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Messung magnetischer Mikrostrukturen mittels eines Faraday-Magnetometers
 

Ruben Piepgras M.Sc.

Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht bis zu welchem Grad ein sogenanntes Faraday-Magnetometer zur Messung stark lokalisierter elektrischer Ströme und Magnetisierungen geeignet ist.

Sowohl elektrische Ströme als auch Magnetisierungen erzeugen magnetische Felder. Entlang eines solchen Feldes dreht sich die Polarisationsebene linear polarisierten Lichts entsprechend dem Faraday-Effekt. Die Empfindlichkeit des Drehwinkels gegenüber einem externen Magnetfeld ist materialabhängig und wird über die Verdet-Konstante beschrieben. Die Drehung der Polarisationsebene entspricht nach der Verwendung linearer Polarisationsfilter einer Intensitätsänderung, die wiederum verhältnismäßig einfach mit einer Kamera gemessen werden kann. Aus der Intensität kann dann auf die Drehung und damit auf das Magnetfeld zurückgerechnet werden und daraus lassen sich Rückschlüsse auf deren Ursachen – elektrische Ströme oder Magnetisierungen – ziehen.

Ein nach diesem Prinzip arbeitender magneto-optischer Aufbau zur Messung magnetischer Felder ist das in Abbildung 1 gezeigte Faraday-Magnetometer, welches rund um ein Material mit hoher Verdet-Konstante – einem Faraday-Kristall – aufgebaut ist. Hiermit lassen sich zerstörungs- und berührungsfrei räumlich hochauflösend Leiter- oder Magnetisierungsstrukturen untersuchen. In dieser Arbeit werden magnetische Mikrostrukturen mit Strukturgrößen in der Größenordnung von 10 µm betrachtet. Solche Strukturen können beispielsweise verwendet werden, um Informationen in Banknoten zu codieren. Das Potential eines Faraday-Magnetometers für solche Messungen sowohl bezüglich hoher räumlicher als auch schneller Aufzeichnung wird analysiert. Insbesondere wird untersucht, inwiefern der Aufbau für quantitative Messungen geeignet ist.

Um die Eignung für quantitative Messungen zu verbessern, müssen die kritischen Komponenten Lichtquelle, Faraday-Kristall und Kamera genau charakterisiert oder gegebenenfalls ersetzt werden. Der Einfluss systembedingter Fehler, wie das ferromagnetische Eigenverhalten des Faraday-Kristalls in Abbildung 2, muss durch digitale Nachbearbeitung des Signals verringert werden.

 

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau des verwendeten Faraday-Magnetometers (1: LED, 2: Linse, 3: Polarisator, 4: Faraday-Kristall, 5: Verspiegelung, 6: Analysator, 7: Objektiv, 8: Kamera, A: Strahlteiler, B: Fotodiode, C: Helmholtzspule) Abbildung 2: Das Magnetisierungsmuster des Faraday-Kristalls bleibt auch bei einer homogenen Anregung von 0 kA/m bestehen und überlagert sich dem Nutzsignal.