[0001] 本发明涉及显微镜技术领域，具体为一种基于磁光克尔效应的教学级磁光克尔显微镜。

[0002] 磁性材料作为一种重要的信息功能材料，广泛应用于现代生活中，推动着各个领域的进步和创新。特别是在后摩尔时代的新型存储芯片中，磁性材料扮演着重要的角色。磁
畴是磁性材料的磁学性能的本质物质结构，是存储信息的基本单元之一。通过对磁畴的测
量表征，可以更好地理解磁性材料的性质和行为，为磁性材料的应用提供基础研究支持。

[0003] 然而，当前观察磁畴需要使用一些先进的实验技术和高精尖的设备，如科研级的磁光克尔显微镜。其体积庞大、价格昂贵的局限性严重影响了磁光克尔技术在实验教学、生
产制造等领域的应用落地。

[0004] 因此，如何提供一种基于磁光克尔效应的教学级磁光克尔显微镜，成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。

[0017] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技
术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。

[0018] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的
过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清
楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0019] 在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

[0020] 并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领
域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

[0021] 此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。
对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0022] 磁光克尔效应是指线偏振光与物质在磁化状态下相互作用引起的出射线偏振光相对入射线偏振光的偏振方向发生一定程度的偏转的现象。这种偏转角度称为克尔转角，
而椭圆短轴由于与长轴的比率则被称为椭偏率。

[0023] 当磁性物质在外加磁场的作用下被磁化或铁磁物质产生自发磁化时，物质本身的折射率会发生变化，从而产生磁双折射(magnetic birefringence)现象，即右旋光和左旋
光的折射率不同。一束线偏振光可以分解为两个振幅相同、相位相反的左旋光和右旋光。由
于两种旋性的光在磁性材料中具有不同的吸收和反射系数，并且传播速度不同，因此它们
会产生相位差和振幅差异。这导致左旋、右旋光在反射后叠加成椭圆偏振光。由此产生克尔
效应。

[0024] 根据磁化强度相对于入射面的取向不同，通常情况下磁光克尔效应可分为极向、纵向和横向三种构型。极向磁光克尔效应构型中磁化强度矢量M与介质界面垂直，具有最大
的克尔转角，效应最为明显；纵向和横向构型需要施以平行于表面的磁场且现象难以观测。
因此本发明基于极向磁光克尔效应研究。

[0025] 起偏器‑检偏器系统是产生‑检测偏振光的基础结构。当检偏器的偏振方向处于起偏器的消光位置时，由马吕斯定律，经过磁光克尔效应偏转的出射线偏振光经过检偏器后
光强度会发生变化。在此种情况下，无论反射光的偏振方向如何改变，接收到的偏振光幅度
总是相同且光强不断增大，导致无法区分偏振面的旋转方向，也就无法辨别磁化的方向。

[0026] 为了解决这一问题，本发明设置检偏器的方向与消光位置相差一个很小的偏角，则当反射光的偏振面顺时针(逆时针)旋转时，相机接收到的光强会减小(增大)，因而可以
通过这种变化来区分样品的磁化方向，从而实现样品表面的磁畴信息的观测。

[0027] 根据相关公式，当偏角δ很小时，克尔转角θk与光强I成线性关系，于是可用光强大小直接表征磁化强度，进一步结合适当的光路可通过目测或相机成像观察磁畴翻转过程，即可通过图像处理解析磁畴信息。

[0028] 如图1所示，本发明提供了一种基于磁光克尔效应的教学级磁光克尔显微镜，包括：光源、第一凸透镜、起偏器、半透半反镜、物镜、第二凸透镜、检偏器和CMOS相机；所述光源发出的光经过第一凸透镜形成平行光线，再通过起偏器转化为线偏振光；接着，光线经过
半反半透镜反射，并通过物镜聚焦到样品表面上；光线经过样品反射后，再次通过物镜成为
平行光线，射回半透半反镜；最后，经过第二凸透镜的聚焦后，光线通过检偏器并最终聚焦
到相机上。所述光源与第一凸透镜之间设置有光阑，光通过光阑限制出射角度。所述半反半
透镜与经起偏器转化的线偏振光之间的夹角呈45°。本发明设计了分离入射光路和反射光
路，以避免入射线偏振光对观测出射线偏振光的干扰。

[0029] 光阑的主要作用是限制LED点光源的发散角度，从而实现控制出射平行光束大小和光强的目的。第一凸透镜的作用是产生平行光，本发明将LED光源放在凸透镜焦点位置。
起偏器的作用是将LED发出的自然光转化为线偏振光。半透半反镜有两个作用，一是将入射
的光反射到样品支路上，二是让样品反射回来的光透过半透半反镜进入相机支路，由于其
是45°角放置的，因此两路光在同一直线上。物镜则用来将平行光聚焦到样品上；相机支路
上的凸透镜则将半反半透镜透射过来的平行光聚焦到相机上。在这个过程中，光线会穿过
一个检偏器，其偏振角度与之前所述的起偏器有关；最终，这些光线会汇聚到相机上成像。

[0030] 由于核心光路采用的“T”型光路结构是一种经典的金相显微镜构型，因此本发明考虑基于国产金相显微镜GP‑L200‑324K进行改装，添加励磁线圈作为小型磁场发生装置，
物镜的放大倍数可以从5×、到10×，再到20×，逐步放大图像，更适合观察磁畴结构的细
节。在CMOS相机端增添目镜观测口，便于实时观测调试，增加实验仪器的操作性。基本封闭
的光路可以大幅削弱外界杂光的干扰，增强图像质量。励磁线圈放置在样品台下方，可以通
过左侧旋钮调节线圈到样品台的距离。

[0031] 本发明在实验系统测试过程中注意到，由于克尔转角较小，相机原适配软件Thor‑Cam观察到磁畴翻转的现象不够显著，需要实时减去本底，来提高变化过程的画面对比度。
因ThorCam是相机厂家设计的使用软件，无法提供外部程序调用，因此本发明基于相机动态
链接库文件，采用Python语言相机控制软件观察磁畴翻转的现象。

[0032] 控制软件包括：Triple‑M Cam、菜单栏模块和画面显示模块，所述Triple‑MCam分别与菜单栏模块和画面显示模块电连接。能够实现拍摄照片，录制视频/停止录制，保存照
片或视频，减本底后/减本底前以及图像亮度手动调整(设置最小/最大亮度阈值)以及画面
实时显示功能。

[0033] TripleCam软件实现思路如下：首先通过调用OS库来检索计算机是否接入外部相机，如接入外部相机则可进入软件操作界面。基于tkinter库构建软件操作界面，通过构建
类面向对象设计，设置相机曝光参数等，驱动CMOS相机拍摄画面。将CMOS相机捕获到的每一
帧灰度图像信息以矩阵形式存储，并通过合理的图像变换呈现在画布控件上。通过按键控
件提供拍照、录制、实时减本底等操作，用户也可以设置灰度阈值来调节画面呈现的亮度，
以期观察到更好的图像细节。

[0034] 针对较弱的光学信号，开发出实时减本底控制软件，在图像处理算法的辅助下可以相对清晰地观测到磁性样品表面的磁畴翻转过程。同时为实验过程中磁场强弱的控制提
供了基于LabVIEW例程，为磁光克尔显微镜迈向大学生实验课堂设计出完整的实验流程。本
发明大大提高了该显微镜应用在近代物理实验中的价值，为推广磁学科学研究、加速磁光
克尔效应转化和提高大学生磁学认知提供新的方案。

[0035] 本发明在足够实验精度的前提下，较科研级磁光克尔显微镜在体积和成本上降低至原来的百分之一。本发明提供配套实验设备和更加全面的实验方案，更适合大学教学使
用。本发明应用控制软件中的实时剪本底程序，可以实时处理图像。本发明实现了人眼通过
光学显微镜可以直接观察到磁畴结构，大幅提高了观测效率。体积得到大幅减小，保证大学
生可以在物理实验室动手操作；在保证精度满足教学需要的同时，成本也大幅缩减。

[0036] 以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属
于本发明技术方案的范围内。