專利名稱：一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及 力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鐵磁薄膜材料是微電子與信息技術(shù)中重要的一類功能材料，具有多種獨(dú)特的物理特性， 如磁各向異性、磁致伸縮效應(yīng)、磁光效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)等，在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用， 隨著人類社會(huì)高技術(shù)的發(fā)展，要求研制越來(lái)越多的新型磁性薄膜材料和器件。鐵磁薄膜也由 于其優(yōu)異的力磁耦合特性，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)得到廣泛的應(yīng)用，例如，磁性微驅(qū)動(dòng)器、
各種微傳感器、基于磁電阻效應(yīng)的微型磁閥門傳感器等。
近年來(lái)，已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)薄膜基底磁彈性系統(tǒng)在理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面 進(jìn)行了研究。Sander詳細(xì)綜述了鐵磁薄膜中應(yīng)力與磁各向異性的關(guān)系，論述了基于晶體結(jié)構(gòu) 的磁彈性描述，并通過(guò)Kerr磁光效應(yīng)測(cè)量了磁彈性耦合系數(shù)(Sander D., 1999. The correlation between mechanical stress and magnetic anisotropy in ultrathin films. Rep. Prog. Phys., 62: 809-858. ); Shick等人(Shick A. B.,NovikovD丄.and Freeman A丄1997. Relativistic spin-polarized theory of magnetoelastic coupling and magnetic anisotropy strain dependence: Application to Co/Cu(001). Phys. Rev. B 56: R14 259-R14262.)基于磁各向異性能量密度計(jì)算了 Co單層膜的磁彈性耦合系數(shù)；Lacheisserie (du Tr'emolet de Lacheisserie E., 1995. Definition and measurement of the surface magnetoelastic coupling coefficients in thin films and multilayers. Phys. Rev. B, 51: 15925-15932.)討論了表面效應(yīng)對(duì)磁彈性耦合的影響，并研究了表面對(duì)磁彈 性耦合系數(shù)的貢獻(xiàn)。上述的工作多是從物理的角度考慮磁彈性耦合行為，缺乏力一磁耦合的 系統(tǒng)化表述，尤其缺乏力學(xué)的嚴(yán)格推導(dǎo)。
在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，當(dāng)前對(duì)鐵磁薄膜磁彈性應(yīng)力的測(cè)量有兩種方式 一種是基于X射線衍 射法直接測(cè)量薄膜的應(yīng)變(Vreeland, T., Dommann, A" Tsai, C,J. andNicolet, M,A.,1988. X-ray Diffraction Determination of Stresses in Thin Films. Mater. Res. Soc. Symp. Proc.. 30: 3-12.)，由應(yīng) 變根據(jù)彈性本構(gòu)關(guān)系得到薄膜應(yīng)力，Thomas等和Dho等采用X射線方法研究了薄膜內(nèi)失配 應(yīng)力改變膜內(nèi)的磁疇分布和狀態(tài)(Thomas O., Shen Q., Schieffer P. et al, 2003. Inte卬lay between Anisotropic Strain Relaxation and Uniaxial Interface Magnetic Anisotropy in Epitaxial Fe Films on (001) GaAs, Phys. Rev. Lett., 90: 17205-17209.);另一種是測(cè)量基底的曲率，通過(guò)彈性力學(xué)理 論建立曲率和薄膜應(yīng)力的關(guān)系，這種方法在磁彈性耦合測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用(Sander D,Enders A. and Kirschner J. 1999. Magnetoelastic coupling and epitaxial misfit stress in ultrathin Fe(lOO)-films on W(IOO). J. Magn. Magn. Mater. 198-199: 519-521.)。 X射線衍射技術(shù)具有非破 壞性，并不要求特殊的試件構(gòu)型，且可以測(cè)量涂層中的所有應(yīng)力分量。X射線法最大的限制 是要求所測(cè)標(biāo)度和曲率與參考樣本的標(biāo)度相關(guān)，由于需要移動(dòng)樣品，這種方法難以用于在線 測(cè)量；另外該方法也是嚴(yán)格的逐點(diǎn)測(cè)量(point-wise),不能實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)的、宏觀的測(cè)量。對(duì)于 曲率測(cè)量方法，需要通過(guò)Stoney公式建立薄膜應(yīng)力與曲率關(guān)系(Stoney, G. G. The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis. Proceedings of the Royal Society, A82(1909): 172-175，)
(1)式中(7(/)是薄膜應(yīng)力，A， K分別是基體的彈性模量與泊松比，/V，&分別是薄膜厚度 和基體厚度，/C是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率。
它基于以下基本假設(shè)薄膜與基體厚度均勻；薄膜與基體均是小變形；薄膜與基體均是 均勻線彈性材料；應(yīng)力和曲率分布均勻且為等雙軸狀態(tài)。這種等雙軸應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力和曲率 分布均勻的假設(shè)在實(shí)際情況當(dāng)中都是不能滿足的，因此，利用Stoney公式只能由曲率得到薄 膜的均勻應(yīng)力分布。
鐵磁薄膜中應(yīng)力狀態(tài)影響了薄膜的磁性性質(zhì)，人們逐漸意識(shí)到磁彈性耦合和磁各向異性 內(nèi)在機(jī)制的物理含義是深遠(yuǎn)的。深刻理解鐵磁薄膜的磁彈性將會(huì)有效改善鐵磁薄膜的物理性 能、使用壽命與可靠性，而且建立一套經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、精確的磁彈性耦合行為測(cè)試方法和技術(shù) 以及鐵磁薄膜的磁彈性理論體系，為鐵磁薄膜的制備、使用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此，從 實(shí)驗(yàn)方法和理論分析兩個(gè)方面研究鐵磁薄膜中的應(yīng)力狀態(tài)以及磁彈性便成為當(dāng)前鐵電薄膜研 究中的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，該方法可克服上述現(xiàn)有技術(shù) 的不足，同時(shí)在線測(cè)量鐵磁薄膜的非均勻應(yīng)力和磁滯回線。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征在于利用剪切干涉測(cè)量薄膜表 面的非均勻曲率，由曲率與薄膜非均勻應(yīng)力之間的關(guān)系計(jì)算應(yīng)力，利用鐵磁薄膜表面的磁光 克爾(Kerr)效應(yīng)，測(cè)量從薄膜表面反射的光束光強(qiáng)來(lái)確定薄膜的磁化強(qiáng)度。
本發(fā)明提供的鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，該方法利用測(cè)量鐵磁薄膜非均 勻應(yīng)力光路和測(cè)量薄膜磁滯回線光路兩條光路進(jìn)行在線檢測(cè)，所述的薄膜非均勻應(yīng)力測(cè)量光 路包括第一激光器la、第一擴(kuò)束鏡2a、第一光柵4a、第二光柵4b、透鏡5、過(guò)濾屏6和CCD 相機(jī)7;所述的測(cè)量薄膜磁滯回線光路包括第二激光器lb、第二擴(kuò)束鏡2b、起偏鏡8、檢偏鏡9和光電檢測(cè)器10，其檢測(cè)方法包括如下步驟
a. 利用外加磁場(chǎng)使試樣3磁化，并記錄外加磁場(chǎng)強(qiáng)度//;
b. 打開第一激光器la，使第一激光器發(fā)出的光束通過(guò)第一擴(kuò)束鏡2a，并調(diào)節(jié)第一擴(kuò)束鏡 2a，使從第一激光器發(fā)出的激光擴(kuò)束并保持均勻性；
c. 由第一擴(kuò)束鏡2a擴(kuò)束后的光束照射到試樣3表面，從試樣表面反射的光束依次通過(guò)第 一光柵4a、第二光柵4b、透鏡5、過(guò)濾屏6和CCD相機(jī)7;
d. 將第一光柵4a和第二光柵4b的主軸方向設(shè)置成豎直方向，調(diào)整透鏡5、過(guò)濾屏6和 CCD相機(jī)7之間的距離，得到清晰的干涉圖像；
e. 提取干涉條紋中心線，計(jì)算條紋級(jí)數(shù)變化梯度^W/少和5"")/jc ， "W是干涉條紋級(jí)
數(shù)，通過(guò)下式
^ 2A
，a上
L ^ J 砂2A
計(jì)算得到試樣表面少方向曲率/^和旋轉(zhuǎn)曲率;^，上式中p是光柵常數(shù)，A是兩光柵間
距；
f.將第一光柵4a和第二光柵4b在光柵面內(nèi)繞垂直光柵平面的軸線向相同方向旋轉(zhuǎn)9(T, 得到干涉條紋，提取干涉條紋中心線，條紋級(jí)數(shù)記作w"),計(jì)算條紋級(jí)數(shù)變化梯度5"W/;c， 由下式
丄 2A
3x
計(jì)算得到試樣表面x方向曲率;
g.通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將直角坐標(biāo)下的曲率/^, /^轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的曲率、，/^，
通過(guò)下式
卞 一
6(1,
k + kw + ^ ( + ff朋_+ x:湘j
r =-
C7(/)=—
2五A , 、
五A2 ^
6(1-《)
計(jì)算一戶，4f和r得到試樣的非均勻應(yīng)力，上式中&是薄膜彈性模量，vv是薄膜泊松
比，《是基體彈性模量，v,是基體泊松比，/v是薄膜厚度，/^是基體厚度，oi"是薄膜中 的徑向應(yīng)力，o"^是薄膜中的周向應(yīng)力，r是薄膜與基體界面之間的切應(yīng)力，d(/^+^)/A 表示主曲率之和的徑向?qū)?shù)；
h.打開第二激光器lb，使第二激光器發(fā)出的光束通過(guò)第二擴(kuò)束鏡2b;并調(diào)節(jié)第二擴(kuò)束鏡2b使從第二激光器發(fā)出的激光擴(kuò)束并保持均勻性；
i.經(jīng)第二擴(kuò)束鏡2b擴(kuò)束后的光束通過(guò)起偏鏡8后變成線偏振光，此線偏振光照射到試樣 3表面，從試樣表面反射回來(lái)的光束經(jīng)過(guò)檢偏鏡9再通過(guò)光電檢測(cè)器10，由光電檢測(cè)器測(cè)量 出所接收到的光束強(qiáng)度/;
j.利用標(biāo)準(zhǔn)的己知磁化性質(zhì)的樣品代替試樣3，重復(fù)步驟i測(cè)得反射光強(qiáng)/'，由于樣品的 磁化性質(zhì)是己知的，由外加磁場(chǎng)強(qiáng)度/f計(jì)算樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度S'，試樣3的磁感應(yīng)強(qiáng)度可通 過(guò)下式計(jì)算，
<formula>formula see original document page 7</formula>
得到試樣3的磁感應(yīng)強(qiáng)度B;
k.改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度//，重復(fù)步驟i測(cè)量出在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度/f下試樣3的反射光強(qiáng) /，計(jì)算得到在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度S，繪制試樣的磁滯回線。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果該方法可實(shí)現(xiàn)鐵磁薄膜曲率的全 場(chǎng)、在線、實(shí)時(shí)、非接觸、非介入的測(cè)量，同時(shí)可避免振動(dòng)對(duì)曲率測(cè)量的影響，由曲率可獲 得薄膜非均勻應(yīng)力；可同時(shí)在線測(cè)量鐵磁薄膜的磁滯回線，從而為鐵磁薄膜的磁彈性耦合行 為的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法的原理圖。
圖中l(wèi)a-第一激光器；lb-第二激光器；2a-第一擴(kuò)束鏡；2b-第二擴(kuò)束鏡；3-試樣；4a-
第一光柵；4b-第二光柵；5-透鏡；6-過(guò)濾屏；7-CCD相機(jī)；8-起偏鏡；9-檢偏鏡；10-光電檢測(cè)器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 圖1是本發(fā)明鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法的原理圖，圖中包括第一激光器 la、第二激光器lb、第一擴(kuò)束鏡2a、第二擴(kuò)束鏡2b、試樣3、第一光柵4a，第二光柵4b、 透鏡5、過(guò)濾屏6、 CCD相機(jī)7、起偏鏡8、檢偏鏡9、光電檢測(cè)器10。
所述的第一激光器la、第一擴(kuò)束鏡2a、第一光柵4a，第二光柵4b、透鏡5、過(guò)濾屏6、 CCD相機(jī)7構(gòu)成薄膜非均勻應(yīng)力測(cè)量光路，所述第一激光器la發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)第一擴(kuò)束鏡 2a后到達(dá)試樣3的表面上，經(jīng)試樣表面反射的光束依次經(jīng)過(guò)所述的第一光柵4a、第二光柵4b、 透鏡5、過(guò)濾屏6和CCD相機(jī)7得到干涉圖樣；所述的第一激光器la可提供單色性好且均 勻的光束；從試樣3反射回來(lái)的光束入射到第一光柵4a，經(jīng)第一光柵4a衍射后的光束入射到 第二光柵4b，第一光柵4a和第二光柵4b對(duì)光束進(jìn)行剪切干涉，所述的第一光柵4a和第二光 柵4b是具有相同光柵常數(shù)的Ronchi光柵，兩光柵之間的距離是A;對(duì)干涉圖像進(jìn)行分析， 提取條紋中心線，計(jì)算薄膜非均勻應(yīng)力。所述的第二激光器lb、第二擴(kuò)束鏡2b、起偏鏡8、檢偏鏡9、光電檢測(cè)器10構(gòu)成鐵磁薄 膜磁滯回線測(cè)量光路，第二激光器lb發(fā)出的光束通過(guò)第二擴(kuò)束鏡2b再通過(guò)起偏鏡8后變成 線偏振光，此線偏振光照射到試樣3表面，從試樣表面反射回來(lái)的光束經(jīng)過(guò)檢偏鏡9再通過(guò) 光電檢測(cè)器10,光電檢測(cè)器10測(cè)量接收到的光束強(qiáng)度。
本發(fā)明的工作原理如下；
試樣表面曲率與干涉條紋級(jí)數(shù)之間的關(guān)系如(2)、 (3)兩式
丄 2A
5"'
2A
(W力
n(力=0,±1,±2L
(2)
ww = 0,±l,±2L (3)
(>)是干涉條紋級(jí)數(shù)，(2)式中s^是試樣表面曲率的;;方向分量，(3)式中/^是試樣表面曲率 的旋轉(zhuǎn)分量。
將兩光柵在光柵面內(nèi)繞垂直光柵平面的軸線旋轉(zhuǎn)90'，可得試樣表面曲率x方向的分量
丄 2A
5"'
9x
，《W=0,±1,±2L (4)
(4)中/^是試樣表面曲率的x方向分量，《")是將光柵旋轉(zhuǎn)九十度后得到的干涉條紋級(jí)數(shù)-由(2)、 (3)、 (4)式就可到試樣表面曲率的全場(chǎng)信息
AT = ■
2A、& J
上"w =0,±1,±2L
'w")二0,土l，土2L
上
5
(5)
(5)式中/^是試樣表面曲率的x方向分量，；^是試樣表面曲率的:v方向分量，&,是試樣
表面曲率旋轉(zhuǎn)分量，"w代表在x方向剪切干涉的條紋級(jí)數(shù)，wW代表在y方向剪切干涉的條 紋級(jí)數(shù)，與其它曲率測(cè)量方法相比，這種曲率測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了曲率全場(chǎng)(得到 ^ ， rw,， 、y三個(gè)分量)、在線、實(shí)時(shí)的測(cè)量，且不受振動(dòng)干擾。
由(5)式已獲得試樣表面曲率(^ , ;^，；、三個(gè)分量)，將Stoney公式的假設(shè)條件去掉， 經(jīng)過(guò)更精確的分析得到薄膜中的非均勻應(yīng)力與曲率的關(guān)系如(6)式所示^(/)+j(/)=
01 ;r t O粥 一
6(1— ">
l一v -、
(/)
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■(/) _ 卵 _
2五^ , 、
(6)
五A J
6(1-
(6)式中，C7^, CT^分別是薄膜中的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力，T是薄膜與基體界面之間的切 應(yīng)力，,分別是薄膜的彈性模量與泊松比，A,、分別是基體的彈性模量與泊松比， ~, ^分別是薄膜厚度和基體厚度，S,， Kw分別是薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率的徑向分量與周向分量，
可通過(guò)(5)式中的直角坐標(biāo)系下曲率經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到。由(6)式可知，只要實(shí)現(xiàn)薄膜基體結(jié)構(gòu)曲 率的全場(chǎng)測(cè)量(即;^， /<^的測(cè)量)，就可實(shí)現(xiàn)薄膜非均勻應(yīng)力的測(cè)量。
根據(jù)鐵磁薄膜表面的克爾磁光(Kerr)效應(yīng)，當(dāng)線偏振光入射到磁化后的鐵磁薄膜表面 上，由表面反射的光束的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，通過(guò)檢偏棱鏡的光強(qiáng)也發(fā)生變化，在一階近似 下光強(qiáng)的變化和被測(cè)材料磁感應(yīng)強(qiáng)度呈正比，實(shí)際測(cè)量時(shí)，由光電檢測(cè)器10測(cè)量反射光強(qiáng)/， 再利用標(biāo)準(zhǔn)的已知磁化性質(zhì)的樣品代替試樣3，測(cè)得反射光強(qiáng)/'，由于樣品的磁化性質(zhì)是已 知的，由外加磁場(chǎng)強(qiáng)度/Z計(jì)算樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度萬(wàn)'，試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度可通過(guò)(7)式計(jì)算，
5 = 、' (7)
由此得到試樣3的磁感應(yīng)強(qiáng)度5，改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，測(cè)量出在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下試樣的 磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而繪制試樣的磁滯回線。
所述的鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征在于利用剪切干涉測(cè)量薄膜 表面的非均勻曲率，由曲率與薄膜非均勻應(yīng)力之間的關(guān)系計(jì)算應(yīng)力，利用鐵磁薄膜表面的磁
光克爾(Kerr)效應(yīng)，測(cè)量從薄膜表面反射光強(qiáng)來(lái)確定薄膜的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 本發(fā)明所述的第一激光器la與第二激光器lb采用不同頻率光源；
本發(fā)明提供的鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，該方法利用測(cè)量鐵磁薄膜非均 勻應(yīng)力光路和測(cè)量薄膜磁滯回線光路兩條光路進(jìn)行在線檢測(cè)，所述的薄膜非均勻應(yīng)力測(cè)量光 路包括第一激光器la、第一擴(kuò)束鏡2a、第一光柵4a、第二光柵4b、透鏡5、過(guò)濾屏6和CCD 相機(jī)7;所述的測(cè)量薄膜磁滯回線光路包括第二激光器lb、第二擴(kuò)束鏡2b、起偏鏡8、檢偏 鏡9和光電檢測(cè)器10，其檢測(cè)方法包括如下步驟
a. 利用外加磁場(chǎng)使試樣3磁化，并記錄外加磁場(chǎng)強(qiáng)度Z/;
b. 打開第一激光器la，使第一激光器發(fā)出的光束通過(guò)第一擴(kuò)束鏡2a，并調(diào)節(jié)第一擴(kuò)束鏡 2a,使從第一激光器發(fā)出的激光擴(kuò)束并保持均勻性；
c. 由第一擴(kuò)束鏡2a擴(kuò)束后的光束照射到試樣3表面，從試樣表面反射的光束依次通過(guò)第 一光柵4a、第二光柵4b、透鏡5、過(guò)濾屏6和CCD相機(jī)7;
9d. 將第一光柵4a和第二光柵4b的主軸方向設(shè)置成豎直方向，調(diào)整透鏡5、過(guò)濾屏6和 CCD相機(jī)7之間的距離，得到清晰的干涉圖像；
e. 提取干涉條紋中心線，計(jì)算條紋級(jí)數(shù)變化梯度3"")/少和3"W/x ， A7W是干涉條紋級(jí) 數(shù)，通過(guò)下式
<formula>formula see original document page 10</formula>計(jì)算得到試樣表面y方向曲率/^和旋轉(zhuǎn)曲率/^，上式中p是光柵常數(shù)，A是兩光柵間
距；
f.將第一光柵4a和第二光柵4b在光柵面內(nèi)繞垂直光柵平面的軸線向相同方向旋轉(zhuǎn)9(T ， 得到干涉條紋，提取干涉條紋中心線，條紋級(jí)數(shù)記作"W,計(jì)算條紋級(jí)數(shù)變化梯度S"W/;c， 由下式
<formula>formula see original document page 10</formula>計(jì)算得到試樣表面;c方向曲率Ku;
g.通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將直角坐標(biāo)下的曲率/^, A 轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的曲率^，
通過(guò)下式
<formula>formula see original document page 10</formula>".是薄膜泊松
計(jì)算c^， 4f和r得到試樣的非均勻應(yīng)力，上式中5,是薄膜彈性模量 比，五,是基體彈性模量，v,是基體泊松比，^是薄膜厚度，h是基體厚度，cr^是薄膜中 的徑向應(yīng)力，cr^是薄膜中的周向應(yīng)力，r是薄膜與基體界面之間的切應(yīng)力，+ 表示主曲率之和的徑向?qū)?shù)；
h. 打開第二激光器lb，使第二激光器發(fā)出的光束通過(guò)第二擴(kuò)束鏡2b;并調(diào)節(jié)第二擴(kuò)束 鏡2b使從第二激光器發(fā)出的激光擴(kuò)束并保持均勻性；
i. 經(jīng)第二擴(kuò)束鏡2b擴(kuò)束后的光束通過(guò)起偏鏡8后變成線偏振光，此線偏振光照射到試樣 3表面，從試樣表面反射回來(lái)的光束經(jīng)過(guò)檢偏鏡9再通過(guò)光電檢測(cè)器10，由光電檢測(cè)器測(cè)量 出所接收到的光束強(qiáng)度/;
j.利用標(biāo)準(zhǔn)的已知磁化性質(zhì)的樣品代替試樣3，重復(fù)步驟i測(cè)得反射光強(qiáng)/'，由于樣品的 磁化性質(zhì)是已知的，由外加磁場(chǎng)強(qiáng)度W計(jì)算樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度5'，試樣3的磁感應(yīng)強(qiáng)度可通過(guò)下式計(jì)算， 5 =
得到試樣3的磁感應(yīng)強(qiáng)度萬(wàn)；
k.改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度//，重復(fù)步驟i測(cè)量出在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度/Z下試樣3的反射光強(qiáng) /，計(jì)算得到在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度^，繪制試樣的磁滯回線。
權(quán)利要求
1. 一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征在于該方法利用測(cè)量鐵磁薄膜非均勻應(yīng)力光路和測(cè)量薄膜磁滯回線光路兩條光路進(jìn)行在線檢測(cè)，所述的薄膜非均勻應(yīng)力測(cè)量光路包括第一激光器(1a)、第一擴(kuò)束鏡(2a)、第一光柵(4a)、第二光柵(4b)、透鏡(5)、過(guò)濾屏(6)和CCD相機(jī)(7)；所述的測(cè)量薄膜磁滯回線光路包括第二激光器(1b)、第二擴(kuò)束鏡(2b)、起偏鏡(8)、檢偏鏡(9)和光電檢測(cè)器(10)，其檢測(cè)方法包括如下步驟a. 利用外加磁場(chǎng)使試樣(3)磁化，并記錄外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H；b. 打開第一激光器(1a)，使第一激光器發(fā)出的光束通過(guò)第一擴(kuò)束鏡(2a)，并調(diào)節(jié)第一擴(kuò)束鏡(2a)，使從第一激光器發(fā)出的激光擴(kuò)束并保持均勻性；c. 由第一擴(kuò)束鏡(2a)擴(kuò)束后的光束照射到試樣(3)表面，從試樣表面反射的光束依次通過(guò)第一光柵(4a)、第二光柵(4b)、透鏡(5)、過(guò)濾屏(6)和CCD相機(jī)(7)；d. 將第一光柵(4a)和第二光柵(4b)的主軸方向設(shè)置成豎直方向，調(diào)整透鏡(5)、過(guò)濾屏(6)和CCD相機(jī)(7)之間的距離，得到清晰的干涉圖像；e. 提取干涉條紋中心線，計(jì)算條紋級(jí)數(shù)變化梯度和n(y)是干涉條紋級(jí)數(shù)，通過(guò)下式計(jì)算得到試樣表面y方向曲率κyy和旋轉(zhuǎn)曲率κxy，上式中p是光柵常數(shù)，Δ是兩光柵間距；f. 將第一光柵(4a)和第二光柵(4b)在光柵面內(nèi)繞垂直光柵平面的軸線向相同方向旋轉(zhuǎn)90°，得到干涉條紋，提取干涉條紋中心線，條紋級(jí)數(shù)記作n(x)，計(jì)算條紋級(jí)數(shù)變化梯度由下式計(jì)算得到試樣表面x方向曲率κxx；g. 通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將直角坐標(biāo)下的曲率κxx，κyy，κxy轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的曲率κrr，κθθ，通過(guò)下式計(jì)算和τ得到試樣的非均勻應(yīng)力，上式中Ef是薄膜彈性模量，vf是薄膜泊松比，Es是基體彈性模量，vs是基體泊松比，hf是薄膜厚度，hs是基體厚度，是薄膜中的徑向應(yīng)力，是薄膜中的周向應(yīng)力，τ是薄膜與基體界面之間的切應(yīng)力，d(κrr+κθθ)/dr表示主曲率之和的徑向?qū)?shù)；h. 打開第二激光器(1b)，使第二激光器發(fā)出的光束通過(guò)第二擴(kuò)束鏡(2b)；并調(diào)節(jié)第二擴(kuò)束鏡(2b)使從第二激光器發(fā)出的激光擴(kuò)束并保持均勻性；i. 經(jīng)第二擴(kuò)束鏡(2b)擴(kuò)束后的光束通過(guò)起偏鏡(8)后變成線偏振光，此線偏振光照射到試樣(3)表面，從試樣表面反射回來(lái)的光束經(jīng)過(guò)檢偏鏡(9)再通過(guò)光電檢測(cè)器(10)，由光電檢測(cè)器測(cè)量出所接收到的光束強(qiáng)度I；j. 利用標(biāo)準(zhǔn)的已知磁化性質(zhì)的樣品代替試樣(3)，重復(fù)步驟i測(cè)得反射光強(qiáng)I′，由于樣品的磁化性質(zhì)是已知的，由外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H計(jì)算樣品的磁感應(yīng)強(qiáng)度B′，試樣(3)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可通過(guò)下式計(jì)算，得到試樣(3)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B；k. 改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H，重復(fù)步驟i測(cè)量出在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H下試樣(3)的反射光強(qiáng)I，計(jì)算得到在不同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，繪制試樣的磁滯回線。
2.按照權(quán)利要求l所述的一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征在于第一激光器(la)與第二激光器(lb)采用不同頻率的激光器。
全文摘要
一種鐵磁薄膜的磁彈性性能同時(shí)在線檢測(cè)方法，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括測(cè)量鐵磁薄膜非均勻應(yīng)力光路和測(cè)量薄膜磁滯回線光路，薄膜非均勻應(yīng)力測(cè)量光路包括激光器、擴(kuò)束鏡、光柵，透鏡、過(guò)濾屏、CCD相機(jī)；測(cè)量薄膜磁滯回線光路包括激光器、擴(kuò)束鏡、起偏鏡、檢偏鏡、光電檢測(cè)器。利用剪切干涉測(cè)量鐵磁薄膜表面的非均勻曲率，由曲率得到薄膜中的非均勻應(yīng)力，利用鐵磁薄膜表面的磁光克爾效應(yīng)測(cè)量薄膜的磁滯回線。該方法可同時(shí)在線測(cè)量鐵磁薄膜的非均勻應(yīng)力和磁滯回線，從而為鐵磁薄膜的磁彈性耦合行為的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01N27/72GK101441195SQ20081024042
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者雪 馮, 董雪林, 黃克智 申請(qǐng)人:清華大學(xué)