（微电子学与固体电子学专业论文）磁光记录介质特性检测技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 磁光记录原理是利用热磁效应写入，克尔效应读出信息。以磁光记录材料为记录 介质的光盘具有容量大、非挥发、可靠性高、寿命长等优点。随着磁光材料理论、磁 光材料制备方法研究的发展，进一步研究磁光记录介质性能的测试方法具有重要的意 义。本论文的研究工作是：通过理论分析，得出一种新的磁光克尔效应检测方法：研 制出磁光记录介质特性的检测系统；研制工作中，在克尔角信号检测电路、光路及整 个测试系统误差分析方面做了大量的工作。 应用磁光效应的唯象理论，得出克尔角、反射率和经过偏振分光镜的两路线性光 光强的简单的数学关系，从而用模拟电路即可实现克尔角、反射率测量。 磁光特性测试系统信号检测电路由信号采集、处理、显示与输出及电路电源等部 分组成。在硬件电路上采用了光电转换、差动放大以及各种滤波技术，解决了微弱信 号检测问题，并有效地抑制各种噪声；在光路设计上，通过设计专用的反射镜、支架 并采用合理校准步骤，确保光路准确稳定地工作。 另外，对测试系统的噪声进行了分析和计算，通过误差分析确定了设备的静态特 性。 研制成功的测试设备已应用于测量商用磁光盘、t b f e c o 系磁光薄膜、 n d ( t b d y ) c o 系磁光薄膜并取得很好的测试结果。仪器的测试范围和精度可以满足科 学研究和教学实验的要求。 关键词：磁光克尔效应：测试系统；克尔角；反射率；光电检测；误差分析 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t o o p t i c a lr e c o r d i n g i sr e a l i z c db yu s i n gt h e r m o m a g n e t i s mt or e c o r di n f o r m a t i o n a n dk e r re f f e c tt or e a d o mi n f o r m a t i o n m a g n e t o o p t i c a ld i s ch a sa d v a n t a g e so fh i 曲s t o r a g e d e n s i t y , n o n v o l a t i l i z a t i o n 1 1 i g hs t a b i l i t ya n dl o n gs t o r a g el i f e w i 血t h ed e v e l o p m e n to f m a g n e t o o p t i c a lm a t e r i a lt h e o r ya n dm a t e r i a lp r e p a r i n gm e t h o d s ，i t so fg r e a ti m p o r t a n tt o r e s e a r c ht h em e a s u r e m e mm e t h o d so fm a g n e t o - o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c ho ft h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ：an e wm e t h o do fk e r re f f e c tm e a s u r e m e n tw a sp r e s e n t e dt h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i s ；m a g n e t o o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i cm e a s u r i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d ；m a n y s t u d i e so nk e r rr o t a t i o na n g l em e a s u r i n gc i r c u i t ，l i g h tp a t ha n de r r o ra n a l y s i so fs y s t e m w e r ed o n ea sw e l l s i m p l em a t h e m a t i cr e l a t i o nb e t w e e nk e r rr o t a t i o na n g l e ，r e f l e c t i v i t ya n dl i n e a rl i g h t i n t e n s i t yo u tf r o map o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e rw a sd e d u c e db yp h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r yo f m a g n e t o o p t i c a le f f e c t , w h i c hm a d ei tp o s s i b l et h a tk e r rr o t a t i o n ，r c f l e c t i v i 母c o u l db e o b t a i n e dt h r o u g hs i m p l ea n a l o gc i r c u i t k e r rr o t a t i o na n g l em e a s u r i n gc i r c u i tc o n s i s t so fs i g n a la c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n g ， d i s p l a y , r e s u l to u t p u ta n dp o w e rs u p p l y t h et e c h n o l o g i e so fl i g h t - t o c u r r e n tc o n v e r s i o n ， d i f f e r e n c ea m p l i f i e ra n df i l t e r i n gw e r eu s e d ；t h ep r o b l e mo fw e a ks i g n a ld e t e c t i o nw a s s o l v e d ；v a r i o u sn o i s e sw e r ed e c r e a s e do rr e s t r a i n e de f f e c t i v e l y s p e c i a lr e f l e c t o ra n d b r a c k e tw e r ed e s i g n e da n d p r o p e rc a l i b r a t i n gs t e pw a sa d o p t e dt oe n s u r et h el i g h tp a t hw o r k s t e a d i l ya n da c c u r a t e l y i na d d i t i o n ，n o i s eo f t h es y s t e mw a sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r e d e t e r m i n e db ye r r o ra n a l y s i s t h em e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e nu s e dt oo b t a i nt h em a g n e t o o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i co f c o m m e r c i a lm o d i s c ，s e r i e so ft b f e c oa n dn d ( t b ，d y ) c om o t h i nf i l m ss u c c e s s f u l l y t h e r a n g ea n dp r e c i s i o no fm e a s u r i n gs y s t e mw e r es a t i s f a c t o r yf o rs c i e n t i f i c r e s e a r c ha n d t e a c h i n ge x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：m a g n e t o o p t i c a lk e r re f f e c t ；m e a s u r i n gs y s t e m ；k e r rr o t a t i o na n g l e ；r e f l e c t i v i t y ； p h o t o e l e c t r i ct e s t ；e r r o ra n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：岳 阜订 立年4 月) 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”)、 学位论文作者签名：g i 旱田 指导教师签名：锄赴互 2 一舌年4 月) 孑日) 6 年华月j 8 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 随着现代信息技术的高速发展，计算机技术、多媒体技术和网络技术对数据存储 设备的要求越来越高，主要有：高密度、大容量、高速度、可重写性和高的可靠性。 信息存储技术已成为所有高科技领域的支柱。在众多的存储介质和储存技术中，磁光 存储作为一种光存储和磁存储并存的存储方式，既有光存储的大容量又有磁存储的可 擦重写、自由插换和与硬盘相接近的平均存取速度的优点。特别是磁光盘具有保存时 间长、可靠性高、使用寿命长、误码率小等优异性能i lj 。但是，要想在存储市场占有 一席之地就必须提高磁光盘的存储密度和擦写速度等主要性能。 1 9 8 8 年磁光盘的问世，开创了数据存储介质的新时代。从第一代产品1 3 0 m m 6 5 0 m b 的m o 至u 1 9 9 1 年推出的第一代9 0 n l i n1 2 8m b 的m o ，随着m o 大容量化技术不断取 得进展，其容量不断成倍增加，现今有9 0m i l l2 6g b 的m o 在市场上销售，其应用领 域从硬盘的备份扩展到其他领域，比如建立光存储库。在中国，由七单位联合组建的 “中国科学院光盘联合实验室”也成功地利用稀土一过渡金属合金磁光介质研制出了 第一张可擦重写磁光盘。但是第一代磁光材料的磁光克尔旋转角小、稳定性差，所以 1 9 9 1 年起各国磁光物理工作者开始探索第二代磁光盘材料，磁光效应的研究是当时炙 手可热的研究焦点，在j a p p l p l a y s 、j m a g n m a g n m a t e r 、? l a y s r e v b 和j p n j a p p l p h y s 等国际高级别学术期刊上，研究磁光材料的占相当大的比重。1 9 9 6 年4 月2 9 日到5 月1 日在荷兰召开的国际磁光记录讨论会明确了磁光存储技术的发展趋势是：进一步提高 记录密度、减小驱动器体积、实现超高分辨率。 磁光盘高速擦写可以通过采用轻型光学头【2 】、磁性多层膜磁场调制直接重写技术 以及磁性多层膜光调制直接重写技术口】来实现。磁光盘发展的主要方向是提高存储密 度，以求降低记录位的成本。磁光盘可通过缩短记录激光波长1 4 。“、磁超分辨读出技 术( m s r ) 1 7 ”】、磁畴放大读出技术( m a m m o s ) 2 q 2 ”、畴壁移动检测技术( d w d d ) 【2 2 ，2 3 ，2 4 】 华中科技大学硕士学位论文 等方法使记录密度大幅度提高，而利用磁超分辨近场结构光存储有望实现超高密度存 储【2 5 ，2 6 1 。下一代磁光盘的目标是：存储密度1 0 0g b i n c h 2 、传输速率1 0 0m b p s ，因此 磁光记录介质完全可以满足二十一世纪的市场需求，发展前景良好。 1 2 磁光记录读写原理 磁光存储技术所依赖的是磁性材料的两个性质，即： ( 1 ) 温度变化时，材料的磁化状态产生相应的热磁效应； ( 2 ) 材料磁化状态使得从表面反射回去的偏振光的偏振方向发生变化的磁光克尔 ( k e 仃) 效应口7 1 。 磁光盘信息存储技术采用热磁效应进行写入，利用磁光克尔效应( 反射) 进行读 出。热磁写入分居里点写入和补偿点写入。目前实用化磁光记录材料采用居里点写入 方式，其记录原理如图1 - 1 ( a ) 所示。磁光记录薄膜是具有垂直于膜面单轴各向异性的 垂直磁化膜，其矫顽力随温度的变化关系如图1 - 1 ( b ) 所示。经物镜聚焦的激光束照射 在磁光薄膜小区域( 2 砒2 ，以保 证磁化方向取向稳定；为了满足这一点，材料的饱和磁化强度尬应小，故亚铁磁 性材料具有明显的优点。 ( 2 ) 高的室温矫顽力趣以实现尽可能大的数据密度，因为稳定的记录位尺寸d 可以粗 略的用d 。c 1 ，凰来表示，亚铁磁性材料的补偿温度疋。在室温附近时，其皿很高。 ( 3 ) 为了保证良好的记录开关特性，薄膜的磁滞回线必须为矩形，即剩磁比为1 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 较大的光吸收系数，以利热磁写擦，记录介质要有高的热传导率，当记录介质受 激光作用时，能快速升温和冷却。 ( 5 ) 具有合适的居里温度疋或补偿温度死。，一般要求温度在1 0 0 3 0 0 ；否则记录 用半导体激光器的功率必须增大。 ( 6 ) 磁光盘的载噪比直接与极向克尔旋转角巩和动态噪声相关。要求尽可能大的磁光 克尔( k e 曲旋转角鼠，较好的均匀性以及很低的表面噪声，要求成膜后膜面平整光 滑有一定的反射系数r ，晶粒大小为纳米数量级( 非晶薄膜最佳) ，以获得足够的 读出信号载噪比( 大于5 0d b ) 。 ( 7 ) 热稳定性好。在记录擦除激光光束反复作用下，材料的结构不发生变化，要求可 擦写次数在1 0 0 万次以上。 ( 8 ) 抗氧化、抗腐蚀性能强，要求存储介质长期存放后性能不变。 ( 9 ) 大面积成膜容易。为了能大批量生产，要连续通过定型溅射设备成膜，因此采用 合金靶或烧结靶是重要的。 1 3 2 磁光记录介质的发展概况 按照上面的要求，对磁光记录材料进行研究，目前有以下几种磁光记录材料： ( 1 ) 石榴石薄膜。其化学稳定性好，法拉第旋转角大，但矫顽力不太大，且大面积制作 有困难口g 捌。 ( 2 ) 氧化物系( b i 取代石榴石系、含量c o 尖晶石系、六角晶系、钡铁氧体系等) 。 ( 3 ) m n b i ( m ) 系( m = a 1 、稀土金属、贵金属等) 多晶薄膜材料【3 0 ) 1 , 3 2 1 。此类薄膜磁光 克尔角大，但其居里温度高，且易引起结构相变。 ( 4 ) 多层调制膜系 3 3 。3 6 】( p f f c o 、p d c o 、p t n u c o 等) 的磁光克尔效应随波长缩短而不 断增强，但矫顽力小盘噪声高。 ( 5 ) 稀土一过渡族( r e t m ) 系非晶薄膜。1 3 7 q 3 1 目前采用最多的磁光记录介质是稀土元素和过渡族元素的非晶合金。由于它是非 晶态结构，不存在晶粒噪声，因而有较高的读出载噪比【4 “。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 3 磁光记录介质的主要参数 在磁光盘的国际标准中规定：磁光特性的主要参数是磁光克尔角和反射率r ， 并对这两个参数决定的品质因子f = r s i n o k 规定了明确的范n ( o 0 0 2 i n ，ly ：1 ，所以上式中的l 妇l2 项可以忽略不计，得到 ( 2 - 3 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 扛避 ( 1 + 培2 r k ) 。：堡到趔垡 ( 1 + t 9 2 玑) ( 2 - 3 6 ) 又因为一、b 2 和l g x l 2 场量的平方与对应的光强厶、厶和，之间有相同的比例常数， 由( 2 - 3 6 ) 式得到 臻：厶= 粼叫 圪= 一k s t 0 一f ) 1 1 + - 留t g ：2 玑q k l 。 2 i c o s 2 ( + 2 嚷) f 2 3 7 ) 考虑到t 矿q k l ，谚珊项可以略去，得到 圪= 一k s t ( 1 一毒) h l | 2 i c o s 2 ( 矽+ 2 0 k ) k = 一k s t 0 一善) 口c o s 2 ( 驴+ 2 0 k ) ( 2 3 8 ) 式中f l y l l2 = r 为正常反射率，上式按麦克劳林公式以2 巩为变量展开，且由于 2 8 k “。同样可得v r 和v r 的差值，即 一巧2 一s k t i ( 1 一佻+ 缸) c 。s 2 p 埤i + t g 叩k 考虑到_ 序 l ，式中的谚搬可以忽略不计，于是上式可简化为 一巧= 一s k t i ( 1 一亭) ( g + 缸) c o s 2 妒 将( 2 4 4 ) 式除9 ( 2 4 3 ) 式得到 监生：一! ! 二丛! 盟。o s 2 口 + ( 1 + 善) ( f + “) 一般情况下，k 0 ，b l j i s i n 2 0 k i = s i n 2 0 , 。由于0 k 靠，设标准样品的反射率为r ，由公式 月= f 龋和r = 。踹，两式相比较可得 肌揣r 其中( + 吼为参考标准所对应的电压值。即可以测得样品的反射率。 华中科技大学硕士学位论文 3 磁光记录介质特性测试系统研制 磁光特性测试系统要求能够测量磁光记录介质的克尔角艮、反射率r 、磁光克尔 磁滞回线h - k 、材料的矫顽力皿以及各项物理参数的数据采集存储和处理。本章介 绍了磁光特性测试系统的组成结构，简述了光电池的特性及选用，并详细讨论了克尔 角信号检测光路、电路的设计。 3 1 测试系统的组成 测试系统的核心作用是克尔角和反射率的测量，按照第二章的原理设计，系统主 要由克尔角信号检测运算部分、电磁铁及扫场电路部分以及计算机数据采集与处理部 分组成。系统组成框图如图3 - 1 。 图3 - 1 磁光特性测试系统框图 克尔角信号检测及运算机构由半导体激光器、反射镜、偏振分光镜( p b s ) 、光电 池、电流一压变换、加法器、差动放大、角度显示、功率显示、激光驱动电路和基准 电压等组成。扫场电路由霍尔片、磁场检测电路、反馈信号处理、单片机程序控制、 华中科技大学硕士学位论文 功率驱动以及电磁铁组成。测试系统的结果由计算机经过数据采集卡采集，实时绘制 克尔回线并给出测试结果。 小功率半导体激光器发射线偏振光束，经过反射镜反射后，入射到位于电磁铁间 隙中的被测样品( 或磁光盘盘面) 上，经过磁性样品反射后成为椭圆偏振光，偏振分 光镜把它分成反射光束和透射光束。这两束光分别由光电池转换成光电流，再经过电 流一电压变换器转换成两个电压、玢。两个电压的和砾+ 通过与基准电压( 本仪 器设定为5v ) 相比较后来控制激光器的功率变化，从而保证这两个电压和为一个固 定值，即固定砾+ 聆。两个电压的差值信号经过一定比例放大后即为克尔角( 见第二 章原理部分) ，同时经a f d 接口输入到计算机。 在电磁铁间隙中的霍尔片拾取磁场强度信号，经磁场测量电路测量放大后由a d 接口输入到计算机。磁场测量电路还将磁场强度信号输送给单片机。单片机通过a d 数据采集芯片将模拟信号转换为数字信号，并将此数字信号与软件产生的标准的数字 三角波的当前值进行比较，用以控制脉宽调制信号的占空比来控制磁场，通过不断的 反馈比较、电流调节，线圈可以产生一个与标准三角波波形一致的线性度好的三角波 磁场。在三角波扫描磁场的作用下样品上的磁介质作磁化翻转，引起反射光偏振方向 的改变。磁介质在磁化翻转时，其偏振方向变化角度的一半等于克尔角【6 ”。 计算机在克尔角信号和扫描磁场信号的共同作用下绘制出样品的极向克尔效应 磁滞回线。由回线可以确定矫顽力、饱和磁化场以及矩形度，也可确定克尔角，从而 完成样品的磁光特性测试。 为了测量样品的反射率，需断开由两路电压和+ 埒以及激光功率驱动电路组成 的反馈系统。可以在图3 1 所示的系统测试平台事先放置反射率已知的标准样品，并 调节激光器功率对面板数字表示值进行标定，然后再将被测样品放在测试平台上，即 可由数字表的示值直接得到被测样品的反射率。 3 2 光电传感器的选用及电路设计 3 2 1 光电传感器特性及选用 系统光电传感器的作用是使入射光强度转换成电气信息，本系统采用光伏器件作 华中科技大学硕士学位论文 为光电传感器，即选用国产2 c r 系列的同质结硅光电池。下面对光电池的特性进行简 单介绍1 6 ”。 光电池的基本结构就是一个p n 结，为了减少反射光，增加透射光，一般都在受 光面上涂有s i 0 2 或m g f 2 ，s i 3 n 4 ，s i 0 2 m g f 2 等材料的防反射膜，同时也可以起到防 潮，防腐蚀的保护作用；当光电池短路时，短路电流厶。与照度e 成线性关系，s = 五姐 称为灵敏度；硅光电池的开路电压l k 一般为o 4 5 , - - 0 6v ，最大不超过o 7 5 6v ；硅单 晶光电池短路电流厶为3 5 , - 4 0m a c m 2 ，负载电阻一定且照度低时光电流与照度有良 好的线性关系；硅光电池的光谱范围约是0 4 p m - 1 1 岸m ，峰值波长约为o 8 - 0 9 p m 。 在激光的长时间照射下光电池表面的温度会升高。温度对光电池的开路电压u o 。、 短路电流k 、暗电流厶、光电流厶及单色光灵敏度都有影响。随着温度的升高，硅光 电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压【k 将下降，短路电流k 略有上升。国产 硅光电池的最高使用温度为2 0 0 左右，使用时不能超过1 2 5 ，其温度特性为温度 每升高l ，l k 下降约2 - 3m v ，k 上升约7 8 , u a 。所以把光电池作为光电探测器件， 就必须考虑温度的漂移或进行补偿，以保证测试系统的精度。 4 7 0 0 p f 0 1 u f0 1 u f j 三 k 一 图3 - 2 暗电流测量电路 图3 - 3 光电池暗电流i 随时间变化曲线 光电池在无光( 01 x 照度) 照射时流出的电流就是光电池的踣电流。暗电流的大小 直接影响测试的信噪比和灵敏度。暗电流的大小与光电池的结面积成诈比，并且一般 暗电流随着温度的增加而增加。我们对2 c r 6 1 型号的国产硅光电池的暗电流进行了测 试，测试电路以及结果见图3 2 及图3 3 ，2 c r 6 1 的参数见表3 1 。由圈3 - 3 可以看出 。，即。r刚h矿舢。i i 华中科技大学硕士学位论文 有保护涂层的光电池暗电流在3 0 分钟后趋于稳定，而没有保护涂层的光电池暗电流 起伏较大。 光电传感器( 光电池) 是沟通光学和电子系统的接口环节，它既是光路元件又是 电路元件，有着光学和电子学的双重属性。作为光路元件，它是光信号接收器，是前 级光学系统的输出端口；作为电路元件，它是信号发生器，是后续电子系统的输入端 1 2 1 。正是由于利用了光电传感器的双重属性，才建立了光路和电路的联系，使彼此间 得以连通。因此，光电传感器类型的选择和工作状态的确定对光电系统的工作品质至 关重要，是测试系统设计的一个重要环节。 系统中使用的光电池不仅要和激光器以及光学系统匹配，而且要和后续的电子系 统在特性和工作参数上相匹配，以使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。所 以光电池的选择就要遵循一定的原则删： 1 1 要求光电池和激光器及光学系统在光谱特性上匹配。由硅光电池光谱特性可知， 系统使用的激光器产生的6 5 0n l n 激光既是可见光又能得到较高的灵敏度，在光谱 特性上系统是匹配的。 2 1 应使光电池的光电转换特性和入射光能量的大小相匹配。根据测试系统激光器的 发光强度、传输介质和信号的传输、光电池接收孔径的限制及反射吸收等损失的 影响，可以计算出入射到光电池光敏面上的实际辐射能量，光电池的选择必须充 分利用有用的信号能量，为此要考虑到：确保能获得一定裕度的信噪比。对 微弱的光信号，光电池要有合适的灵敏度s ，以保证对应于入射光通量的微小变化， 有足够幅度的电信号输出。使入射光的变化中心处于探测器光电特性的线性范 围内，以确保获得良好的线性检测。 3 ) 要求光电池和输入电路在电特性上匹配以得到良好的电信号输出。这将在下文详 细分析。 4 1 光电池应该具有长期工作的可靠性和对工作环境的适应能力。 根据以上原则我们选用北京光电器件厂生产的型号为2 c r 6 1 的光电池。由其产品 手册得到其主要参数如表3 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表3 - 1 光电池2 c r 6 1 的主要参数 参数名称开路电压短路电流输出电流转换效率面积 及单位 m vm am a ( ) m m 2 t = 3 0 t = 3 0 t = 3 0 测试条件e = 1 0 0 0w m 2 e = 1 0 0 0 j 鼬 e = 1 0 0 0w ，m 2 输出电压4 0 0 m v 以下 2 c r 6 l 4 5 0 6 0 04 0 6 53 0 4 06 8 r 1 7 2 ) 2 3 2 _ 2 光电信号检测电路设计 光电检测电路的设计是根据入射光信号的性质和大小来选择输入电路形式，并估 算电路工作状态和器件参数，在保证信号不失真的情况下获得最大的光电转换能力， 同时要使之和后级放大电路相匹配以利于信号的进一步传送。光电池和电路的匹配则 应根据选定的光电池的参数，通过正确选择和设计电路来完成。 按照系统设计要求，光电池工作在短路状态，这是一种电流变换状态，在这种状 态下，后续电流放大级作为负载从光电池中取得最大输出电流。为此要求负载后续放 大器输入阻抗吼尽可能小。如果r 很小，输出电流接近于短路电流，它与入射光通 量有良好的线性关系，即 如及a = s a q ，西是光通量。在短路状态下器件噪声电 流较低，信噪比改善，所以虽适用于弱光信号的检测。 c = 图3 _ 4 光电池信号检测电路 设计的光电信号检测电路如图3 - 4 所示【6 3 1 电容c 是用来抑制噪声。运算放大器两 个输入端之间的输入阻抗磊是硅光电池的负载电阻，可以表示为 华中科技大学硕士学位论文 p 乙= 音 ( 3 - 1 ) 以十l 式中彳一放大器的开环增益：肛一反馈电阻。当a = 1 0 5 ，r = 1 0 0k q 时，乙= 1q ，即可 认为硅光电池处在短路工作状态。能输出近乎理想的工作电流。处于电流放大状态的 运算放大器，其输出电压圪。与输入短路光电流厶呈如下关系 v o 。t = r i c e l ，= r e s ( 3 - 2 ) 即输出信号与输入光照度成正比。另外电流放大器因为输入阻抗低而响应速度较 高，信噪比高。为了减小暗电流对检测电路的影响，光电池采用无偏压的连接方式。 实际上，光电流的变化非常缓慢而且微弱，运放的输入阻抗不是无穷大，反馈电 阻r 的选取要受到运放输入阻抗的限制，考虑到偏置电流b 对被测电流锄的分流， 则尸圹如) r ，如果b 足够大就会影响k 口的测量精度。所以，对于光电池微电流 的测量所采用的运放必须满足：输入阻抗 反馈电阻五；偏置电流后 被测电流 如；失调电压及漂移要小；增益与共模抑制比高；噪声小。 据此我们采用的是i n t e r s i l 公司生产的i c l 7 6 5 0 型运算放大器芯片，它具有输 入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定以及 价格低廉等优点。由i c l 7 6 5 0 的数据手册可知，其输入电阻为1 0 ”q ，偏置电流2 5 时为1 5p a ，输入失调电压为1g v ，失调电压温度系数为o o l _ v * c ，共模抑制比为 1 3 0d b 。性价优廉，尤其具有其它高阻运放所没有的自动稳零的优点，适合做缓变微 电流放大器。使用斩波自动稳零能很好的解决抑制温漂和放大微弱直流信号的问题。 但是斩波频率低( 2 0 0r t z ) ，输出信号有斩波尖峰噪声。通常要接较大时间常数的低通滤 波器，所以不适合测快变信号。图3 4 中的电容c 是就为了减少输入的高频噪声和干 扰。除了光电转换外，该运放还使用在加法器和差分放大等电路中。 3 _ 3 克尔角信号检测光路设计 克尔角信号检测机构主要由光路部分和电路部分组成。光路部分又分为光学元件 和组成光路必要的机械结构部分。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 1 光学元件部分 光路光学元件部分由光源( 激光器) 、反射镜( 及其调节镜架) 、样品( 磁光盘) 、 p b s 以及光电池组成。整个光路系统牢固安装在刚性良好的支架上，并采取减震措施， 保证光路稳定可靠地工作。 ( 1 ) 光源 光源是光电检测系统中必不可少的部分畔】。在系统中按需要选择一定辐射功率、 一定光谱范围和一定发光空间分布的光源，由其发出的光束作为携带待测信息的物 质。光电池和光路的匹配应该是在对激光器和光路进行光谱分析和能量计算的基础 上，通过合理选择器件的光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。为了配合 磁光盘的测量，并根据光电池的光谱特性，系统光源选用小功率半导体激光器，输出 波长为6 5 0n r n 、最大输出功率为2 5m w 的单色偏振光。为使激光器输出光功率稳定， 采用模拟线性稳压电源供电。 激光器输出功率的波动通常是光学测试系统引入噪声的一个重要原因。但是本测 试系统通过克尔角测试公式的推导，从原理上消除了激光功率波动对测试结果的影 响。另外，光电检测中日光和其他杂散光的干扰，即光电池在透射光和反射光照射下 产生的信号光电流和在其他杂散光如灯光、日光照射下所产生的干扰光电流混在一 起，从而干扰有效的光信号。在这种情况下进行测量，就会产生误动作，造成不应有 的随机误差，因此要解决杂散光的干扰问题。我们采取在p b s 与反射镜安装腔体内涂 无光黑漆以及尽量减少光路长度如减少样品距离反射镜腔体的距离等办法来减少杂 散光的影响。 但) p b s 调节 系统中由于安装及工艺等原因会导致p b s 检偏位置偏差和两路探测通道不对称， 为排除上述两个因素对信号输出的影响，采用综合调试方法【6 0 】对p b s 检偏位置进行 调整。调整方法如下：正对p b s 入射线偏振光，测量接收p b s 透射光电路的前鼍放 大器输出。旋转p b s ，找出输出的最大值和最小值，计算出两者的平均值。然后旋转 p b s 至输出达到平均值的位置。在接收反射光电路中插入一级放大倍数可变的运放， 调整其放大倍数，使输出等于p b s 透射光路的输出。为了精确的使两者相等，可测量 两者的差信号，反复调整直至输出最小为止。这样便可认为获得准确的p b s 的检偏位 置，并排除了因电路不对称而引入的误差。电路的设计可以完成上述调整的条件。 华中科技大学硕士学位论文 f 3 ) 测试样品的对光设计 线偏振光通过被测样品的这一环节，能否使光束准确地携带上所要检测量的信 息，也是检测系统正常工作的重要环节。根据系统原理框图3 - l 设计可见，除了正确 的调整p b s 的检偏位置外，在测试磁光盘时，要求磁光盘的反射光沿电磁铁的通光孔 轴线垂直入射到p b s 的表面，以得到正确的分束效应，因此需要采用对光装置使反射 方向调整到通光孔轴线的方向上。对光装置由光点位置检测传感器及电路和样品测试 平台倾角调节机构组成。 光点位置检测传感器及电路 r 1 3 图3 - 5 四象限光电池对光电路图 光点位置检测传感器用来检测样品反射光的光斑是否落在通光孔轴线与光电池 的交点上。它由四象限光电池实现，检测电路由电流一电压转换、差动放大、发光二 极管显示( 粗调用) 以及指针式电表( 精调用) 等组成，其电路见图3 5 。系统中透 射光对应的四象限光电池同时担负光点对中和光电转换两个功能。对光时，四象限光 电池处在p b s 透射光检测光电探测器的位置上，其中心正好与通光孔轴线相交。当 p b s 的透射光正好落在探测器中心位置时 象限受光情况的四个发光二极管全部熄灭 光电池各象限的受光面积相同，代表四个 n 两个指针式电表的指示居中。当光斑落 华中科技大学硕士学位论文 在偏离中心位置时，四个发光二极管不能全部熄灭，电表指示也不能为零。由所在象 限的发光二极管以及电表指示可以确定光斑位置是否对中。 样品测试平台的倾角调节机构 样品测试平台的倾角调节机构用来调节测试平台的倾角，使样品反射光沿通光孔 轴线传播，它由支撑测试平台的三个可调螺钉构成。三个螺钉的顶尖支撑着平台，决 定平台的倾角。调节螺钉的位置可以改变平台的倾角。配合显示光点位置的发光二极 管电表的指示，可以将经过样品反射、p b s 透射后的光斑调整到四象限光电池的中心 位置。为了避免受到扫描磁场的影响并且要保持良好的刚性，平台使用纯铜制造。 3 3 2 光路机械结构设计 光路机械结构需要完成的工作是可靠地固定光学元件，并且确保在大磁场的干扰 下零部件或元件没有形变和位移。为了实现后一个要求，光路机械结构用纯铜制造。 光路机械结构的设计与布局决定了测试系统其他部分的布局，比如电路、电源、仪表 面板显示等的尺寸及位置安排。由图3 1 的系统框图可见光路机械结构设计的关键是 光电池的固定、反射镜的安装以及p b s 位置的固定。 ( 1 ) 光电池的固定 因为硅光电池很薄很脆且极易断裂，引出导线很细且易拉断，故先将其固定在一 个与p b s 镜架透光孔可以紧密配合的圆盘上，再分别引出导线，以提高其可靠性。圆 盘由单面敷铜板加工而成，刚性良好、温度特性好且不受电磁场干扰。光电池安装在 绝缘树脂一侧，其导线穿过敷铜板上的孔的焊接在敷铜侧。在硅光电池焊接前，要用 脱脂棉球蘸酒精将圆盘表面清洗干净。透射光路四象限光电池也按相同要求设计。光 电池及圆盘设计安装如图3 - 6 所示。 ( 2 ) 反射镜的设计和安装 由激光器射出的线偏振光经过反射镜的反射到样品后，再垂直反射到p b s 上分 光，可见反射镜是光信号的第一次处理，反射镜反射质量的好坏直接影响测试系统的 精度，对反射镜的反射率及平面度均有极高的要求。我们采用在黄铜表面镀金后抛光 来做反射镜使用。经过镜面表面加工后的镀金层反射率极高，可达0 9 以上，且防氧 化和锈蚀。为了防止杂散光的影响，把反射镜及安装在避光保护腔体中，腔体也用黄 铜制造，职；体内表面用无光黑漆均匀覆盖以减少腔体内光线的漫反射。反射镜及镜架 2 8 华中科技大学硕士学位论文 结构如图3 7 所示。 拉伸 四象限光电池托盘 图3 - 6 光电池及圆盘安装示意图 图3 7 反射镜结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) p b s 支架的设计 p b $ 固定 图3 - 8p b s 支架结构示意图 由第二章测量原理和方法的论述以及前文p b s 检偏位置综合调整的方法可知，调 整及校准阶段p b s 的位置必须固定，但需要水平转动：测试阶段必须完全固定不能发 生任何位置及角度的变化。调整及测量均需要保证良好的遮光。根据这些要求，设计 的p b s 支架如图3 8 所示。支架下端中空转轴与反射镜腔体顶部孔紧密套接，调整及 校准时可以转动，调整完毕后用紧固螺丝锁死。 ( 4 ) 光路装配结构简图 系统的光路装配结构如图3 - 9 所示，激光器发出的光经过起偏镜后为线偏振光， 偏振方向可以通过起偏镜座调节到垂直上下方向，光线射出角度可以由光源位置微调 螺丝调节，使其穿过支架筒和转筒准确射到反射镜上。支架筒与底座过渡配合用来固 定反射镜镜架，与转筒的间隙配合用来保证转筒相对与支架筒的转动。转筒与转筒渭 块紧密配合并用螺丝紧固，使转筒可以在转筒滑块的带动下转动以调整接收入射光的 角度，转筒转动的角度可以通过千分表和标记刻线到转筒轴心的距离计算出来。系统 安装调节时，经反射镜反射后的线偏振光又经过标准反射镜( 当作待测样品) 的反射， 调节反射镜架上的微调螺丝及对光调节螺钉丝，使光束经过反射镜架中空通道垂直从 转筒中心射出。p b s 及其镜座安装在转筒上，转动镜座可以调节p b s 的光轴方向，根 据设计原理，要求p b s 入射光偏振面与p b s 检偏轴的夹角为4 5 0 。调整完毕后，可以 用紧固螺丝固定p b s 镜座。最后安装光电池，透射光路的光电池因为同时用于对光， 用四象限光电池代替，引入的误差由下文讨论。以上便是光路主要的调节及安装。 华中科技大学硕士学位论文 靠 乙 釜萄； 鋈l ， 赘露譬t i 2 耋暴l 瘴琳魁2 i 理誉桑、：察f “目 j | j 场| 妇 悬 州0 n 磁磁黝彰 髫毒 黝当蕊 l r r 州k n l鱼c 镌土 电电x 嵴x 电电n 陵器l 雹愍 ， 荔舒磐强影彰後糍嬲黝 - ) ) n 沁沁x父心 ， i 立 螺。j 藻倒 峰誉 可昌 鬈。 蚕富症 蜷胀 一悄 。是 髯删“ 藿耋凛 簧曾茎 刨剖 世是蜂 蝶脚回， 圈 粕 i b 霉 姆 磐 装 小 匝 华中科技大学硕士学位论文 3 4 克尔角信号检测电路设计 克尔角信号检测系统电路由设备电源、传感器及其检测电路、运算处理电路组成。 传感器及其信号检测电路已于前文讨论。 3 4 1 电源部分设计 由于系统工作在直流或准直流状态，并且所接收的光电信号非常的微弱，所以抑 制电磁干扰就格外重要。低噪声电路对电源的要求是具有高的稳定性和良好的抑制共 模干扰能力。一般稳压电源的稳定度为1 0 1 0 4 ，而低噪声系统要求电源稳定度为 1 0 一1 0 一。所以必须采取相应措施，提高稳压电源的稳定度。克服变压器共模干扰的 办法是在初次级间采用良好的静电屏蔽和单端接地，避免共模干扰电压形成循环通 路。因此在系统电源的使用上，除了利用集成稳压芯片搭建直流稳压电源外，在设备 与工频电网的接口处还使用了电源滤波器。 ( 1 ) 电源滤波器 电源滤波器1 6 8 】是电磁干扰( e m i ) 电源滤波器的简称，是由电感、电容等构成的无 源双向多端口网络。实际上它起两个低通滤波器的作用，一个衰减共模干扰，另一个 衰减差模干扰。它能在阻带( 通常大于1 0k h z ) 范围内衰减射频能量而让工频无衰减 或很少衰减地通过。e m i 电源滤波器是控制传导电磁干扰和辐射电磁干扰的首选部 件。 图中： 电源滤波器 c x 1 ，c x 2 0 1 o 4 7 u f l 1 ，l 21 0 0 一1 3 0 u e ； c y l ，c y 2 10 0 0 0 p f ； l1 5 2 5 m h o 图3 1 0 电源滤波器组成结构 几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪声和差模噪声。共模干扰是由于载流导体 与大地之问的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的：而差模 干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂汛电压是同电位 翼 华中科技大学硕士学位论文 反向的。通常，线路上千扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡， 两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的e m i 滤波器基本结构如图3 - 1 0 所示。 滤波器的噪声衰减性能与源和负载的阻抗关系很大，无疑是选择滤波器时考虑的 首要因素。在较高频段，滤波器的源端口和负载端口可认为是“阻抗失配网络”。失配 越大，滤波器衰减电磁干扰的效果越好。在大多数情况下，电源线表现为低阻抗，则 滤波器的输入端应为高阻抗。另一方面，对于线性电源这样的高阻抗设备，为获得阻 抗失配，应使用负载端为低阻抗或并联电容的滤波器。另外选择滤波器还要根据设备 的额定工作电压、电流和频率。 安装时滤波器位置靠近电源线入口处，尽可能滤除沿着电源线侵入和窜出的电磁 干扰。滤波器外壳与设备机壳良好电接触，并接好地线。滤波器的输入输出线拉开距 离，切忌并行走线，以免降低滤波器的电性能。 ( 2 ) 直流稳压电源 由以上讨论可知激光器的电源、电路板的电源以及为避免脉冲干扰使用的数字表 头电源均应使用直流稳压电源。根据测试系统的性能指标要求和使用环境，要选择各 自的集成稳压芯片。激光器以及数字表头的电压根据器件参数需要使用+ 5v 的直流电 压源。由于其电压是标称值，精度要求也不高，可以选用价格便宜使用简便的三端固 定式集成稳压器，如l 7 8 0 5 ，其构成电路如图3 1 1 。稳压器输入端电容c i 用于消除输 入电压高频噪声，4 7 0g f 电解电容为滤波电容。电容c 。用于消除输出电压中的高频 噪声，这里取o 1 肛的电容。 图3 - 11激光器及数字表头稳压电源电路 由于所选用的i c l 7 6 5 0 芯片要求工作在士7 5v 电压下，可选用三端可调式集成稳 华中科技大学硕士学位论文 压器l m 3 1 7 和l m 3 3 7 。其电源电路如图3 1 2 所示。正常工作时，稳压器输出端与调 整端的电压差为1 2 5v ，并且基本保持不变。l m 3 1 7 输出端的电压为 v o u t = 1 2 5 ( 1 + r 2 r 1 ) + i , j r 2 ( 3 - 3 ) 可见r l 取2 4 0q 时，只要调节可变电阻r 2 就可以相当精确的得到+ 7 5v 电压输出。 图3 - 1 2 电路板稳压电源电路 直流电源中滤波电路的主要作用是滤掉整流