《读博后研究和实验装置》

现代社会对人才培养和应用的要求已越来越高，如希望在大学或研究所工作，已有博士学位的训练还不够，还需要积累更多独立研究的经验，将经历读博后的研究阶段。

 

有多个可供选择的位置，但考虑多种因素后，最后去了位于邻州林肯市的Nebraska（纳布拉斯加）大学，到Woollam教授小组做博士后研究。他是活跃在物理和电机系的两栖教授，继承了Bashara和Azzam早期在纳布拉斯加大学椭偏学方面的研究遗产，而另一感兴趣的课题是当时极为活跃的磁光克尔(Kerr)效应研究，显示了在高密度可擦写信息存储领域的重要应用前景。

 

物理系Sellmyer教授领导的磁学组具有很好的稀土基金属磁性样品制备条件，但缺少研究所必须的磁光克尔谱测量条件，也无法在市场上靠购买商品仪器实现。通过大量文献调研后，本人在依州大读博期间获得的训练和经验，以及纳布拉斯加大学优良的实验支撑条件发挥了作用。在一年多时间内，独立设计和研制了一台磁光克尔谱仪。这不仅是充分理解原理，还需要在学校的车间和实验室里把这些部件一片片亲手精确设计做出来，细致调试系统，才能获得可靠的数据，能够在1.5-6eV光子能量区和10k高斯磁场条件下，在很宽的克尔旋转角动态变化范围内，以约0.01度的绝对值分辨率精度，准确测量磁光材料的克尔磁光谱。这是典型的美国大学科研文化。实验装置的原理和实物图分别显示在图1、2中。有关实验装置以及在此基础上的后续研究工作发表在文献中［1-12］。

 

 

图1.克尔磁光效应测量装置原理图：1. 光源。2. 单色仪。3.光纤导光束。4. 偏振器。5.光阑。6.前端面反射镜。7.样品。8.磁铁。9.检偏器。10.步进电机。11.同步齿轮。12.同步齿带。13.光屏蔽盒。14.聚焦透镜。15.光电倍增管。16.计算机。

 

 

图2.克尔磁光效应测量装置实物图，这是在Woollam教授小组愉快工作期间留给笔者值得被怀念的一件博后作品，也体现了依州大研究生培养的可持续发展效果，即使在不同的研究领域，依然能可靠解决问题，具有很强的独立创新研究能力。

而如无图2所示关键的磁光实验装置的设计和研制，将难于有后续相关研究结果。其中，对于当时很热门的磁光效应增强的机理进行了细致分析和澄清［4］，即如果不提高材料的本征克尔值，仅通过两种材料光学常数匹配或表面结构的改变来获得表观磁光增强效应，将发生反射光强的显著损失，并不有利于综合优值因子的提高。

 

1876年克尔发现了磁光效应，差不多过了100多年对该效应的研究又热起来，并在现代信息存储技术中获得重要应用。其实，无论是受直流或低速变化的电场，还是受高速光频变化的电场驱动，在外磁场下，虽然还有其它的微观相互作用机理在起作用，但促使电子运动轨迹发生转向和改变的是洛伦兹力，这是导致在自然界产生克尔和法拉第磁光效应等现象（还包括霍尔效应等）的内在机理。因此，在研究和应用中，如果设置不同的磁场和电场排列方向，将对极向、纵向、横向磁光旋转角产生完全不同的效果，当磁场与电子振动方向平行时（V×B=0），不会使电子的偏振方向发生任何旋转，也不会观察到磁光效应。后来遇到一些人问起这些问题，这是不细致理解和不亲自动手做实验经常会犯有的错误和困惑。

 

短暂的博士后工作给纳布拉斯加大学的磁光研究领域作出了贡献，所发展的实验测量原理和方法不仅可供后续研究，还被用于改善课题组在椭偏光谱学研究中偏振器方位角的高精度定位控制。

 

两年的博后期很快将结束，或还可继续下去，但已到了全家回国的时候，面对的将是另一种科研体制和学术文化浸润的环境和条件，就如这里科学网的气氛一样，充满了未来发展的不确定因素。那么，在现代工业化社会的美国经历了较长时期的读博和博士后学习和训练，所积累的学识和经验能否帮助笔者克服回国后的研究困难而有所适应呢，将有更多的故事在后面。
 
 
参考文献：
    (1). L. Y. Chen and J. Woollam, “Analyzer Rotating Magneto-Optical Spectroscopies”, Polarization Considerations for Optical Systems II, SPIE，1166, 267, (1989).
    (2).  L. Y. Chen, W. A. McGahan, Z. S. Shan, D. J. Sellmyer and J. A. Woollam, “Resonant MOKE Spectra in Magnetic layers on Silver”, MRS 150, 109 (1989).
    (3).  L. Y. Chen, W. A. McGahan, Z. S. Shan, D. J. Sellmyer and J. A. Woollam, "Enhancement of Magneto-Optical Kerr Effect", J. Appl. Phys. 67, 5337 (1990).
    (4).  L. Y. Chen, W. A. McGahan, Z. S. Shan, D. J. Sellmyer and J. A. Woollam, “Kerr Effect of Two-Medium layered Systems”, J. Appl. Phys. 67, 7547 (1990).
    (5).  L. Y. Chen, P. He, S. Nafis, W. A. McGahan, J. A. Woollam, D. J. Sellmyer and S. Y. Liou, “Magnetic and Optical Characterization of Tb/Co Compositionally Modulated Amorphous Films”, J. Appl. Phys., 69, 5989, (1991).
    (6).  W. A. McGahan, L. Y. Chen, Z. S. Shan, D. J. Sellmyer and J. A. Woollam, “Enhanced Magneto-Optic Kerr Rotation in Metallic Bilayers: An Optical Explanation”, Appl. Phys. Lett. 55, 2479 (1989).
    (7).  J. A. Woollam, B. N. De, L. Y. Chen, J. J. Pouch and S. A. Alterovitz, “Diamondlike Carbon as a Moisture Barrier and Antireflecting Coating on Optical Materials”, MRS 152, 27 (1989).
    (8). P. He, B. N. De, L. Y. Chen, Y. Zhao, J. A. Woollam and M. Miller, “Ellipsometric Analysis of Computer Disk Structures", J. Appl. Phys. 67, 4878 (1990).
    (9).  W. A. McGahan, L. Y. Chen, D. E. Meyer, and J. A. Woollam, “Variable Angle of Incidence Analysis of Magnetic-Optic Materials”, J. Appl. Phys. 67, 4801 (1990).
    (10).  W. A. McGahan, P. He, L. Y. Chen and J. A. Woollam, “Characterization of Component Films in Mulilayer Magneto-Optic Structures”, IEEE Trans. Magn. MAG-26,1346 (1990).
    (11).  W. A. McGahan, P. He, L. Y. Chen, S. Bonafede, J. A. Woollam, F. Sequeda, T. McDaniel and H. Do, “Optical and  Magneto-optical Characterization of TbFeCo Thin Films in Trilayer Structures”, J. Appl. Phys., 69, 4568, (1991).
    (12).  W. A. McGahan, L. Y. Chen, J. A. Woollam, F. Sequeda and H. Do, “Annealing Time Dependence of Optical and Magneto-optical Properties of Bi-Substituted Garnet Films”, Appl. Phys. Commun., 11, 549, (1992).

 

 

图3.在纳布拉斯加大学(1988-90)实验室的工作照。

 
 

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