Để nghiên cứu hiệu ứng từ quang Kerr (MOKE) tăng cường trên cấu trúc nano quang tử nhờ kích thích polariton plasmon bề mặt chúng tôi tiến hành xây dựng , lắp đặt một hệđo hiệu ứng từ quang. Hệđo này về nguyên tắc cũng có thể sử dụng để nghiên cứu các hiệu ứng từ quang Faraday và Kerr nói chung trên các vật liệu từ quang khác.
119
5.3.1 Lựa chọn sơ đồ thiết kế hệ đo
Xuất phát từđiều kiện cụ thể của phòng thí nghiệm Quang lượng tử, Khoa Vật lý và dựa trên nguyên lý cơ bản của hiệu ứng từ quang Kerr chúng tôi đã lựa chon sơ đồ do hiệu ứng từ quang Kerr như trên hình 5.8. Đây là sơ đồ đo hiệu ứng từ quang Kerr ngang (Transversal MOKE) trong đó từ trường song song với bề mặt phản xạ và vuông góc với mặt phẳng tới. Từ trường được tạo ra từ một nam châm điện một chiều. Trạng thái phân cực của ánh sáng tới được xác định nhờ một kính phân cực đặt ở lối ra nguồn đơn sắc. Tín hiệu quang được đo nhờ một đầu đo quang dẫn (hoặc photodiode hay tốt hơn là ống nhân quang điện). Một hệ khuếch đại lock-in được sử dụng đểđo được thay đổi yếu của tín hiệu.
Để quan sát hiệu ứng từ quang phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, cần lựa chọn nguồn sáng đơn sắc cho bước sóng thay đổi liên tục. Nguồn sáng cũng cần độổn định tương đối để giảm nhiễu. Từ những yêu cầu trên chúng tôi chọn nguồn sáng cho thí nghiệm là một máy đơn sắc lăng kính được chiếu sáng bởi một đèn dây tóc Wolfram sử dụng nguồn điện 1 chiều 6V, công suất 21 W. Bóng đèn này cho ánh sáng trắng với dải phổ liên tục bao gồm hầu hết vùng phổ khả kiến, đồng thời dòng điện 1 chiều đảm bảo sự thay đổi trong cường độ sáng của đèn là nhỏ.
Hình 5.8.a. Sơđồ hệđo từ quang: 1-Chopper;2-thấu kính hội tụ;3-kính phân cực;4- cách tử Ni;5-Từ trường; 6-Gương phản xạ; 7-thấu kính hội tụ; 8-quang trở.
Máy đơnsắc Lock-in 1 2 3 4 5 3 6 7 8
120
Hình 5.8.b.Ảnh chụp hệđo từ quang đã xây dựng tại phòng thí nghiệm Quang lượng tử
5.3.2. Lắp đặt từ trường điện một chiều
Dựa trên học hỏi kinh nghiệm từ những thí nghiệm trước đây về hiệu ứng từ quang, chúng tôi thấy cần sử dụng một từ trường tương đối mạnh (cỡ vài trăm Gauss) và ổn định, đồng thời có thểđiều chỉnh được. Những yêu cầu trên được đáp ứng với việc sử dụng nam châm điện một chiều.
Một nam châm điện là một ống dây dẫn được đặt vào một mạch kín, có lõi làm bằng sắt non để tăng cường độ từ trường. Từ trường trong một nam châm điện được xác định bởi công thức:
trong đó B là từ trường, đơn vị gauss (hệ CGS), N số vòng dây, I là cường độ dòng điện đi qua ống dây (đơn vị trong CGS là abA hay biot, 1 abA=10A, l là chiều dài của ống (đơn vị cm). là độ từ thẩm của vật liệu làm lõi, trong CGS là một đại lượng không có thứ nguyên.Giá trị của nó trong chân không là 0 = 1, với thép là 100, oxit sắt từ là 200 còn sắt (99,8% tinh khiết) là 5000.
121
Hình 5.9. Nam châm điện và đường cong đặc trưng cường độ từ trường theo dòng điện
Để có được từ trường cực đại là 600 gauss, chúng tôi sử dụng 2 ống solenoid quấn 4000 vòng trên một trục có độ dài 9,5 cm, lõi là một thanh thép hình trụ. 2 ống được mắc song song vào mạch kín với nguồn cấp là một nguồn 1 chiều có điện thế cực đại trên 20 V, cường độ dòng cực đại trên cuộn là 0.3 A. Từ công thức trên ta có thể tính được
.
Trên thực tế, do một số yếu tố thực nghiệm làm cho từ trường bên ngoài lõi không đều (phụ thuộc mạnh vào khoảng cách giữa hai ống) và có giá trị nhỏ hơn giá trị tính toán lý thuyết trên.
122
Để đo từ trường chúng tôi dùng thiết bị Gaussmeter GM04 (Hirst Magnetic Instrument, UK). Máy đo sử dụng đầu đo hiệu ứng Hall, đặt ở chếđộ DC, Save on, thang đo kG. Kết quả đo đạc cho thấy từ trường cực đại đạt khoảng 600 gauss ở gần lõi thép, đồng thời cường độ từ trường thay đổi tương đối phù hợp với quy luật tuyến tính như lý thuyết theo cường độ cường độđiện trường: