像素点接收的光强I；计算机控制磁铁控制系统加正向磁场并记录加正向磁场时CCD各个像素点接收的光强I0；计算机控制磁铁控制系统加反向磁场并记录加反向磁场时CCD各个像素点接收的光强I1；得到光强变化率 并记录此时的θ1和θ2；
[0075] 8)保持起偏器角度θ1不变，计算机控制电机控制模块旋转检偏器角度θ2，并重复步骤7)，其中检偏器角度θ2的增加步长为1°，直至转满180°，得到起偏器角度为θ1时，与θ2一系列的对应数据；
[0076] 9)通过用计算机改变起偏器角度θ1，并将检偏器角度θ2旋转至起始角度，重复步骤7)-8)，得到一组不同起偏器角度θ1下 与θ2一系列的对应数据；再次改变起偏器角度θ1，重复步骤7)-8)，最终得到三组不同起偏器角度θ1下 与θ2一系列的对应数据；
[0077] 10)通过计算机分析入射角φ、起偏器角度θ1、检偏器角度θ2和 的对应数据，计算样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N；
[0078] 11)改变单色仪输出波长，重复步骤6)-10)，得到样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N的光谱图像；
[0079] 12)转动V型支架的两臂，改变角度φ，重复步骤4)-11)，得到不同角度φ下，样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N的光谱图像；
[0080] 所述步骤10)中，计算样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N具体方法如下：
[0081] 光强变化率 随θ2的变化关系如下：
[0082]
[0083] 将三组不同起偏器角度θ1下 与θ2一系列的对应数据同时拟合，得到上式中的系数B1，B2，B3，B4，B5，B6，将B5，B6和入射角φ带入下式求出入射光的复折射角[0084] 公式中的i为虚数单位；
[0085] 将B1，B2，B5，B6，θ， 代入下式求得样品各个微区的磁光耦合系数Q和折射率N；
[0086]
[0087]
[0088] 实施例6
[0089] 如实施例5所述对薄膜样品进行微区磁光椭偏光谱分析的方法，所不同的是，所述步骤4)中，磁场方向为反向。
