JP2018004271A - 光学的測定装置及び光学的測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】調査対象の試料の、磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性のいずれか１以上の測定を、迅速に、かつ高感度で高精度に実現できる光学的測定装置及び光学的測定方法を提供する。【解決手段】磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性のいずれか１以上を測定する光学的測定方法又は装置において、光源からの光を入力して光を試料へ出力し、試料からの光を入力して検出器へ出力する光スイッチを備え、光スイッチで、試料との光の入出力の接続状態を２つの状態間で切り替えることにより、試料へ入力する光の向き及び偏光状態のいずれか１以上を切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、調査対象の試料の磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性を測定するための光学的測定装置及び光学的測定方法に関する。

物質の磁気光学特性、非線形光学特性を、高精度で高感度に測定することは、生物やスピントロニクス等の分野で重要である。現在、生物やスピントロニクスや他の分野で、ファラデー回転角、カー回転角、磁気円二色性等の磁気光学特性を測定する装置が使用されている。

試料の非相反光学特性を測定することは、試料の時間反転対称性が壊れた時のみ、非相反応答が存在するので、試料の重要な情報をもたらしてくれる利点がある。しかし、非相反光学特性を測定する装置はまだ開発されておらず、もし開発されれば、他の広い分野に応用できる可能性がある。光が試料の中を互いに反対方向を進む時の屈折率と吸収係数が違う時、その試料は「非相反光学特性がある」という。時間反転対称性が壊れることが、試料が非相反応答を持つために、重要である。例えば、試料が磁性体か、試料に外部より磁場がかけられているか、光強度が大きく光応答が非線形である時に、時間反転対称性が壊れる。

ファラデー回転角、カー回転角、磁気円二色性（以下「ＭＣＤ」ともいう。）は、試料の磁気光学特性を明らかにするために測定される。

図１１は、ファラデー回転を測定する従来の装置である。光は、光源（図中「Ｓｏｕｒｃｅ」）１から、偏光子（図中「Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ」）１２を介して試料（図中「Ｓａｍｐｌｅ」）２に入り、試料２から出た光は検光子（（図中「Ａｎａｌｉｚｅｒ」）１３を通り、検出器（図中「Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」）３で検出される。光の偏光が、試料２を通過して回転しない時は、光は検光子１３で遮られ、検出器３に届かない。光の偏光が、試料２を通過して回転する時は、少量の光が検光子１３を通過し、検出器３で検出される。

偏光子は、自然光（非偏光）や円偏光から直線偏光を作り出す光学素子をいう。偏光子を透過した光は、偏光子の偏光軸（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｘｉｓ）方向に振動する直線偏光となる。さらに、この直線偏光に対し、もう１枚の偏光子（この場合、「検光子」という）を用意し、直線偏光がこの検光子を透過できるかどうかを調べることが通常行われる。偏光子の偏光軸と検光子の偏光軸とのなす角を、ここで、偏光子と検光子の軸の角度と呼ぶ。二枚の偏光子において二つの透過軸が平行な場合、透過強度は最大となり，互いの透過軸が直交する場合、透過光は０となる。

図１２は、光が偏光子と検光子を透過する強度を、偏光子と検光子の偏光軸のなす角度の関数として表したものである。図中、角度が９０度の時は、偏光子と検光子の２つの偏光軸が直交している。

図１３は、磁気円二色性（ＭＣＤ）を測定する従来の装置である。装置は、光源１と、偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ、ポラライザ−）１２と、光弾性変調器（ＰＥＭ）１４と、パルス発生器（Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）６と、ロックインアンプ（Ｌｏｃｋ−ｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）５と、検出器３とから構成される。光弾性変調器（ＰＥＭ）１４は光を左円偏波と右円偏波に変調する。パルス発生器６のタイミングで、左円偏波又は右円偏波に変調された光は、試料２に入射され、一部吸収される。左円偏波と右円偏波の吸収の差は、ロックインアンプを使用した検出器３で検出される。ロックインアンプ５を使用しているので、この装置は高感度で磁気円二色性（ＭＣＤ）を測定できる。

図１４は、磁気カー（Ｋｅｒｒ）効果によるカー回転角を測定する従来の装置である。装置は、光源１と、偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ、ポラライザ−）Ｐ１と、ハーフミラー８と、対物光学系（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）９と、偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ、ポラライザ−）Ｐ２と、検出器３とから構成される。偏光子Ｐ１により偏光された光は試料２の表面で反射され、検出器３で検出される。検出器３の前に、偏光子Ｐ１と偏光軸が９０度回転している偏光子Ｐ２が置かれている。もし、試料表面での偏光回転がない場合は、光は偏光子Ｐ２で遮られ検出器に届かない。光が試料２の表面で反射し、偏光が回転している場合は、ある量の光が検出器で検出される。検出された光の大きさは回転角（カー回転角）に比例するので、回転角が測定できる。カー効果により、試料の表面で反射して、左円偏光の右円偏光への変換やその反対の変換が起こる。

また、発明者等は、磁気光学の分野で研究開発を行ってきた（特許文献１参照）。

特開２０１４−０１３３１８号公報

従来の光学的測定装置では、調査対象の試料の磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性等を測定する際に、試料の中を光が互いに反対方向に進むときの光学特性の相違を測定する必要があった。試料の中を、光を反対方向に進ませるためには、試料を置き換えたり、試料への入射部と出射部において光ファイバ等を付け替えたりする作業が必要であり、測定の迅速化及び高精度化ができないという欠点があった。

また、従来のファラデー回転を測定する装置（図１１参照）では、感度が悪いという問題があった。

図１２によれば、偏光子と検光子の偏光の角度が９０度の角において、透過強度の１次微分係数は０である。これは偏光子と検光子の軸のなす角度による透過強度の変化が、非常に小さいということである。このことから、ファラデー回転を測定する従来の装置は、非常に測定感度が悪いといえる。従来の装置の感度は通常１０−５０ｍｄｅｇぐらいである。

また、図１１と同様、カー効果の測定装置（図１４参照）についても、測定の感度が低いという欠点がある。感度が低い理由は、偏光子が直角になった時（図１２参照）、通過した光の微分係数が０であるからと考えられる。

また、磁気円二色性（ＭＣＤ）を測定する装置の場合、光の波長が試料の吸収スペクトルの端に近い時のみ磁気円二色性の高信号が得られる。これが試料の磁気円二色性（ＭＣＤ）測定によって得られる情報を制限しているという問題がある。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、測定対象の試料の中を光が互いに反対方向に進む時の光学特性の相違を測定する装置及び方法を提供することを目的とする。また、測定対象の試料へ入射する光の偏光状態を切り替えて、進む時の光学特性の相違を測定する装置及び方法を提供することを目的とする。また、本発明は、磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性を高精度、高感度で測定することを可能とする装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
（１）光源と、検出器と、前記光源からの光を入力して前記光を試料へ出力し、前記試料からの光を入力して前記検出器へ出力する光スイッチであり、前記試料との光の入出力の接続状態を２つの状態間で切り替える光スイッチとを備えることを特徴とする光学的測定装置。
（２）前記光スイッチは、前記光源からの光を入力する第１のポートと、前記検出器へ光を出力する第２のポートと、試料と光を送受するための第１の伝送路と接続する第３のポートと、試料と光を送受するための第２の伝送路と接続する第４のポートとを有し、前記第１のポートと前記第３のポートが接続されかつ前記第２のポートと前記第４のポートが接続された状態と、前記第１のポートと前記第４のポートが接続されかつ前記第２のポートと前記第３のポートが接続された状態を２つの状態間で切り替える光スイッチであることを特徴とする前記（１）記載の光学的測定装置。
（３）パルス発生器を備え、該パルス発生器により前記光スイッチがスイッチング制御されることを特徴とする前記（１）又は（２）記載の光学的測定装置。
（４）第１の偏光子が、前記第１の伝送路と試料の間に配置され、第２の偏光子が、前記第２の伝送路と試料の間に配置されていることを特徴とする前記（２）又は（３）記載の光学的測定装置。
（５）第１の四分の一波長板が、前記第１の伝送路と試料の間に配置され、第２の四分の一波長板が、前記第２の伝送路と試料の間に配置されていることを特徴とする前記（２）乃至（４）のいずれか１項記載の光学的測定装置。
（６）前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子は、少なくとも偏光軸が＋４５度又は−４５度の角度をなすことを特徴とする前記（４）又は（５）記載の光学的測定装置。
（７）前記第１の偏光子と試料の間に第１の四分の一波長板が配置され、かつ、前記第２の偏光子と試料の間に第２の四分の一波長板が配置されていることを特徴とする前記（４）記載の光学的測定装置。
（８）前記第１の偏光子、前記第１の四分の一波長板、前記第２の偏光子、及び前記第２の四分の一波長板の、偏光軸は、試料に入射する光が、前記光スイッチの切り替え時に、同じ偏光状態の光となるように設定され、前記切り替えにより、試料の磁化方向との関係が逆になることを特徴とする前記（７）記載の光学的測定装置。
（９）前記第１の偏光子、前記第１の四分の一波長板、前記第２の偏光子、及び前記第２の四分の一波長板の、偏光軸は、試料に入射する光が、前記光スイッチの切り替え時に、偏光状態が切り替えられるように、設けられていることを特徴とする前記（７）記載の光学的測定装置。
（１０）前記光学的測定装置は、磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性のいずれか１以上を測定する装置である前記（１）乃至（９）のいずれか１項記載の光学的測定装置。
（１１）前記光スイッチの切り替えにより、試料内を通過する光の向きを切り替えることを特徴とする前記（１）記載の光学的測定装置。
（１２）減衰器が、前記光スイッチと前記試料の間に配置され、前記試料に入射して透過する光の向きを切り替えることにより、試料に入射する光の強度を切り替えることを特徴とする前記（１１）記載の光学的測定装置。
（１３）前記光スイッチの切り替えにより、前記試料へ入力する偏光状態を切り替えることを特徴とする前記（１）記載の光学的測定装置。
（１４）磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性のいずれか１以上を測定する光学的測定方法であって、光源からの光を入力して前記光を試料へ出力し、前記試料からの光を入力して検出器へ出力する光スイッチを備え、前記光スイッチで、前記試料との光の入出力の接続状態を２つの状態間で切り替えることにより、試料へ入力する光の向き及び偏光状態のいずれか１以上を切り替えることを特徴とする光学的測定方法。

本発明の測定装置は、光スイッチを備える構成としたことにより、試料の中を光が互いに反対方向に進む時の光特性の相違を、迅速に、かつ高精度及び高感度で測定できる。即ち、光の伝搬する方向は、組み立てられた光回路のうちのいずれの素子や装置も変えることなく、例えば２×２光スイッチで切り替えられるので、反対方向に伝搬する２方向の光の特性のわずかな違いを高精度で測定できる。

また、本発明の測定装置は、光スイッチを備える構成としたことにより、試料に入射する光を切り替えられるので、該入射光の偏光状態等の相違による、試料の表面での反射光の光特性の相違を、迅速に、かつ高精度及び高感度で測定できる。

本発明の測定装置は、特に、磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性の測定において、高精度で高感度な測定に適する。

本発明の測定方法は、光スイッチを設けて切り替えることにより、試料の中を光が互いに反対方向に進むように切り替えできるので、磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性等を迅速にかつ高精度及び高感度で測定できる。

また、本発明の測定方法は、光スイッチを設けて切り替えることにより、試料の表面に入射する光を、異なる偏光状態に切り替え可能であるので、入射光の相違による、試料の表面での反射光の光特性の相違を、迅速に、かつ高精度及び高感度で測定できる。偏光状態の異なる２つ状態間で切り替えとは、例えば右円偏光と左円偏光とを切り替えたり、直線偏光と円偏光を切り替えたりできることをいう。

本発明の測定装置又は方法において、試料への入射及び出射の前後に配置される偏光子や四分の一波長板等を用いて、偏光の角度が＋４５度又は＋４５度になる時に微分係数が最大になることを利用する場合は、さらに、高精度で高感度の光学的測定が可能となる。

第１の実施形態の非相反損失特性を測定する装置を示す図。 第２の実施形態の非相反損失特性の測定する装置を示す図。 第３の実施形態のファラデー回転角測定用の装置を示す図。 第４の実施形態の磁気円二色性測定用の装置を示す図。 第４の実施形態の磁気円二色性測定用の装置における２方向の偏光状態を説明する図。 第５の実施形態の磁気円二色性測定用の別の装置を示す図。 第６の実施形態の非線形吸収特性を測定する装置を示す図。 第７の実施形態の装置を示す図。 第７の実施形態の装置を用いたカー効果の測定における、２方向の偏光状態を説明する図。 第７の実施形態の装置を用いた磁気円二色性測定における、２方向の偏光状態を説明する図。 従来のファラデー効果測定装置を示す図。 偏光子と検光子の偏光の角度の差と、透過光強度との関係を示す図。 従来の磁気円二色性測定装置を示す図。 従来のカー回転角を測定する装置を示す図。

本発明の実施形態の測定装置は、光スイッチを備え、該光スイッチにより光の伝搬する方向を切り替えて、互いに反対向きの光を試料に入射して、光特性を測定する。光の伝搬する方向は、組み立てられた光回路のうちのいずれの素子・装置も変えることなく、例えば、２×２光スイッチで変えられるので、反対方向に伝搬する２方向の光の特性のわずかな違いを高精度で測定できる。

また、本発明の実施形態の測定装置では、該光スイッチにより光の伝搬する方向を切り替えることにより、試料に入射する光の偏光状態を切り替えて、試料の光特性を測定する。

光スイッチは、主に光通信網で使用されるデバイスで、電気信号に変換することなく光信号のまま特定の信号を分岐したり行き先を切り替えたりできる。光スイッチでは入出力ポート数が複数あり、入力ポート数がＮ、出力ポート数がＭの場合Ｎ×Ｍスイッチという。本実施形態では、互いに反対向きの進行方向になるように切り替える必要があるので、例えば２×２スイッチを用いる。

本実施形態の光学的測定装置は、光源と、検出器と、前記光源からの光を入力する第１のポートと、前記検出器へ光を出力する第２のポートと、試料と光を送受するための第１の伝送路と接続する第３のポートと、試料と光を送受するための第２の伝送路と接続する第４のポートとを有する光スイッチとを備える。前記光スイッチは、前記第１のポートと前記第３のポートが接続されかつ前記第２のポートと前記第４のポートが接続された状態と、前記第１のポートと前記第４のポートが接続されかつ前記第２のポートと前記第３のポートが接続された状態と、を切り替える光スイッチである。
第１及び第２の伝送路は、例えば光ファイバや導波路等である。

（第１の実施形態）
本実施形態は、非相反損失特性を測定する測定装置及び方法に関する。本実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、非相反損失特性を測定するために組み立てられた光回路である。図１の測定装置は、光源１と、光スイッチ４と、検出器３を備える。検出器３は例えば光検出器であり、光スイッチ４は例えば２×２光ファイバスイッチである。図１（ａ）と図１（ｂ）は、光スイッチの２つの状態を示している。光源と光検出器は、２×２光ファイバスイッチの同じ側に接続されている。２×２ファイバ光スイッチのもう一方の側に、試料２の一方向の面と反対方向の面が、光ファイバとファイバコリメータを介して接続されている。試料２の一方向の面と反対方向の面に位置するファイバコリメータは、ファイバからの出射光をレンズで平行光にしたり、平行ビームをファイバに入射させたりするための部品である。２×２光ファイバスイッチの２つの状態は、光が入射する方向が反対方向である以外は全く同じ状態である。試料２中に矢印で示したように、図１（ａ）では、光の伝搬は上から下に、図１（ｂ）では、下から上である。２×２光ファイバスイッチの２つの状態で検出される光の相違は、試料を通過する互いに反対方向の光の吸収の差に対応しており、即ち、試料の非相反吸収に対応している。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の動作原理と同様であり、さらに光スイッチのスイッチングを制御する機構を付加した、非相反損失特性の測定装置及び方法に関する。本実施形態について、図２を参照して説明する。図２は、ロックインアンプを使用した非相反損失の測定をする光回路である。図２の測定装置は、光源１と、光スイッチ４と、検出器３とを、第１の実施形態と同様に備え、さらに、ロックインアンプ（Ｌｏｃｋ−ｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）５と、パルス発生器（Ｐｕｉｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）６とを、備える。パルス発生器６により発生した連続した電気パルスは、２×２光ファイバスイッチを作動させ、２つの状態を交互に生成する。また、この電気パルスはロックインアンプの基準信号として使用する。ロックインアンプを使用して、ロックイン技術により、特定の信号のみを検出器により検出する。検出された信号は、２×２光ファイバスイッチが２つの状態を交互に生成する周波数に変調したものである。この変調された光信号の強度は、試料の非相反損失値に比例する。ロックインアンプによりこの変調した周波数を、高感度、高精度で測定できる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、第２の実施形態と同様である装置に、さらに試料の光の入射部及び出射部に２つの偏光子を配置した、ファラデー回転角測定用の装置及び方法に関する。本実施形態について、図３を参照して説明する。図３は、ファラデー回転を測定する光回路である。図３の測定装置は、光源１と、光スイッチ４と、検出器３と、ロックインアンプ５と、パルス発生器６とを、第２の実施形態と同様に備え、さらに、試料の光入射面と出射面に２つの偏光子（Ｐ１、Ｐ２）とを備える。本実施形態では、２個の偏光子の偏光角は４５度異なる。即ち、２個の偏光子の偏光軸の角度は４５度である。２個の偏光子の間の角度が４５度であることによって、ファラデー回転角を高精度かつ高感度で測定できる。その理由を簡単に説明する。ファラデー効果は非相反効果であるので、偏光は、光が入ってくるのが、反対方向から入って来るときは、反対方向に回転する。例えば、光の入って来る方向が図示上からの方向の時は、ファラデー回転は＋で、偏光子における光の偏光は４５度以上であり、検出された信号は小さい（図１２参照）。一方、光の入って来る方向が図示下からの方向の時は、ファラデー回転は−で、偏光子における光の偏光は４５度以下であり、検出された信号は大きい。２個の偏光子を通過した光曲線の、４５度及び−４５度における微分値は一番大きいからである。
また、ロックインアンプで、互いに反対方向の進む光の違いを検出することで、高精度かつ高感度でファラデー回転角を測定できる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、磁気円二色性（ＭＣＤ）測定用の装置及び方法に関する。本実施形態では、第３の実施形態と同様である装置に、さらに試料の光入力部及び光出力部に、それぞれ四分の一波長板を配置した。本実施形態について、図４を参照して説明する。
図４は、ＭＣＤを測定する光回路を示している。図の光回路は、試料と偏光子（Ｐ１、Ｐ２）の間に２個の四分の一波長板（ＱＷ１、ＱＷ２）を挿入したこと以外は、図３に示した光回路と同じである。２個の偏光子の偏光軸は同じ軸上である。２個の四分の一波長板の軸の間の角度は９０度である。偏光子と四分の一波長板の軸の間の角は４５度（又は−４５度）である。例えば、ＱＷ１とＰ１は４５度の違い、ＱＷ２とＰ２は−４５度の違いである。

図５は、図４の装置を用いる場合の、互いに反対向きの伝播方向における光の偏光状態を説明したものである。Ｐ１、ＱＷ１から試料を介してＱＷ２、Ｐ２に向かう伝播方向を上段に記載し、便宜上、順方向（ｆｏｒｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼び、その反対方向を下段に記載し、逆方向（ｂａｃｋｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。図５の上下各段の上部に、偏光のｘ成分とｙ成分の位相の様子を示し、下部に、ｚ軸に沿って光が伝播するときの偏光ベクトルを示す。順方向では、ｚ軸は紙面から手前（ｖｉｅｗｅｒ）向き、逆方向では、ｚ軸は手前（ｖｉｅｗｅｒ）から紙面に向いている。

図５において、２つの偏光子（Ｐ１、Ｐ２）の軸はｘ軸に対してそれぞれ４５度である。四分の一偏光板ＱＷ１の低速軸はｙ軸であり、四分の一偏光板ＱＷ２の低速軸はｘ軸である。図上段に示す順方向について説明する。順方向では、偏光子Ｐ１の後、光は直線偏光である。偏光のｘ成分とｙ成分は同じであり、位相も同じである。四分の一波長板ＱＷ１の後、偏光のｘ成分はｙ成分より９０度進み、偏光は右円偏光である。右円偏光の光は試料を通過する。四分の一波長板ＱＷ２を通過後、偏光のｘ成分及びｙ成分は位相が同じであり、偏光は直線偏光である。偏光方向は、偏光子Ｐ２の偏光軸に沿い、光は偏光子Ｐ２をブロッキングされることなく通過する。

図下段に示す逆方向について説明する。逆方向では、偏光子Ｐ２を通過した後の光は、直線偏光である。偏光のｘ成分とｙ成分は等しく、その位相は逆位相である。これは、ｘ成分がｙ成分より１８０度進んでいることを意味する。四分の一波長板ＱＷ２を通過後、偏光のｘ成分は、９０度遅くなり、ｙ成分より９０度進んだ状態になる。光の偏光は右円偏光である。右円偏光の光は試料を通過する。四分の一波長板ＱＷ１の後、ｙ成分が遅れる。偏光のｘ成分とｙ成分は、逆位相となり、偏光は直線偏光になる。偏光の方向は、偏光子Ｐ１に沿い、光はブロッキングされることなく偏光子Ｐ１を通過する。

よって、図４の装置によれば、図５に示すように、右円偏光の光が、試料内を順方向と逆方向に光が伝播する際の、吸収の違いを測定することができる。

なお、物質の磁気円二色性は、次に挙げる３つの方法で測定できる。
第１の方法は、物質の磁化と光の伝播方向は一定で、光の回転方向のみ変化させる方法である。例えば、光を磁化方向に伝播し、左円偏光と右円偏光の吸収の違いを測定する。
第２の方法は、光の回転方向と光の伝播方向は一定で、物質の磁化を変化させる方法である。例えば、試料を、光伝播方向と同じ方向か、光伝播方向と逆方向に、磁化させたときの、右円偏光の光の吸収の違いを測定する。
第３の方法は、光の回転方向と物質の磁化は一定で、光の伝播方向を変化させる方法である。例えば、光の伝播方向が、試料の磁化方向と同じ方向である場合と反対方向である場合のときの、右円偏光の光の吸収の違いを測定する。

図４の装置では、第３の方法を用いている。

以上のように、本実施形態によれば、高精度かつ高感度でＭＣＤを測定することができる。本実施形態では、試料の両側に、偏光子と四分の一波長板が試料の両端に配置され、複数の偏光子の軸と複数の四分の一波長板の軸は、円偏光の光が試料を通過するように配置されている。

（第５の実施形態）
本実施形態は、第４の実施形態と一部構成の異なる、ＭＣＤを測定する装置及び方法に関する。本実施形態について、図６を参照して説明する。図６の測定装置は、偏光光源１１と、偏光維持ファイバと、光スイッチ４と、四分の一波長板（ＱＷ１、ＱＷ２）と、検出器３とを備え、さらに、ロックインアンプ５と、パルス発生器６とを、備える。パルス発生器６により発生した連続した電気パルスは、２×２光ファイバスイッチ４を作動させ、２つの状態を交互に生成する。ロックインアンプ５を使用して、ロックイン技術により、試料からの光を検出器３により検出する。四分の一波長板（ＱＷ１、ＱＷ２）は、それぞれコリメーターと試料２の間に挿入されている。入力／出力ファイバの軸と四分の一波長板の軸の角度が４５度回転している時は、左円偏光の吸収は高精度で測定できる。また、この角度が−４５度の時は、右円偏光の吸収は高精度で測定できる。この角度が試料の一つの面で＋４５度で、もう一つ面で−４５度の時は、左円偏光と右円偏光の吸収の差を測定できる。

図１３と図３の光回路に比べ、本実施形態の光回路の利点は、左円偏光と右円偏光の吸収が各々、別々に高精度で測定できることである。図１３と図３の光回路では、左円偏光と右円偏光の吸収の差のみが観測できる。

（第６の実施形態）
本実施形態は、非線形吸収特性を測定する装置及び方法に関する。本実施形態について、図７を参照して説明する。図７は、非線形吸収を測定する光回路である。図７の測定装置は、光源１と、光スイッチ４と、検出器３とを、第１の実施形態と同様に備え、さらに、減衰器（Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）７を備える。減衰器７は試料の一方の側と光スイッチの間に挿入されている。図７の（ａ）と（ｂ）は、光スイッチ４の２つの状態を示している。

図７（ａ）のように、光スイッチ４の一つの状態では、光が減衰器７を通過してから試料２を通過する。図７（ｂ）のように、光スイッチの別の状態では、光が試料２を通過してから減衰器７を通過する。図７（ａ）（ｂ）の光スイッチの２つの状態で、強度の違う光が試料を通過する。それに対して、図７の（ａ）（ｂ）では、パルス振幅を図示したように、検出器３では光スイッチの２つの状態で光の強度はほぼ同じである。その理由は、光スイッチの２つの状態で、光は、光源から出て同じ光素子を通り、検出器に行くからである。ここで、試料の吸収が光の強度に依存しない場合、検出器の光の強度は光スイッチの２つの状態では完全に同じである。試料の吸収が光の強度に依存する場合は、検出器における光の強度は光スイッチの２つの状態では小さな差がみられる。

この小さな差は、図２のように、ロックインアンプを使用して、高精度で測定でき、試料の非線形吸収が測定できる。また、減衰器として、可変減衰器を使用する場合は、非線形吸収の光強度依存性が測定できる。

（第７の実施形態）
本実施形態は、反射モードにおける磁気カー回転の測定及びＭＣＤの測定のための装置及び方法に関する。本実施形態について、図８を参照して説明する。図８は、カー回転角又はＭＣＤを測定する光回路である。

図８の測定装置は、光源１と、光スイッチ４と、検出器３とを、第１の実施形態と同様に備え、さらに、ロックインアンプ５と、パルス発生器６とを備え、さらに、第１の偏光子Ｐ１、第１の四分の一波長板ＱＷ１、ハーフミラー８、対物光学系９、第２の四分の一波長板ＱＷ２、第２の偏光子Ｐ２を備える。

本実施形態の光回路は、図１４に示された従来の光回路と似ているが、本実施形態の光回路では、光スイッチ４が、試料２と検出器３との間に、かつ試料２と光源１との間に、設けられている点が大きく異なる。また、ロックインアンプを使用することにより、従来の光回路に比べて、カー回転角やＭＣＤが高精度かつ高感度で測定できる。

図８の測定装置では、複数の偏光子と複数の四分の一波長板が、ファイバコリメータの後に挿入されている。

光が金属により反射されるとき、光の一部は吸収される。この場合、金属が磁性体であったり、外部磁場が印加されているとき、反射後、左偏光又は右偏光の吸収が異なる。この効果は、反射モードのＭＣＤ効果を呼ばれる。図８の装置において、ＭＣＤ効果を測定する場合は、２つの偏光子（Ｐ１、Ｐ２）の偏光軸の角を９０度として設定する。また、２つの四分の一波長板（ＱＷ１、ＱＷ２）の軸の方向は同じに設定し、また、偏光子と四分の一波長板の偏光軸の角度は、４５度に設定する。

図８の装置において、カー回転角を計測する場合は、四分の一波長板ＱＷ１と四分の一波長板ＱＷ２の軸の角度は、４５度に設定する。２つの偏光子（Ｐ１、Ｐ２）の偏光軸の角度は同じに設定する。

図９は、図８の装置を用いて、反射モードのカー効果測定を行う場合の、互いに反対向きの伝播方向における光の偏光状態を説明したものである。Ｐ１、ＱＷ１から試料を介してＱＷ２、Ｐ２に向かう伝播方向を上段に記載し、便宜上、順方向（ｆｏｒｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼び、その反対方向を下段に記載し、逆方向（ｂａｃｋｗａｒｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ぶ。図９の上下各段の上部に、偏光のｘ成分とｙ成分の位相の様子を示し、下部に、ｚ軸に沿って光が伝播するときの偏光ベクトルを示す。

順方向では、ｚ軸の向きは、反射前は紙面から手前（ｖｉｅｗｅｒ）向きであり、反射後は手前（ｖｉｅｗｅｒ）から紙面へ向いている。ｘ１軸とｙ１軸は、それぞれｘ軸とｙ軸に対して４５度回転した軸である。四分の一波長板ＱＷ１と四分の一波長板ＱＷ２の軸間の角度は、４５度である。２つの偏光子（Ｐ１、Ｐ２）の偏光角度は同じである。

図９は、カー回転がない場合のシンプルなケースを示す図である。
光の伝播方向が順方向の場合について説明する。順方向では、偏光子Ｐ１通過後の光は、ｘ成分とｙ成分の振幅が同じ直線偏光である。ｘ成分とｙ成分は同位相である。四分の一波長板ＱＷ１の後、光は右円偏光になる。試料での通常の反射の後、光の偏光は左円偏光に変わる。ｘ１軸とｙ１軸は、四分の一波長板ＱＷ２のそれぞれ低速軸と高速軸になる。四分の一波長板ＱＷ２を光が通過すると、光の偏光は直線偏光になり、偏光子Ｐ１とＰ２の偏光角度に対してそれぞれ４５度になる。よって、半分の光のみが偏光子２を通過する。

光の伝播方向が逆方向の場合について説明する。逆方向では、偏光子Ｐ２通過後、光の偏光は、直線偏光で、ｙ１軸に沿っている。光の偏光方向は、四分の一波長板ＱＷ２によって変化することはなく、入射光と反射光は直線偏光である。偏光のｘ軸とｙ軸の振幅は、同じである。四分の一波長板ＱＷ１の後、光の偏光は、右円偏光になる。半分の光のみが偏光子Ｐ１を通過する。

上述のように、カー回転がない場合、出力光の強度は、順方向及び逆方向のどちらも同じであり、入力光の強度の半分である。図８の装置の例では、それぞれ反対向きの方向の間での光強度の相違を計測するので、試料によるカー回転がないと、相違がない。

試料によるカー回転がある場合、順方向と逆方向とで、計測された光の強度に差がある。順方向の場合、円偏光は試料で反射される。カー回転は検出強度に影響を与えない。なぜなら、既に回転している偏光は、追加のカー回転により偏光が変わらないからである。しかし、逆方向の場合は、異なり、出力光の強度はカー回転角に依存する。例えば、反射後、ｘ軸に向かって偏光が回転したら、偏光のｙ成分はより小さくなる。そのため、四分の一波長板ＱＷ１の後、偏光は楕円偏光になる。その結果、出力光の強度は弱くなる。

図１０は、図８の装置を用いて、反射モードのＭＣＤ測定を行う場合の、互いに反対向きの伝播方向における光の偏光状態を説明したものである。図の上段に示した順方向の場合、試料への入射光は右円偏光である。図の下段に示した逆方向の場合、入射光は左円偏光である。図１０に示すように、図８の装置で、試料への入射光が、左円偏光と右円偏光の違いによる光強度の差を計測する。２つの偏光子（Ｐ１、Ｐ２）の偏光軸間の角度は９０度である。図中、Ｐ１が偏光軸４５度、Ｐ２が偏光軸−４５度である。また、２つの四分の一波長板（ＱＷ１、ＱＷ２）の偏光軸は同じである。

以上、実施形態では、非相反損失特性の測定、ファラデー回転角の測定、光磁気円二色性（ＭＣＤ）の測定、非線形吸収特性の測定、カー回転角の測定について説明したが、本実施形態で示した測定装置は、光スイッチにより、試料への光の入力を切り替える測定に用いることができる。

なお、前記実施形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

１ 光源
２ 試料
３ 検出器
４ 光スイッチ
５ ロックインアンプ
６ パルス発生器
７ 減衰器
８ ハーフミラー
９ 対物光学系
１１ 偏光光源
１２ 偏光子
１３ 検光子
１４ 光弾性変調器
Ｐ１ 第１の偏光子
Ｐ２ 第２の偏光子
ＱＷ１ 第１の四分の一波長板
ＱＷ２ 第２の四分の一波長板

Claims (14)

1. 光源と、
   検出器と、
   前記光源からの光を入力して前記光を試料へ出力し、前記試料からの光を入力して前記検出器へ出力する光スイッチであり、前記試料との光の入出力の接続状態を２つの状態間で切り替える光スイッチとを
   備えることを特徴とする光学的測定装置。
2. 前記光スイッチは、
   前記光源からの光を入力する第１のポートと、前記検出器へ光を出力する第２のポートと、試料と光を送受するための第１の伝送路と接続する第３のポートと、試料と光を送受するための第２の伝送路と接続する第４のポートとを有し、前記第１のポートと前記第３のポートが接続されかつ前記第２のポートと前記第４のポートが接続された状態と、前記第１のポートと前記第４のポートが接続されかつ前記第２のポートと前記第３のポートが接続された状態を２つの状態間で切り替える光スイッチであることを特徴とする請求項１記載の光学的測定装置。
3. パルス発生器を備え、該パルス発生器により前記光スイッチがスイッチング制御されることを特徴とする請求項１又は２記載の光学的測定装置。
4. 第１の偏光子が、前記第１の伝送路と試料の間に配置され、第２の偏光子が、前記第２の伝送路と試料の間に配置されていることを特徴とする請求項２又は３記載の光学的測定装置。
5. 第１の四分の一波長板が、前記第１の伝送路と試料の間に配置され、第２の四分の一波長板が、前記第２の伝送路と試料の間に配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の光学的測定装置。
6. 前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子は、少なくとも偏光軸が＋４５度又は−４５度の角度をなすことを特徴とする請求項４又は５記載の光学的測定装置。
7. 前記第１の偏光子と試料の間に第１の四分の一波長板が配置され、かつ、前記第２の偏光子と試料の間に第２の四分の一波長板が配置されていることを特徴とする請求項４記載の光学的測定装置。
8. 前記第１の偏光子、前記第１の四分の一波長板、前記第２の偏光子、及び前記第２の四分の一波長板の、偏光軸は、試料に入射する光が、前記光スイッチの切り替え時に、同じ偏光状態の光となるように設定され、前記切り替えにより、試料の磁化方向との関係が逆になることを特徴とする請求項７記載の光学的測定装置。
9. 前記第１の偏光子、前記第１の四分の一波長板、前記第２の偏光子、及び前記第２の四分の一波長板の、偏光軸は、試料に入射する光が、前記光スイッチの切り替え時に、偏光状態が切り替えられるように、設けられていることを特徴とする請求項７記載の光学的測定装置。
10. 前記光学的測定装置は、磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性のいずれか１以上を測定する装置である請求項１乃至９のいずれか１項記載の光学的測定装置。
11. 前記光スイッチの切り替えにより、試料内を通過する光の向きを切り替えることを特徴とする請求項１記載の光学的測定装置。
12. 減衰器が、前記光スイッチと前記試料の間に配置され、前記試料に入射して透過する光の向きを切り替えることにより、試料に入射する光の強度を切り替えることを特徴とする請求項１１記載の光学的測定装置。
13. 前記光スイッチの切り替えにより、前記試料へ入力する偏光状態を切り替えることを特徴とする請求項１記載の光学的測定装置。
14. 磁気光学特性、非相反光学特性、非線形光学特性のいずれか１以上を測定する光学的測定方法であって、
    光源からの光を入力して前記光を試料へ出力し、前記試料からの光を入力して検出器へ出力する光スイッチを備え、
    前記光スイッチで、前記試料との光の入出力の接続状態を２つの状態間で切り替えることにより、試料へ入力する光の向き及び偏光状態のいずれか１以上を切り替えることを特徴とする光学的測定方法。

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