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柯爾磁光效應介紹以及柯爾磁光效應原理
閱讀：3007 發布時間：2012-11-28
柯爾磁光效應（Magneto-Optical Kerr Effect , MOKE）
A. 柯爾磁光效應介紹
隨著磁性元件應用日漸擴展，基于磁性薄膜新穎的物理特性和高技術的應用，對磁性薄膜材料的研究有越來越多的趨勢，其中柯爾磁光效應Magnetic-Optic Kerr Effect （MOKE）也是重大的發展之一，由于柯爾磁光效應可以簡單的分析磁性薄膜材料的磁特性，因此也漸漸受到了注目。 磁光效應包括法拉第效應、柯爾效應、磁線振雙折射、磁圓振二向色性….目前研究和應用zui廣泛的磁光效應為法拉第效應和柯爾效應。
1845年，法拉第發現沿外磁場方向的入射光經玻璃（在一對磁鐵中間）透射后的光偏振面發生了旋轉，后來被稱為法拉第效應（Faraday effect），受到了法拉第效應的啟發之后，在1876年又發現了入射光在物質表面反射對光偏振面發生旋轉的現象，即為科爾效應（Kerr effect），直到1985年，E.R. Moog和S.D. Bader兩位學者提出SMOKE來作為surface magneto-optic Kerr effect的代號來表示應用磁光柯爾效應在表面磁學上的研究，成功地得到一原子層厚度磁性物質之磁滯曲線，開啟了超薄磁性物質與介面磁性材料研究的新頁，表面磁光柯爾效應更成為表面科學中磁性量度的重要工具。 柯爾磁光效應對固體的自旋相關的電子能帶結構相當敏感。因此柯爾磁光效應是ㄧ種*的研究磁性材料中電子行為的實驗方法。
近幾年來，許多有趣的現象是透過柯爾磁光效應實驗發現的。 目前，應用元件尺寸快速向輕薄短小推展，元件中介面特性與高品質介面之制作實居于關鍵地位，透過柯爾磁光效應對磁性超薄膜的研究不但帶動相關科學知識之突破，對于微小元件設計開發提供重要參考資料，更能有效地提升電子工業元件尺寸奈米化的技術。 磁光柯爾效應不僅僅運用在量測上，具有柯爾效應的材料有許多重要應用。比如，由于目前無論是在工業上科技、資訊的高度發展對儲存元件記錄密度的需求越來越高。滿足此種要求的辦法是利用柯爾效應研發制造磁光記錄硬碟和光碟。
附注：法拉第效應的宏觀理論 一行進光波被具有磁矩的物質反射或透射后，光的偏振狀態就發生了變化，這是具有磁矩的物質與電磁波的電場和磁場相互作用的結果，因此此物理現象與介質的介電常數張量ε、電導率張量σ、磁導率張量μ有密切相關，由于磁光效應的相互作用大多處在高頻的狀態下，因此ε幾乎掩蓋了σ所有的作用。
B. 柯爾磁光效應原理
由于一個磁性物質外加一個磁場，或是一鐵磁性的材料自己本身的自發性磁化，會讓物質內部的折射產生磁雙折射（magnetic birefringence）的現象，造成左旋光和右旋光的折射率不同。 磁光柯爾效應的是指：當一線偏振的入射光，經磁性材料反射之后，其反射光變成橢圓偏振光。此現象稱為磁光柯爾效應。 物理上的成因，來解釋經磁性材料反射后造成的橢圓極化光。我們可以理解一線偏振光可以分解成兩振幅相同的左旋光與右旋光，而左旋與右旋光在磁性材料中有不同的吸收及反射系數，不同的行進速度使得兩光造成相位差，亦造成振幅上的不同。此兩振幅不同、且具相位差的左旋光與右旋光，在反射后則疊加成橢圓偏振光。
MOKE所測量到的有兩種訊號：柯爾旋轉角（Kerr rotation angle）、柯爾橢圓率（Kerr ellipticity）。柯爾旋轉角指的是反射光的橢圓極化面，其長軸與參考軸之夾角，以θK表示之。柯爾橢圓率，指的是反射后的橢圓偏振光其橢圓率，通常以εK表示。 MOKE依照其入射面與磁化方向的幾何關系，又可區分為三種MOKE型式：縱向柯爾效應（longitudinal-MOKE）、橫向柯爾效應（transverse-MOKE）、與極向柯爾效應（polar-MOKE）。
（a）極化磁光科爾效應（P-MOKE） PMOKE是指量測當磁方向垂直于材料表面時的磁光效應。這是三個科爾效應中，科爾旋轉角zui大、zui明顯的。
（b）縱向磁光科爾效應（L-MOKE） LMOKE是指量測當磁化方向平行于材料表面及反射平面時的磁光效應。
（c）橫向磁光科爾效應（T-MOKE） TMOKE是指磁化方向平行于材料表面但垂直于反射平面的量測方式。其zui大的優點在于：即使入射光是非極化光源經由磁性介質反射后，其反射光的振幅也是磁化向量的線性函數。
一般而言，MOKE所測量的磁光訊號，可以直接正比于材料的磁化強度（magnetization），不過必須考慮到磁光訊號的強度（intensity）容易受到主觀性的因素所影響，如介質的折射率、入射角、入射光波長…等。若要將磁光訊號（Kerr signals）作為磁化強度（magnetization）來做理解，則必需控制各個影響磁光訊號的因素皆相同，才可做為相互正比的對應關系。 磁光測量時，樣品的覆蓋層材料對于磁光訊號有重要的影響。
參考資料
顯微鏡百科
http://www.jiance17.com/
http://www.optical-sh.com.cn/