扫描近场光学显微镜反射模式局部磁光克尔效应成像

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扫描近场光学显微镜反射模式局部磁光克尔效应成像

洛伦兹模式透射电子显微镜(TEM)和带极化分析的扫描电子显微镜(SEMPA)可用于高分辨率探测磁畴和磁化。然而，这种方法需要昂贵的电子光学器件和真空条件，这限制了应用范围。在原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)广泛应用于纳米尺度研究的基础上，磁力显微镜(magnetic force microscopy, MFM)可用于磁成像。然而，MFM不能直接测量材料的磁化强度，只能检测表面附近的磁杂散场。此外，为了避免影响TEM和SEMPA中的电子运动，几乎没有施加外磁场。在MFM技术中，外磁场下的测量应谨慎处理，以免磁化悬臂梁受到损伤。此外，当样品为软磁材料时，磁尖会对所研究的磁性结构产生影响。基于克尔或法拉第效应的经典磁光学显微镜是研究当前外加磁场下磁畴的一种合适方法。然而，经典光学显微镜的分辨率受限于衍射极限，即约为照射光的半个波长。

扫描近场光学显微镜(SNOM)是一种先jin的光学显微镜方法，它将亚波长大小的探针放置在靠近样品表面的位置，并对其进行光栅扫描以形成光学图像。突破衍射极限的SNOM分辨率取决于探头尺寸和探头表面距离，两者都应远小于光的波长。利用Kerr和Faraday效应，构建了许多不同配置的近场磁光成像系统，包括孔径透射、孔径反射和无孔径soms。在大多数这些系统中，通过将光纤探头弯曲到音叉的一只臂上来实现探头表面距离控制，这种技术效果很好，但需要为每次探测做充分的准备。此外，高质量(Q)因子将扫描速度限制在相对较低的值。这些缺点给近场磁光成像实验带来了困难。

图1

实验布置示意图如图1所示。采用国产SNOM工作在反射模式下。探针表面距离调节是通过使用一个压电双晶片传感器来实现的，该传感器由两个薄的压电陶瓷层组成，连接到一个与地面相连的公共中心电极上。其中一个用作抖动压电的压电层电连接到锁相放大器的参考信号。在其上施加恒定的正弦波电压，以驱动双晶片平行于表面振动。另一层，当双晶片以其谐振频率驱动时，检测压电片产生zui大感应压电电压。感应电压通过前置放大器增强，然后通过锁相放大器解调。当探头接近表面时，由于尖端与表面的相互作用，传感器的振荡受到抑制，导致锁相放大器的输出信号减小。将减小的信号与反馈电路的一个设定点进行比较，并利用产生的差值来控制成像时的尖端-样本距离。

图2

图2给出了由这种方法产生的保偏纤维探针的光学显微照片。用远场p偏振相干光(= 635 nm)照射样品。考虑到安装几何的问题，入射光的角度设置在样品表面法线的45°左右。利用保偏单模光纤探头采集样品近场光信号。收集的光由配备偏振分析仪的PMT (CR131, Hamamatsu, Japan)进行分析。采用闭环压电三维定位平台(PI517.3CL, Physik Instrument，德国)作为扫描仪，提供纳米分辨率的运动。

图3

对于偏振测量，为了避免金属涂层SNOM探针的退极化效应，使用了未涂层的纤维探针。这些未涂覆的探针是通过测量它们在实验中使用的波长上的偏振特性来预先选择的。测量了不同线偏振方向的两束入射光的偏振特性。一个平行于纤维的快轴，另一个平行于纤维的慢轴。通过转动分析仪，记录光强的变化。图3显示了两个典型的归一化光强曲线，其中正方形表示入射光的偏振方向平行于纤维的快轴时的结果，三角形表示偏振方向平行于纤维的慢轴时的结果。不难发现，平行于快轴的偏振方向消光比约为15:1，平行于慢轴的偏振方向消光比仅为2:1左右。一般来说，线偏振光在通过探针尖端时发生去极化。

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