傅里叶磁光谱仪中的起偏器和检偏器的自动定位及误差分析

　　1　引　言

　　一束线偏振光入射到处于磁场内的介质中,其反射光或透射光的偏振面可能发生偏转并成为椭圆偏振光,从而产生磁光克尔效应或法拉第效应。从经典电磁理论可知,磁光克尔效应源自两个垂直线偏振分量的反射系数不同,而法拉第效应是由右旋和左旋圆偏转分量透射系数的差异引起的,都与材料的复介电函数张量有关。通过测量旋转角和椭偏率可以计算介电函数张量,不仅可以了解磁光效应的物理机制,而且有助于新型磁光材料的发现和开发应用[1~4]。

　　测量磁光谱已有多种方法[5~11],其中利用检偏器旋转的傅里叶变换光度型磁光测量原理更便于自动测量。在傅里叶变换型磁光测量系统中,旋转检偏器测出相应的光强值,经过傅里叶变换,可以计算待测的磁光参量。但是,通常测量前要求起偏器和检偏器的初始方位能够预先定位在某个方向上。本文提出了一种新方法,可以在测量中对起偏器和检偏器自动定位和校准,因此起偏器和检偏器的初始方位可以是任意角度,从而为测量带来很大方便。

　　2　原　　理

　　2.1　磁光谱的傅里叶变换测量

　　磁光测量系统如图1所示,光束经过各主要元件的顺序依次为:光源→单色仪→起偏器→样品→检偏器→探测器。高压球形氙灯经过单色仪产生单色光照射到磁场中的样品上,起偏器和检偏器安装在中空的步进旋转电机上,通过测量检偏器旋转一周时的光强度分布信号来获得磁光偏转角和椭偏率[11]。图示的反射工作方式用于测量克尔效应,该测量系统也可工作在透射方式下用来测量法拉第效应。

　　为简便起见,只以克尔效应测量为例进行讨论,但原理和结论同样适用于法拉第效应的测量。

　　在图1中,如果起偏器产生的沿x轴方向振动的线偏振光近似垂直入射到磁场中样品的表面,反射光将成为椭圆偏振光。因受到磁光效应的影响,其椭圆长轴相对于原偏振方向可能旋转一个角度θ,该磁光偏转角可以通过旋转检偏器检测出来。从检偏器输出的光强可以表示为

　　式中A为检偏器方位角,I0,I1,I2三个傅里叶系数都与反射光的偏振态有关,包含了样品的信息。

　　如果检偏器等间隔地步进旋转一周,步数为N,则(1)式中的傅里叶系数I0,I1和I2可通过傅里叶变换求得

　　因此测出光强I(Ai)即可测定磁光偏转角,但是,上述数学推导成立的前提条件是检偏器的初始角定位在x轴方向上。由于克尔角较小,因此检偏器的定位精度要求较高。对于自动测量系统而言,如果每次测量前都要进行人工定位,费时费力,显然是不方便的。