一种基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置

1.本实用新型属于材料表面局域磁性及畴壁动力学测量领域，尤其涉及一种基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置。


背景技术：

2.近年来，由于数据存储对传输速度与存储密度要求飞速上升，带来自旋电子学的快速发展。而磁性薄膜材料因其高密度存储特性，广泛应用于制造计算机存储元件、光通信磁光调制器以及磁光记录盘等，有着良好的前景，这使得自旋电子学快速发展。
3.磁畴是磁性材料微观结构的组成部分，它将材料的基本物理性质与其宏观性质和应用联系在一起，使得磁性材料的表现出的宏观磁特性可以通过磁畴理论来解释。磁滞现象、磁滞伸缩、感应装置中的能量损失、传感器中的噪声或现代自旋电子器件的磁阻特性，都可以由磁畴的特性决定，特别是磁化过程中的不可逆性。可视化磁畴图像可以帮助我们理解磁性材料的局部磁化分布与畴壁动力学，对磁性材料的开发与优化有着重要意义。
4.而磁光克尔显微技术利用磁光克尔效应能够在宏观到纳米尺度下直接观测到磁畴，还能快速响应，实时地展现磁畴随外加磁场、电流等条件下的演变的过程，是研究磁性材料磁化反转等行为不可或缺的技术手段。
5.传统的克尔显微技术的缺陷有：
6.1、利用控制机械结构的狭缝光阑来改变光线入射角度，狭缝遮挡了大部分光照，照明效率很低。
7.2、使用电磁铁施加外部磁场，成本高昂。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术缺陷，本实用新型提出一种基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置，以解决上述问题。
9.本发明提供如下的技术方案：
10.一种基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置，其包括：
11.光纤耦合光路、照明光路、显微成像光路、磁场控制装置和样品架，所述光纤耦合光路和所述照明光路通过光纤连接；
12.所述照明光路包括照明前端光路和照明后端光路；
13.所述照明前端光路包括从左到右依次设置的光纤输出端、集光镜、孔径光阑、起偏器、场镜和聚光镜；
14.所述照明后端光路包括消偏振分光棱镜、反射镜和无限共轭长工作距离显微物镜，所述消偏振分光棱镜和反射镜依次位于所述聚光镜正右方，所述无限共轭长工作距离显微物镜位于反射镜正下方；
15.所述光纤输出端下方设置有平移装置，所述平移装置能够通过平移装置调节光纤输出端移动；所述样品架位于无限共轭长工作距离显微物镜正下方；
16.所述磁场控制装置设置在样品架的下方，所述磁场控制装置包括离合控制装置和升降平移台；
17.所述离合控制装置上设置有两个永磁铁，所述升降平移台上设置有一个永磁铁。
18.优选的，所述集光镜、孔径光阑、起偏器、场镜、聚光镜、消偏振分光棱镜和反射镜的中心点位于同一直线上。
19.优选的，所述样品架包括相互连接的二维俯仰台和玻璃薄板，所述玻璃薄板内部设置有线性霍尔芯片。
20.优选的，述反射镜，无限共轭长工作距离显微物镜和样品架的中心点位于同一直线上。
21.优选的，所述光纤耦合光路包括从左到右依次设置的led、缩束镜、准直镜、耦合透镜和光纤输入端。
22.更优的，所述led，缩束镜，准直镜，耦合透镜和光纤输入端的中心点位于同一直线上。
23.优选的，所述显微成像光路包括从上至下设置的1/4波片、检偏器、管透镜和cmos相机。
24.更优的，所述1/4波片、检偏器、管透镜和cmos相机的中心点位于同一直线上。
25.本实用新型的提供的基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置，其相比于现有的技术，还具有如下优点：
26.1、本实用新型采用入射光线角度调节方法，能够灵活的调节入射光的角度，同时照明效率高。
27.2、本实用新型通过控制永磁体到样品架架的距离，来控制外加磁场的方法，相对于高昂的电磁铁，属于简易的低成本替代。
附图说明
28.利用附图对本实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
29.图1是本实用新型装置的结构及照明光路原理示意图；
30.图2是本实用新型装置的光纤耦合光路示意图；
31.图3是本实用新型装置的玻璃薄板样品架结构示意图。
32.1、光纤；2、光纤输出端；3、集光镜；4、孔径光阑；5、起偏器；6、场镜；7、聚光镜；8、消偏振分光棱镜；9、反射镜；10、无限共轭长工作距离显微物镜；11、样品面；12、永磁铁；13、升降平移台；14、离合控制装置；15、1/4波片；16、检偏器；17、管透镜；18、cmos相机；19、led；20、缩束镜；21、准直镜；22、耦合透镜；23、光纤输入端；24、二维俯仰台；25、玻璃薄板；26、线性霍尔芯片；27、样品架；28、平移装置。
具体实施方式
33.以下结合具体实施例对一种基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本实用新型不限定于这些实施例中。
34.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
36.实施例
37.请参阅图1-3，为本实用新型提供的基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置，其包括：光纤耦合光路、照明光路、显微成像光路、磁场控制装置和样品架，所述光纤耦合光路和所述照明光路通过光纤连接；
38.所述照明光路包括照明前端光路和照明后端光路；
39.所述照明前端光路包括从左到右依次设置的光纤输出端(2)、集光镜(3)、孔径光阑(4)、起偏器(5)、场镜(6)和聚光镜(7)；
40.所述照明后端光路包括消偏振分光棱镜(8)、反射镜(9)和无限共轭长工作距离显微物镜(10)，所述消偏振分光棱镜(8)和反射镜(9)依次位于所述聚光镜(7)正右方，所述无限共轭长工作距离显微物镜(10)位于反射镜(9)正下方；
41.所述光纤输出端(2)下方设置有平移装置(28)，所述平移装置(28)能够通过平移装置调节光纤输出端移动；所述样品架(27)位于无限共轭长工作距离显微物镜(10)正下方；
42.所述磁场控制装置设置在样品架(27)的下方，所述磁场控制装置包括离合控制装置(14)和升降平移台(13)；
43.所述离合控制装置(14)上设置有两个永磁铁(12)，所述升降平移台(13)上设置有一个永磁铁(12)。
44.光纤耦合光路将led的照明光束通过光纤耦合光路耦合进入光纤；照明光路以光纤耦合输入，在样品面上提供均匀线偏振的平行照明光束；显微成像光路为无限共轭cmos相机数码显微成像系统，在cmos相机的成像芯片平面上成样品放大像，并且成像灰度分布与磁性分布引起的光偏振角度相关；磁场控制装置用于对样品施加面内或面外的外加磁场。
45.优选的，所述集光镜(3)、孔径光阑(4)、起偏器(5)、场镜(6)、聚光镜(7)、消偏振分光棱镜(8)和反射镜(9)的中心点位于同一直线上。
46.集光镜(3)焦点的孔径角与光纤(1)的数值孔径相匹配，光束在孔径光阑(4)处聚焦，后经过起偏器(5)起偏。线偏振光经过场镜(6)后成平行光，由聚光镜(7)聚焦并透射消偏振分光棱镜(8)后再经反射镜(9)反射后，光束聚焦到无限共轭长工作距离显微物镜(10)前焦面，经过无限共轭长工作距离显微物镜(10)成平行光后照射到样品面(11)。
47.请参阅图3，为本实用新型装置的玻璃薄板样品架示意图：
48.优选的，所述样品架(27)包括相互连接的二维俯仰台(24)和玻璃薄板(25)，所述玻璃薄板(25)内部设置有线性霍尔芯片(26)。
49.优选的，所述反射镜(9)，无限共轭长工作距离显微物镜(10)和样品架(27)的中心
点位于同一直线上。
50.优选的，所述磁场控制装置设置在样品架(27)的下方，所述磁场控制装置包括离合控制装置(14)和升降平移台(13)。
51.更优的，所述离合控制装置(14)上设置有两个永磁铁，所述升降平移台(13)上设置有一个永磁铁。
52.磁场控制装置通过升降平移台(13)控制在升降平移台(13)上的永磁体与样品面(11)的距离，来对样品(11)施加面外磁场；纵向磁场控制模块通过离合控制装置(14)平行放置的两块圆柱形永磁体的离合，来对样品面(11)施加面内磁场。
53.请参阅图2，为本实用新型装置的光纤耦合光路示意图：
54.优选的，所述光纤耦合光路包括从左到右依次设置的led(19)，缩束镜(20)，准直镜(21)，耦合透镜(22)和光纤输入端(23)。
55.更优的，所述led(19)，缩束镜(20)，准直镜(21)，耦合透镜(22)和光纤输入端(23)的中心点位于同一直线上。
56.使用缩束镜(20)对led(19)光束进行收集，使用准直镜(21)出射平行光，平行光通过耦合透镜(22)耦合进光纤输入端(23)。耦合透镜(22)焦点的孔径角与光纤(1)的数值孔径匹配。
57.优选的，所述显微成像光路包括从上至下设置的1/4波片，检偏器，管透镜和cmos相机。
58.优选的，所述1/4波片(15)、检偏器(16)、管透镜(17)和cmos相机(18)的中心点位于同一直线上。
59.样品(11)置于无限共轭长工作距离显微物镜(10)工作距离处，成像光束经过反射镜(9)和消偏振分光棱镜(8)的反射，再依次经过1/4波片(15)与检偏器(16)，最后通过管透镜(17)成像于cmos相机(18)的传感器芯片上。在一实施例中，无限共轭长工作距离显微物镜(10)与管透镜(17)距离为200mm。
60.具体结合附图和实施方式进一步说明。
61.图1为本实用新型提供的基于光纤耦合光源的磁光克尔显微装置的结构及光缆原理图；图2为本实用新型提供的光纤耦合led光路。图2中所示的光纤耦合光路将led(19)照明光束耦合进入光纤输入端(23)，再由光纤输出端(2)耦合进图1中所示的磁光克尔显微成像系统。
62.在一实施例中，所述led(19)为窄带led，波长范围为500-650nm，线宽为20nm。窄线宽可以消除色差的影响，短波长可以提高显微系统的分辨率，同时也能保持在较好的克尔效应波长范围内。
63.所述光纤输出端(2)固定于平移装置(28)上，可以通过平移装置(28)调节光纤输出端(2)的离轴距离，改变无限共轭长工作距离显微物镜(10)出射照明光束的角度，实现对样品面(11)入射角的控制，从而调节样品面(11)反射光中极向与纵向克尔效应的组份。使用光纤耦合输入照明光束，是由于光纤输出端(2)可近似看作点光源，且辐射均匀。
64.所述孔径光阑(4)用于滤除杂散光与定位光纤输出端(2)的离轴位置。孔径光阑(4)中心应与系统主光轴重合。
65.所述聚光镜(7)后焦点应与无限共轭长工作距离显微物镜(10)前焦点重合，光纤
输出端(2)经过集光镜(3)和场镜(6)组成的扩束准直系统成像于聚光镜(7)后焦面，若光纤输出端(2)位于光轴，则光纤输出端(2)的像位于无限共轭长工作距离显微物镜(10)前焦点，出射平行光束平行于光轴；若通过控制光纤输出端(2)偏离光轴的距离，则可控制输出的平行光束偏离光轴的角度。
66.所述消偏振分光棱镜(8)用于将照明光路与显微成像光路组合与分离，为了产生垂直入射的极向克尔效应。入射光束在穿过消偏振分光棱镜(8)胶层时，50％光强透射，50％光强反射。光束对于胶层的s波与p波偏振方向的成分都平均分配，因此光束透过后，偏振态不变。
67.本实用新型提供的装置的工作原理如下：
68.1、基于光纤耦合原理，使用缩束镜(20)对led(19)光束进行收集并提高辐照度，使用准直镜(21)出射平行光，平行光通过耦合透镜(22)耦合进光纤。耦合透镜(22)焦点的孔径角与光纤(1)的数值孔径匹配。
69.2、基于科勒照明的原理，当光纤输出端(2)点光源在集光镜(3)和场镜(6)组成的双透镜系统的前焦面时，会出射均匀的平行光束，并且通过平移装置(28)控制光纤输出端(2)的离轴距离，可以控制出射光束的倾斜角度。借此在样品面(11)上提供角度可控的均匀照明场，以达到明亮均匀的成像效果。
70.3、由于磁性介质反射光为椭圆偏振光，检偏器(16)无法完全消光。为了进一步提高磁域对比度，使用1/4波片(15)让椭圆偏振光变为线偏振光，偏振角度为椭圆偏振光的长轴方向。
71.4、基于显微成像原理，使用无限共轭长工作距离显微物镜(10)收集并放大磁性样品表面(11)的发射光，经过管透镜(17)聚焦在cmos相机(18)成像后，可使得磁性样品表面(11)的反射光携带的磁光克尔信号被cmos相机(18)接收。在cmos相机(18)中克尔光信号转化成电信号，在电脑上显示出磁性样品表面(11)的磁畴结构。
72.5、样品架(27)为玻璃薄板(25)制成，样品架(27)上嵌合了线性霍尔芯片，能够通过霍尔效应将磁场大小线性转化为输出电压，对样品的外加磁场进行实时监测。
73.本实用新型提供的装置的操作过程如下：
74.1、将样品粘黏在玻璃薄板(24)上置入光路，通过线性霍尔芯片(26)电路测量样品的外加磁场。
75.2、将光纤输入端(23)调节到光纤耦合光路的主光轴上，将检偏器(16)调整到全通光角度，通过cmos相机(18)拍摄画面调节样品架(27)高度，使样品表面(11)对准无限共轭长工作距离显微物镜(10)焦平面，此时cmos相机(18)成像清晰。同时，观察画面是否出现部分离焦，通过二维俯仰台调节样品架(27)的俯仰，使样品面(11)垂直于照明光束，成像画面完全清晰。
76.3、调节检偏器(16)检偏角度，同时增加cmos相机(18)曝光时间与增益，保持视野清晰，在检偏器(16)使得成像完全消光时，再偏移5-10
°
。
77.4、通过控制永磁铁(12)距离样品(16)的距离，来控制垂直于样品面(11)的外加磁场的大小。首次先将磁场增加到最大值，使样品完全饱和磁化.
78.5、将永磁铁(12)反转，提供反向磁场，并且逐渐增大磁场，使样品磁化逐渐反转。磁畴出现之后，停止增大磁场。此时，在光路中置入1/4波片(15)，旋转波片光轴，使磁畴对
比度最高。再次将样品饱和磁化，采集磁化饱和图像，准备工作结束。
79.6、将永磁铁(12)再次反转，通过升降平移台(13)和离合控制装置(14)控制磁铁到样品面(11)的距离，逐渐增大磁场，即可采集磁畴图像。
80.本实施例的有益效果如下：
81.1.本实用新型通过改变光纤输出端位置，灵活地调节入射光的角度，调节极向与纵向磁光克尔效应的组分，同时照明效率高，光照大部分用于照明。
82.2.本实用新型通过控制永磁体到样品架架的距离，来控制外加磁场的方法，相对于高昂的电磁铁，属于简易的低成本替代。并且通过嵌合霍尔芯片的玻璃薄板，作为样品架架，实时对外加磁场进行监测。
83.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。