Способ определения абсолютной величины и ориентации намагниченности образца из ферромагнитного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОЙ ВЕЛИЧИНЫ И ОРИЕНТАЦИИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ОБРАЗЦА ИЗ ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Меркулов Владимир Сергеевич Шестак Анатолий Сергеевич Томило Жанна Михайловна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ определения абсолютной величины и ориентации намагниченности образца из ферромагнитного материала, в котором образец с известной диэлектрической проницаемостьюпомещают в магнитное поле, затем с помощью магнитометра, содержащего три независимых измерительных канала, развернутых друг относительно друга на угол 120 вокруг нормали к контролируемой поверхности образца, каждый из которых содержит источник монохроматического света, поляризатор, компенсатор и анализатор, измеряют в каждом -м указанном канале, где 1, 2, 3, уголимежду плоскостью падения света на указанную поверхность и плоскостью поляризации света, прошедшего соответственно 16075 1 2012.06.30 через поляризатор и анализатор, при условиях минимума интенсивности света на выходе соответствующего канала и взаимной параллельности быстрой оси компенсатора и плоскости падения света, а затем определяют полярные углыи , задающие направление намагниченности в контролируемой области образца, где- угол между намагниченностью и осью , параллельной указанной нормали, а- угол между осьюи проекцией намагниченности на плоскость , и абсолютную величину 0 намагниченности в соответствии с выражениями где( / 2)//- заранее полученная калибровочная постоянная- мнимая единицаи- френелевские коэффициенты отражения(2 )1 / 2- угол падения света на поверхность образца. 2, Изобретение относится к способам определения ориентации и величины намагниченности на поверхности ферромагнитного материала по измерению поляризации отраженного света. Область применения - системы контроля магнитных свойств материалов с помощью магнитооптических средств для исследования доменной структуры и упорядочения магнитных материалов как на микронном, так и на наноуровне при использовании в магнитооптической микроскопии ближнего поля. Для измерения намагниченности ферромагнитных материалов используется способ, в котором происходит вибрация образца во внешнем магнитном поле. Вибрационный способ заключается в следующем 1. Образец, закрепленный на длинном стержне, с помощью прецизионного радиодинамика заставляют колебаться со звуковой частотой во внешнем постоянном магнитном поле. Переменная магнитная индукция, создаваемая намагниченным образцом, наводит потенциал в паре стационарных регистрирующих катушек,включенных навстречу друг другу, так что полезные сигналы складываются, а паразитные вычитаются. Переменный потенциал, наводимый в катушках колеблющимся образцом, пропорционален намагниченности образца. Для измерения абсолютных значений магнитного момента (намагниченности), как правило, используют метод сравнения с эталонным образцом. Чувствительность вибрационного магнитометра достигает 510-7 Гссм 3. Недостатком вибрационного способа является невозможность измерения намагниченности малых образцов (на практике менее 10 мкм 3). Вибрационный способ невозможно использовать для измерения относительной намагниченности заданного участка на поверхности магнитного образца с микронной и субмикронной точностью. При определении пространственной ориентации вектора намагниченности образца необходимо использование системы из трех взаимно ортогональных пар измерительных катушек, что значительно усложняет устройство. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является магнитооптический способ, описанный в 2. В нем используется оптическая система из последовательно расположенных источника монохроматического 2 16075 1 2012.06.30 света, поляризатора, компенсатора и анализатора, измеряющего поляризацию света, отраженного от заданного участка на поверхности образца, помещенного между компенсатором и анализатором. Свет от источника излучения направляют через поляризатор и компенсатор на исследуемый образец, помещенный во внешнее магнитное поле. С помощью анализатора регистрируют угол поворота плоскости поляризации света, отраженного от образца. Измеряемый угол поворота пропорционален величине намагниченности вдоль заданного направления внешнего магнитного поля. Недостатком прототипа является то, что надежно измеряется относительная величина намагниченности при известном ее направлении. Так при использовании полярного эффекта Керра измеряется компонента намагниченности в направлении, перпендикулярном поверхности образца, при использовании меридионального эффекта Керра - параллельно поверхности образца в плоскости падения света, при использовании экваториального эффекта Керра - перпендикулярно плоскости падения света. Причем полагается, что направления внешнего магнитного поля и намагниченности совпадают. Если намагниченность образца по каким-либо причинам (например, в связи с большой магнитной анизотропией образца и/или малых полей) не лежит вдоль внешнего магнитного поля, то появляется неопределенность, связанная с ориентацией намагниченности. В прототипе невозможно определить ориентацию произвольно направленной намагниченности, в частности при отсутствии внешнего магнитного поля. Задачей предлагаемого изобретения является определение абсолютной величины и ориентации намагниченности на заданном участке поверхности ферромагнитного материала. Поставленная задача достигается тем, что образец с известной диэлектрической проницаемостьюпомещают в магнитное поле, затем с помощью магнитометра, содержащего три независимых измерительных канала, развернутых друг относительно друга на угол 120 вокруг нормали к контролируемой поверхности образца, каждый из которых содержит источник монохроматического света, поляризатор, компенсатор и анализатор, измеряют в -м указанном канале, где 1, 2, 3, уголимежду плоскостью падения света на указанную поверхность и плоскостью поляризации света, прошедшего соответственно через поляризатор и анализатор, при условиях минимума интенсивности света на выходе соответствующего канала и взаимной параллельности быстрой оси компенсатора и плоскости падения света, а затем определяют полярные углыи , задающие направление намагниченности в контролируемой области образца, где- угол между намагниченностью и осью , параллельной указанной нормали, а- угол между осьюи проекцией намагниченности на плоскость , и абсолютную величинунамагниченности в соответствии с определенными выражениями. На фигуре приведена схема первого оптического канала устройства (1, для простоты обозначений индекс 1 на рисунке опущен), где- поляризатор,- компенсатор (четвертьволновая пластинка),- анализатор. Такими же буквами будем обозначать углы поворота соответствующих элементов вокруг направления распространения света, причем- угол между плоскостью поляризации света, прошедшего через поляризатор (анализатор), и плоскостью падения света, а угол- между быстрой осью компенсатора и плоскостью падения света. На образецс намагниченностьюпадает свет под углом(угол между волновым вектором светаи осью ). Вычисления дают следующее разложение матрицы отражения по компонентам намагниченности в первом приближении 16075 1 2012.06.30(-2)1/2,,,- угол падения света,- магнитооптический параметр,(, , )( ,, ) - вектор намагниченности, ,- полярные углы ориентации намагниченности согласно фигуре. Для практического применения можно считать малыми недиагональные компоненты матрицы образца,,, в этом приближении получены все нижеприведенные формулы. Для реализации предлагаемого изобретения предполагается, что известен такой параметр образца, как показатель преломления или 1/2. В случае его неизвестности,предварительно производят измерения углов (0/2) ипри/4 в каждом канале при условии минимума интенсивности света на выходе канала. Затем находят ус редненные значенияипо всем трем каналам, вычисляют значение отношения/ 2 ) и по известным формула Френеля находят значениеи со/(2 ответствующие коэффициенты в (2) (здесь и далее- мнимая единица). Данное измерение может быть проведено на большом участке образца, причем в размагниченном состоянии,при усреднении по всем трем каналам. Основные измерения углов поляризаторови анализаторовв каждом канале производят при 0 при условии минимума интенсивности света на выходе канала, причем поляризаторы ориентируют около положения/2. Значения поляризационных коэффициентовследующим образом связаны с измеренными угламиии компонентами намагниченности 1(/2-1)-1(3) 2(/2-2)-2(-/231/2 /2 ) 1/2 3(/2-3)-3(-/2-3 /2 ) Искомые полярные углыиориентации намагниченности вычисляются по следующим формулам(21-2-3)227(2-3)21/2/(123)(4)33/2(2-3)/(21-2-3). Что касается модуля намагниченности, то он определяется с точностью до множителя(21-2-3)2/923(2-3)2/2(123)2/921/2. Таким образом, измеряя с помощью предлагаемого способа углы поляризаторови анализаторовв каждом канале при условии минимума интенсивности света на выходе канала, можно определить пространственное направление и относительную величину намагниченности на заданном участке поверхности образца, а также пространственное распределение этих величин при сканировании поверхности образца. Для определения абсолютного значения намагниченности необходима дополнительная калибровка, как и в прототипе, на образце с известной величиной и направлением намагниченности. Использование настоящего изобретения расширяет возможности магнитооптических способов для определения направления, величины и распределения намагниченности. Предлагаемый способ может найти применение при разработке новых магнитных носителей информации для исследования доменной структуры и упорядочения магнитных материалов как на микронном, так и на наноуровне при использовании в магнитооптической микроскопии ближнего поля. Источники информации 1. Патент США 5506500, 1996.. 2. Патент США 6528993, 2003. -. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.