JP3778670B2 - Opto-magneto-optic effect measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気旋光に関する光−磁気光学効果(ファラデー効果および/または磁気的カー効果)の測定技術に関し、詳しくは、試料の短波長帯域における当該効果を測定するための光−磁気光学効果測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32(1993)の989〜995頁に、今日知られている最も新しい光−磁気光学効果測定装置が紹介されている。この装置では、光源からの光を分光器に入射して必要な波長の光をとりだす。とりだされた光は第1の偏光子によって直線偏光にされたあと試料に照射される。ここで試料には電磁石によって磁場が印加される。ファラデー効果を測定する場合には試料を透過した光を観察し、磁気的カー効果を測定する場合には試料で反射した光を観察する。いずれの場合にも試料を透過ないし試料で反射した光は、第2の偏光子を通過したあとにその強度が検出される。上記の測定手法は、クロス−ニコル法、ファラデーセル法、回転検光子法、円偏光変調法の場合に共通である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の光−磁気光学効果を利用した超高密度記憶技術では、その記憶密度を向上させるために、ますます短波長の光が利用される傾向にあり、極短波長帯域での光−磁気光学効果の測定技術の実現が望まれている。例えば、上記論文に記載の光−磁気光学効果測定装置においても短波長光での測定が可能となるように改良されており、波長210nm前後までの測定が可能である。
【0004】
しかしながら、上述の論文に記載された装置によっても波長200nm以下での測定は不可能である。すなわち、真空紫外光といわれる200nm以下の短波長域の光は、大気中又はレンズ等での吸収・減衰が著しいからである。従って、200nm以下の波長域での測定を可能とするためには、単に重水素ランプのような当該波長域にも連続スペクトルを有する光源を用いればよいというものでなく、測定を実現させるために必要なS/N比を確保することができるためのブレークスルーを必要とする。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、そのブレークスルーを実現し、波長200nm以下の短波長光による光−磁気光学効果の測定を可能とする光−磁気光学効果測定装置を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては、光源部と、その光源部からの光を分光して必要な波長の光をとりだす分光器と、その分光器でとりだされた光を偏光する第1の偏光子と、試料に磁場を印加する手段を備えた試料保持部と、該第1の偏光子から該試料保持部に装着された試料に照射された光であって該試料を透過した光または該試料で反射した光を通す第2の偏光子と、その第2の偏光子を通過した光の強度を検出する光検出器とを備えた光−磁気光学効果測定装置において、
その光源部は波長200nm以下の短波長光を放射し得るように構成されており、
該光源部から該光検出器に至る該短波長光の光路は該試料保持部とともに密閉可能な容器内に収容されており、
該容器は、試料保持部を包含する容器と第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器との間において前記短波長光を透過可能且つ相互にガス流通不能な状態で隔てる真空紫外光透過部材を備え、
ここで、該試料保持部を包含する容器には該容器内のガスを置換するための換気口が開閉可能に備えられている一方、該第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器には該容器内のガスを排出するための排気手段が備えられており、
光−磁気光学効果測定の際には、該試料保持部を包含する容器内を酸素を含まない気体に置換するとともに該第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器内を真空状態とすることが実現されることを特徴とする光−磁気光学効果測定装置を提供する。
なお、本明細書において「真空」とは、工学的な述語としての真空を指し、いわゆる絶対真空を意味するものではない。従って、波長200nm以下のいわゆる真空紫外光がさほど減衰しないで透過し得る程度にまで減圧された空間の状態は本明細書における真空状態の典型である。
【0006】
本発明においては、上記光源部から光検出器に至るまでの光路が上記容器内の密閉空間に確保される。さらに、上記光路を阻むことなく、当該容器が上記試料保持部を含有し上記換気口を備えた部分と上記試料保持部を含有せず上記排気手段を備えた部分とに相互に気密した状態で区分されている。これにより、上記光路の大部分(即ち試料保持部を包含する容器と第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器)を真空下におく一方、試料保持部の周囲については酸素を含まない気体に置換することができる。従って、試料保持部を外気と等しい気圧下に保ち、当該試料保持部における試料の取り替え作業を簡便に行うことができる。また、光−磁気光学効果測定時にも試料保持部が減圧されないので、種々の形状および性質の試料の測定に適用し得る。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に本発明の光−磁気光学効果測定装置の好適な実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0010】
先ず、第一の実施形態として本発明の第一の装置として好適な測定装置について説明する。なお、図1は本実施形態に係る光−磁気光学効果測定装置の外観を模式的に示した平面図である。また、図2は、本実施形態に係る光−磁気光学効果測定装置における種々の主要構成要素(光学素子)のレイアウトをファラデー効果測定部を装着した状態で模式的に示す平面図である。
図1に示すように、本実施形態に係る測定装置は、大まかにいって、後述する重水素ランプ102およびキセノンランプ108を光源として備えた光源部101と、当該光源部101から放射された光を分光しつつ所望する波長の光を取り出すための分光器120と、図2に明示される第1偏光子150、第2偏光子156、およびカー効果測定用光検出器等の光学素子を収容する光学系ボックス165と、試料176に磁場を印加する手段に相当する電磁石172および当該電磁石172に包囲されるように形成された試料保持部175とから構成されており、これら主要構成要素はいずれも定盤200(即ちoptical bench といわれる光学台)上に配置されている。
【0011】
而して、図1に示すように、光源部101のうち波長200nm以下の短波長光を発生させる部分(即ち重水素ランプ102に係る部分)、分光器120、光学系ボックス165および電磁石部169(上記電磁石172と試料保持部175を包含する。以下同じ。)は、それぞれが密閉可能な容器106,142,166,170に収容されている。これら容器106,142,166,170は、内部を真空状態として容器内外に過大な気圧差が生じた際にもその形状を保ち得る高強度の材質(好ましくは真空乾燥器等に用いられ得る金属若しくはガラス)で形成されるとともに相互に通気可能な状態でシールド処理(例えば、溶接或いは容器が肉厚ガラス等から成る場合はグリースを介したすり合わせ)が施されている。これにより、本実施形態に係る測定装置を構成する種々の光学素子(キセノンランプ108系を除く)を収容する全体として一つの容器が形成される。このことによって、波長200nm以下の短波長光に光源部から試料を介してカー効果測定用光検出器に至る光路が当該容器内に収容される。
【0012】
一方、光源部101(重水素ランプ102系)を収容する容器106および光学系ボックス165を収容する容器166の一端には、各々、本実施形態における上記排気手段に相当する電磁弁等の制御バルブ113,116を備えた排気管114,115が設けられている。これにより、図示しない外部の真空ポンプやアスピレータ等のガス吸引装置を当該排気管114,115に接続することによって、容器106,142,166,170内部のガスを吸引・除去し、当該容器106,142,166,170内を真空状態とすることができる。従って、本実施形態に係る測定装置においては、波長200nm以下の短波長光に光源部101から試料176を介して後述するカー効果測定用光検出器に至る光路を真空条件下におくことができる。
【0013】
以下、本実施形態に係る測定装置の主要構成要素および本測定装置における測定手順について詳細に説明する。
【0014】
本実施形態に係る測定装置の光源部101には、上記の通り、光源として二種類のランプすなわち重水素ランプ102およびキセノンランプ108が備えられている。このうち、重水素ランプ102によって波長200nm以下の短波長光を含む光を好適に放射することができる。図2に示すように、重水素ランプ102より放射された短波長光は、凹面反射鏡104で反射集光されて分光器120の第1入射スリット121に入射される。凹面反射鏡104は石英(これに代えてSiCとしてもよい)の表面を研磨し、研磨面にPt(これに代えてAuとしてもよい)をコートし、さらにこのうえにAl−MgF2 をコートすることによって作製されており、ランプ強度の低い160nmにおいて最もよく反射する特性とされている。ここで160nmにおける反射率は84〜86%である。なお、後述する各反射鏡および凹面反射鏡にも同様の表面処理が施されており、短波長光を高効率で反射することができる。なお、上述のとおり、重水素ランプ102から第1入射スリット121に至る光路は、上記排気手段を備えた容器106内に確保されている。このため、当該容器106内を上述のようにして真空状態とすることによって、重水素ランプ102から発生する200nm以下の短波長光は殆ど減衰することなく分光器120に入射することができる。
【0015】
一方、図1および図2中の108はキセノンランプであり、重水素ランプ102よりも長波長側に発光波長帯域を有している。すなわち、キセノンランプ108と重水素ランプ102の発光波長帯域はオーバーラップし、200nm以下の短波長光を包含する波長300nm以下では重水素ランプ102が優先的に用いられ、波長300nm以上ではキセノンランプ108が用いられる。なお、波長300nm以上の光は酸素等の気体で減衰しにくいために、本実施形態においては、キセノンランプ108は大気中で用いられるようにレイアウトされている。而して、本光源部101におけるキセノンランプ108からの光は、凹面反射鏡110と反射鏡112によって集光、反射されて分光器120の第2入射スリット122に入射される(図2)。
【0016】
次に、本実施形態に係る測定装置の分光器120について詳細に説明する。本実施形態に係る分光器120は、波長200nm以下の短波長光をさほど減衰させずにとりだすため、プリズム、レンズ等の短波長光を強く減衰させる光学素子を用いることなく構成されている。すなわち、図2に示すように、この分光器120は、第1入射スリット121と第2入射スリット122の内側近傍に切換ミラー123を備えており、いずれか一方の入射スリット121,122からの光を凹面反射鏡126に導くように構成されている。なお図2中(m)の記号は、ステップモータ(m)によって可動な素子を示し、例えば切換ミラー123はステップモータ123mによって切換えられる。各ステップモータは、本測定装置に接続されるコンピュータ192によって制御される。なお、切換ミラー123はハンドル123aによって手動でも切換可能となっている(図3参照)。
【0017】
図3に示すように、この分光器120においては、第1入射スリット121および第2入射スリット122のいずれかから入射された光は、切換ミラー123で反射されたあと、凹面反射鏡126で反射されて回析格子130、132、134のうちのいずれかに入射される。これら3枚の回折格子130、132、134は回転台128のうえに平面視で三角形をなすようにおかれ、回転台128は図中矢印に示すように回転していずれか1枚の回折格子を選択的に使用することができるようになっている。なお、図3は回折格子134が使用位置に置かれている状態を示している。回転台128は、ステップモータ128mとウォームギヤ129で回転される。回折格子130は最も格子間距離が短く、波長400nm以下の分光に用いられる。他方、回折格子134は最も格子間距離が長く、波長800nm以上の分光に用いられる。また、回折格子132は中間の格子間距離を有し、波長400nm〜800nmの分光に用いられる。
ステップモータ128mは使用する回折格子を選択する他、選択された回折格子の反射角度を微調整して凹面反射鏡136に向けて反射される光の波長を切換えるようにも用いられる。いずれか一つの回折格子の角度調整によって選ばれた波長の光は凹面反射鏡136と反射鏡138で反射されて出射スリット140に集光される。このようにして分光器120からは測定に必要な波長の光がとりだされる。なお、上述のとおり、この分光器120についても全体が密閉可能な容器142に収容されており、当該容器142内を上述のようにして真空状態とすることによって、分光器120内における波長200nm以下の短波長光の減衰が防止される。
【0018】
次に、本実施形態に係る測定装置の光学系ボックス165について説明する。
上記出射スリット140の直後には、回折格子から同一角度に反射される光のうち、高次の次数を持つ回折光を除去するためのフィルタ144が設置されている。このフィルタ144には、図3(B)によく示されているように、軸144xを中心に回転する円板に6個の貫通孔が設けられており、うち5個の貫通孔には特定波長をカットするフィルタ板が組込まれている。各フィルタ板のカットする波長帯域特性は相互に異っており、使用する波長にあわせて使用するフィルタ板が切換えられる。他方、貫通孔144aにはフィルタ板が組込まれておらず、光は素通りする。貫通孔144aおよびフィルタ板144b〜144fは、フィルタ用モータ144mとその回転軸145によって切換えられる。
【0019】
一方、図2に示すように、このフィルタ144の後方には、凹面反射鏡146と、反射鏡148と、第1偏光子150と、光弾性変調器(モジュレータ)152とが備えられており、フィルタ144で選ばれた特定波長の光を直線偏光および円偏光に変えることができる。
すなわち、分光器120と高次の回折光をカットするフィルタ144で選ばれた特定波長の光は、次いで、凹面反射鏡146と、反射鏡148で集光、反射されて試料176に向けられる(図2)。凹面反射鏡146は光を試料176の表面に集光する。反射鏡148は、水平軸と垂直軸のまわりに回転可能となっており、試料176からの反射光が後記の凹面反射鏡158に入射されるように角度が調整される。このために反射鏡148には水平モータ148m1と垂直モータ148m2が取り付けられている。
【0020】
図4に示すように、第1偏光子150を通過した光は直線偏光された状態となる。得られた直線偏光波は、次いで、光弾性変調器152を通過する。なお、本実施形態において光弾性変調器152は、50KHzの周波数で振動するピエゾ素子を内蔵しており、その振動方向は直線偏光波に対して反時計方向に45°傾けられている。すなわち、図4に示すように、直線偏光波は、それから時計方向に45°傾いた面内の波と(図中白抜きで表示される)と、反時計方向に45°傾いた波(図中黒い波で表示される)との合成であると考えられ、光弾性変調器152は、振動方向の波(黒色の波)の位相を変え、それに直角方向の波(白抜きの波)の位相を変えない。ここで位相の変化は振動数(50KHz)に等しい周波数で遅れたり進んだりする。すなわち光弾性変調器152を通った光は円偏光に変調され、その変調周波数はこの場合50KHzとなる。以上のようにして、分光器120とフィルタ144とで波長が選ばれた後、第1偏光子150と光弾性変調器152によって50KHzの周波数で円偏光された光は、絞り154を通過した後に試料176に入射される。
なお、上述のとおり、上記第1偏光子150や光弾性変調器152等を収容する光学系ボックス165についても全体が密閉可能な容器166に収容されており、当該容器166内を上述のようにして真空状態とすることによって、当該光学系ボックス165内における波長200nm以下の短波長光の減衰が防止され、殆ど減衰することなく電磁石部169における試料176に入射される。
【0021】
次に、本測定装置における電磁石部169について説明する。
図2に示すように、本測定装置において光−磁気光学効果を測定しようとする試料176は、光照射面が平面の試料ホルダ174に収容され、電磁石172の装着部172aに挟まれた空隙によって形成された試料保持部175に装着される。この試料ホルダ174には短波長光を吸収しない材質(典型的には溶融石英)で形成された光透過窓が設けられている。また、この試料ホルダ174には、液体窒素を断熱膨張させて試料176を冷却する冷却装置と、試料176を加熱するヒータ(いずれも図示せず)が組込まれており、試料温度を80〜600°kの範囲で可変としている。また試料ホルダ174の内部は好ましくは不活性ガスで満され、試料の加熱時に試料が酸化することを防止する。
而して、図1および図2に示すように、上記試料ホルダ174は、光路を確保するための孔が形成された電磁石172の装着部172aにセットされ、試料176に20KOeまでの磁場を印加することが可能となっている。ここで本実施形態においては、一方の装着部172a(光学系ボックス165寄り)にOリング171が適宜装備されている。これにより、上記試料ホルダ174を試料保持部175においてOリング171をはさんで上記装着部172aに押し付けて密着保持することができる。このことによって、当該電磁石部169を収容する容器170内を真空状態とした際にも、上記試料ホルダ174の光照射面を安定保持することができ、測定の再現性を確保することができる。
【0022】
次に、本測定装置におけるカー効果を測定するための第2偏光子156および光検出器の配置部分について説明する。
図2に示すように、上記光学系ボックス165において、カー効果測定用光検出器(即ちゲルマニウムダイオード160および光電子増幅管162。以下同じ。)とカー効果測定用第2偏光子156と、凹面反射鏡158を試料176を反射した光を測定し得る位置にセットしている(図1)。ここで、第2偏光子156はステップモータ156mで面内で回転可能となっており、後述のように、校正時に回転されたあとでゼロ角度に調製される。一方、カー効果測定用光検出器を構成する光電子増幅管162は短波長の検出に用いられ、ゲルマニウムダイオード160は長波長の検出に用いられる。凹面反射鏡158aはステップモータ158mで回転されて、測定光を光電子増幅管162aとゲルマニウムダイオード160aのいずれか一方に集光する。なお、第2偏光子156はステップモータ156mで面内で回転可能となっており、後述のように、校正時に回転されたあとでゼロ角度に調製される。光電子増幅管162は短波長の検出に用いられ、ゲルマニウムダイオード160は長波長の検出に用いられる。凹面反射鏡158はステップモータ158mで回転されて、測定光を光電子増幅管162とゲルマニウムダイオード160のいずれか一方に集光する。なお、上述のとおり、光学系ボックス165の容器166内は真空状態とすることができるので、試料176から反射された短波長光は上記光電子増幅管162およびゲルマニウムダイオード160のいずれか一方に到達する前に光路途上で減衰されることがない。
【0023】
ところで、図1には、本実施形態に係る測定装置としてカー効果を測定するための装置の概要を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、カー効果測定用と同様の光学素子を適宜配することによって、ファラデー効果を測定する装置とすることができる。
すなわち、図2に示すように、ファラデー効果を測定するため、ファラデー効果測定用光検出器(上記カー効果測定用と同様のゲルマニウムダイオード160aおよび光電子増幅管162a。)とファラデー効果測定用第2偏光子156aと、凹面反射鏡158aを試料176を反射した光を測定し得る位置にセットしている(図2)。なお、上記カー効果測定用と同様、第2偏光子156aはステップモータ156mで面内で回転可能となっており、後述のように、校正時に回転されたあとでゼロ角度に調製される。光電子増幅管162aは短波長の検出に用いられ、ゲルマニウムダイオード160aは長波長の検出に用いられる。凹面反射鏡158aはステップモータ158mで回転されて、測定光を光電子増幅管162とゲルマニウムダイオード160のいずれか一方に集光する。
【0024】
ところで、図2に示すように、ファラデー効果測定部において、ファラデー効果測定用光検出器160a,162aおよび第2偏光子156aは、いずれも上記容器106,142,166,170と同様に密閉可能な容器178に収容されており、電磁石部169の容器170と通気可能な状態でシールド処理され連結している。このため、当該容器178内における光路についても真空下におくことができ、試料176を透過した短波長光は上記光電子増幅管162aおよびゲルマニウムダイオード160aのいずれか一方に到達する前に光路途上で減衰されることがない。
【0025】
以上、本測定装置を各主要構成要素ごとに説明したが、その全体の構成の概略を図5にまとめた。本図は光学系に焦点をあてた図であり、上記重水素ランプ102又はキセノンランプ108からの光が光電子増幅管162又はゲルマニウムダイオード160のいずれかに入射するまでの経路を模式的に示している。
【0026】
以下、本測定装置の作動態様および測定方法について簡単に説明する。
上述の各種モータ(m)や光弾性変調器152等はコンピュータ192で制御されている。また測定データの処理もコンピュータ192でおこなわれる。従って、本測定装置においては、上述した光−磁気効果を測定するための主要構成要素の他、種々の制御装置がコンピュータ192によって制御可能に備えられている。
例えば、図2中の182と180はそれぞれ光電子増幅管162とゲルマニウムダイオード160のためのアンプである。また図2中の183は、凹面反射鏡158と連動して切換えられるスイッチであり、凹面反射鏡158が測定光をゲルマニウムダイオード160に集光している間はゲルマニウムダイオード160用のアンプ180の信号をコンピュータ192に入力し、光電子増幅管162に集光している間は光電子増幅管用のアンプ182の信号をコンピュータ192に入力する。
【0027】
図2中の188は検出された光強度のうちの直流成分を検出する直流成分電圧計であり、184は変調周波数(この場合50KHz)の成分の強度を検出する第1ロックインアンプ、186はその2倍の周波数(100KHz)の成分を検出する第2ロックインアンプである。それぞれの出力値はコンピュータ192に入力され、コンピュータ192によって処理された結果が表示装置194に表示される。なお、図2中の190は、フィードバック回路である。すなわち光電子増幅管162の使用中は、直流成分電圧計188で検出される直流成分に応じて光電子増幅管162に印加される電圧がフィードバック制御されて、直流成分電圧計188の検出値がほぼ一定レベルとなるように光電子増幅管162のゲインがフィードバック制御される。
【0028】
図4に示されているように、本測定装置でカー効果を測定する場合、入射光と試料法線のなす角は3度以下であり、かつ反射光も同じである。この角度が3度以下であると、カー効果の測定精度が良好に保たれる。またカー効果測定用第2偏光子156は、図4に示すように、光弾性変調器152で変調された偏波をとおし、変調されない偏波を通さない角度(ゼロ角度)を基準に用いられる。
【0029】
図6および図7は、コンピュータ192を中心とする本測定装置における電気的システム構成を示している。なお、図6における実線の矢印は制御に関する電気信号線を示し、太い実線はコントロールバスを示す。他方、図7における実線の矢印は光の進路を示し、細い破線の矢印は制御に関する電気信号線を示す。
図6および図7に示すように、本測定装置においては、コンピュータ192が分光器コントローラ401を介してステップモータ123m,128mを作動させ、切換ミラー123と回折格子の種類(130、132、134のいずれか)の角度を調整する。このことによって波長の切り替えおよび光源(キセノンランプ108または重水素ランプ102)の切り替えが実現される。同様に、フィルタコントローラ402を介してステップモータ144mを作動させ、使用する貫通孔144aないしフィルタ板144b〜fのいずれかを選択することができる。また、集光系コントローラ403を介して反射鏡148のモータ148m(上記水平モータ148m1と垂直モータ148m2)の作動を制御して試料176に所望する光を照射する。
以上、光学系の制御の概略を図8に示す。図中の矢印は光の光路を示し、破線は上述の各種モータ(m)とこのモータ(m)で動く光学系機器との関係を示す。また、図中の細い実線は電気信号線を示し、太い実線はコントロールバスを示す。
【0030】
同様にして、コンピュータ192は、検出系コントローラ404を介してステップモータ156m,158mを作動させ、第2偏光子(検光子ともいう。以下同じ。)156の角度と凹面反射鏡158の角度を切換えることができる。
【0031】
一方、試料ホルダ174の近傍にはホール素子177が配置されており、試料に印加される磁場の大きさと方向(強度)がガウスメータ等の磁場測定手段405を介してコンピュータ192に入力される。また、コンピュータ192は試料ホルダ174に組込まれている温度計の計測温度に基づいて試料の加熱/冷却コントローラ406を介して上記ヒータと冷却装置(図6中の179)をコントロールし、試料176の温度をオペレータのセットした値を中心としてフィードバック制御する。
【0032】
さらにまた、コンピュータ192は、スイッチコントローラ407を介して上記スイッチ183を切りかえ、上記アンプ180,182のうちのいずれか一方の信号を直流成分電圧計188と第1ロックインアンプ184と第2ロックインアンプ186に入力する。また直流成分電圧計188の出力は電圧コントローラ410に入力され、この入力値に応じて調整された高電圧が光電子増幅管162に印加されて、直流成分電圧計188で検出される光強度レベルがほぼ一定となるようにフィードバック制御される。
上記の他にも、コンピュータ192は、磁場コントローラ409を介して電磁石172に加える電流を調整し、あるいは変調コントローラ408を介して光弾性変調器152をコントロールする。
【0033】
なお、コンピュータ192による上述の制御システムは、本測定装置を制御するための一例を示したものにすぎない。本明細書および添付図面に記載された光−磁気効果の測定のための上記主要構成要素(すなわち各種光学機器)の組立および各要素間の配置に関する情報(図2参照)に基づいて種々の制御システムを構築することは、いわゆる当業者の設計事項にすぎないものであり、本発明を逸脱するものではない。
【0034】
以下、図9〜図22を参照しつつ、さらに詳細に本測定装置における測定の処理手順を説明する。
図9は、測定する波長に応じて使用するランプ102,108を選択する手順を示し、測定しようとする波長が300nm以下か以上かで使用するランプ102,108を選択する。具体的にはモータ123mで切換ミラー123を切換えて分光器120にとりこむ光源を切換える。波長300nm以下のときは重水素ランプ102を使用し(S74又はS75)、波長300nm以上のときにはキセノンランプ108を使用する(S72又はS73)。
【0035】
図10は回折格子130、132、134の選択と角度調整のための処理手順を示し、波長400nm以下で測定するときに回折格子130を使用し(S82)、波長400nm〜800nmで測定するときには回折格子132を使用し(S84)、波長800nm以上で測定するときには回折格子134を使用する。図中S86は、さらに選択された回折格子の角度を微調整するステップを示し、これによって測定する波長が決められる。
【0036】
図11は、フィルタ144の制御手順を示し、測定波長が250nm以下のときには貫通孔144aを使う。分光器120を波長250nm以下の光をとりだす状態で使用する場合、同時にとりだす可能性のある2次以上の回折光は波長125nm以下の光となるところ、波長125nm以下の光はたとえ重水素ランプ102を使っていてもひどく強度が低いため、フィルタでカットする必要がないためである。250nm〜400nmの光で測定する場合には、波長250〜500nmの光のみをとおすバントパスフィルタ144bを使って高次回折光を取り除く。波長400〜610nmの光で測定する場合には波長320nm以下の光をカットするフィルタ144cを使うことで高次回折光をカットする。以下、図11の条件別にフィルター144d〜144fを使いわけることで高次回折光をカットする。
【0037】
図12は、光検出器側の切換手順を示し、測定波長が830nm以下のとき光電子増幅管162を使用する。このとき凹面反射鏡158をモータ158mで切換え、さらに上記スイッチ183を切換える。光電子増幅管162を使用するときは、直流成分電圧計188の出力をモニタリングし、低すぎれば(S107)光電子増幅管162に加える電圧を大きくしてゲインを上げ(S108)、大きすぎれば(S109)印加する電圧を小さくしてゲインを下げる(S110)。このときの電圧の増大幅や減少幅を基準電圧からの差に比例させて迅速にフィードバック制御されるようにする。また電圧の増大処理と減少処理との間にヒステリシス特性を付与し、フィードバック制御のオーバーシュートのくりかえしを防止している。
一方、波長830nm以上で使用するときにはゲルマニウムダイオード160を使用し(S104;このとき反射鏡158とスイッチ183も切り替える)、光電子増幅管162に加える電圧をゼロとする(S105)。
【0038】
図13は、測定の準備段階の全体処理手順を示し、S113〜S117の詳細は図9〜図12で説明したとおりである。S118は、光弾性変調器(モジュレータ)152に加える電圧を、測定に用いる波長にあわせて調整する処理を示す。例えば測定波長を300nmと600nmの場合を例として説明すると、それぞれの波をπ/2だけ変調する場合、300nmをπ/2だけ変調するのに比して600nmをπ/2だけ変調するには、より強く変調してより大きな距離だけシフトする必要がある。ステップS118では測定波長にあわせて光弾性変調器に加える電圧を調整し、短波長光には弱く変調する一方、長波長光には強く変調することによって、変調によって生じる位相差(ラジアン単位)が波長によらず一定となるようにする。本例では波長によらずπよりも若干小さい位相差となるように調整する。この位相差は、旋光角(正確には光−磁気効果回転角)と楕円率の同時測定が精度よく実施される位相差である。
【0039】
図14と図15は、本測定装置のための校正処理の様子を示す。本測定装置の場合、校正のための係数に波長依存性がないことが確認されており、これを使用するユーザは適当な波長を選択して校正することができる(S121)。但し、測定光の波長と等しい波長で校正することがより確実である。
【0040】
図14において、校正処理時にはまず第2偏光子156(即ち検光子156)を装置側のゼロ度からマイナス2度回転させ(S122)、直流成分VDC、変調周波数成分VF 、その2倍の周波数成分V2Fを検出する。以後、検光子156を+1度づつ回転させつつ(S125)、同様の処理をつづけ、この処理を+2度に達するまでつづける(S124)。この結果計5回の測定がおこなわれる。コンピュータ192は、図15に模式的に示されるように、検光子156の角度X(−2、−1、0、+1、+2)とV2F/VDC(すなわち2倍の周波数成分を直流成分で除した値でありこれをYとする)との間に成立する関係を分析する。この分析の処理内容を模式的に示すと、X−Y軸のグラフに最小2乗法で回帰線をひき、この回帰線の傾きから校正係数Aを求め、Y=OとなるAの値からゼロ角度を求める。
以上の処理はコンピュータ192でおこなわれる(図14のステップS126)。以上の処理のあと検光子156をゼロ角度に回転させ(S127)、測定をおこなう波長にセットし(S128)、実際の測定に備える。図14における装置側のゼロ度は、図4において黒色波をとおして白色波をとおさないはずの設計上のゼロ度であり、ステップS126で求められるゼロ角度は実際に校正されたゼロ角度である。
【0041】
図16は、ある波長のある磁場における測定手順を示す。この場合アンプ等の安定時間の経過後、直流成分VDC、変調周波数成分VF 、その2倍の周波数成分V2F、および磁場を測定し(S141〜S144)、それぞれの値をコンピュータ192に一旦記憶(S145〜S147)し、その測定値から旋光角(θ;光−磁気光学効果回転角)と楕円率(ε)を求める。算出式は図16のステップS148に示されている。ここで、J1、J2はベッセル関数の1次と2次を示し、δは光弾性変調器による位相遅れである。前述したように、δは測定波長にかかわらず0.383×2πラジアン(これはπよりも若干小さい値である)に調整される。
図17は、旋光角(θ)のみを測定する場合の手順を示し、図18は、楕円率(ε)のみを測定する場合の手順を示している。
【0042】
図19は、磁場を「ゼロ→プラス最大値→ゼロ→マイナス最大値→ゼロ」に変化させつつ測定することで試料の磁場に対するヒステリシス特性を測定する手順図を示す。磁場はあらかじめ測定回数に対して方向と強度が定められており、前記した磁場の変化パターンが得られるようにする。測定開始時にまず図14、図15に示した校正処理をおこなう(S171)。次に、予め定められている順序に従って磁場を変えてゆく(S173)。一順の測定が終了するとステップS172がノーとなり測定を終える。このとき、磁場をゼロとし(S176)、光電子増幅管162に加える電圧をゼロとする(S177)。一順の測定の実行中は、磁場を変えつつ(S173)、測定を続ける(S175)。
【0043】
図20は、波長依存性を測定する処理手順を示す。この測定では試料が磁場に対して飽和したときの光−磁気効果を調べる。このために試料176にプラスの最大磁場とマイナスの最大磁場を加えて測定し、その測定値の差から飽和特性を調べる。ステップS181では校正処理をおこなう。ステップS182では測定開始時の波長をセットする。そしてその状態でプラスの最大磁場を印加する(S183)。波長を変えつつ一連の測定を続け、最終波長での測定がおこるとステップS184がノーとなる。このとき測定を終える(S190、S191)。測定中は、プラスの最大磁場で測定したあと(S185)、磁場の方向を逆転し、次にマイナスの最大磁場を印加して(S186)測定する(S187)。
以上の処理後、両者の差をとってこれを2で割ることにより(S188)、飽和時の旋光角θと楕円率εが算出される。これを波長を変えつつ全波長について実施する(S189)。
次の波長で測定するときは最初にマイナス磁場を加えつつ測定し、次に磁場を逆転してプラス磁場を加えて測定する(S185、S186、S187)。このように波長ごとに、「+→−」、「−→+」にように交互に磁場を変えつつ測定してゆく。一連の測定を全波長について終えることで、波長依存性が測定される。
【0044】
図21は改良された波長依存性の処理を示す。この処理手順では、波長ごとに校正処理をするようになっている。このために検光子を+2度として測定し(S194、S195)、次いで検光子156を0度として測定する(S196、S197)。これにより図21(B)に示すような校正直線が得られ、これからその波長での校正係数が算出される。なお本例では光−磁気光学効果の測定が検光子156を+2度(S194とS195)(S199と200)とした状態で行われる。すなわち、ゼロ角度で測定するわけではない。しかしながら、ステップS201で正磁場のときと負磁場のときとの差が求められるためにゼロ角度からの偏差による影響は打ち消され、良好な測定が行われる。
【0045】
図22は図21と同様の改良が施された別例を示し、検光子156を+2度と−2度のいずれかで用いる。この改良例では、ある波長ではプラス磁場を印加して校正し(図22(B))、次の波長ではマイナス磁場を印加して校正する(図22(C))。このようにすると、校正のために必要な磁場の逆転の回数も最小におさえられ、測定時間が大幅に短かくなる。
なお、上述の実施形態においては、本発明を円偏光変調波による測定装置に応用した場合を示したが、クロス−ニコル法、ファラデーセル法、回転検光子法による測定装置に応用することもできる。また、上記実施形態においては、主としてカー効果を測定する場合について処理手順を説明したがファラデー効果を測定する場合にも同様の手順を適用し得る。
【0046】
以上、本発明の第一の装置として好適な一実施形態について説明したが、本実施形態に係る測定装置によれば、上記重水素ランプ102から放射された波長200nm以下の短波長光の経路にある上記各構成要素がいずれも密閉可能な容器106,142,166,170,178内に各々収容されるとともに当該容器106,142,166,170,178内を真空状態とすることができる。従って、重水素ランプ102から光検出器(160,160a,162,162a)に至る光路(図5参照)が上記容器106,142,166,170,178内の密閉空間に確保されるとともに、当該光路において波長200nm以下の短波長光が、大気によって減衰されることがない。すなわち、一般の大気では、酸素によって波長200nm以下の真空紫外光および窒素によって波長145nm以下の真空紫外光が吸収されるが、本測定装置においてはこのようなガス分子による吸収を実用的に問題とならないレベルにまで抑止することができる。従って、本発明の第一の装置によれば、上記処理手順に基づいて波長200nm以下の短波長光での光−磁気光学効果(ファラデー効果および/またはカー効果)の測定を実現することができる。
【0047】
次に、本発明の第二の実施形態として、本発明の第二の装置として好適であるカー効果測定装置を図23を参照しつつ説明する。なお、図23は、本実施形態に係る測定装置を模式的に示す平面図である。
【0048】
図23に示すように、本実施形態に係る測定装置は、上述の第一の実施形態における測定装置と同様、重水素ランプ202およびキセノンランプ208を光源として備えた光源部201と、当該光源部201から放射された光を分光しつつ所望する波長の光を取り出すための分光器220と、試料276を収容する試料ホルダ274および上記試料276に磁場を印加する手段に相当する電磁石272を備えた電磁石部269と、光学系ボックス265とを主要構成要素とし、これらは定盤200上に配置されている。なお、この光学系ボックス265には、上述の第一の実施形態と同様、分光器220から取り出された光を偏光するための第1偏光子、光弾性変調器、試料276からの反射光を通す第2偏光子、ならびに当該第2偏光子を通過した光の強度を検出するゲルマニウムダイオードおよび光電子増幅管に光路切換用反射鏡を備えた光検出器(いずれも図示せず)等が収容されている。
【0049】
而して、上記第一の実施形態と同様、キセノンランプ208およびそれに付随する反射鏡210,212を除く光源部201(重水素ランプ202系)、分光器220、光学系ボックス265および電磁石272(即ち試料保持部分)は密閉可能な容器206,242,266,270に収容されている。このことによって、本実施形態に係る測定装置においても、光源部201から光検出器に至る波長200nm以下の短波長光の光路が外気と遮断されて密閉容器206,242,266,270内に収容される。
また、上記第一の実施形態と同様、光源部201を収容する容器206および光学系ボックス265を収容する容器266の一端には、各々、本実施形態における上記排気手段に相当する電磁弁等の制御バルブ213,216を備えた排気管214,215が設けられている。
【0050】
ところで、本実施形態に係る測定装置では、光源部201を収容する容器206,分光器220を収容する容器242および光学系ボックス265を収容する容器266は、相互に通気可能な状態且つ外気から遮断されるようにして連結されている一方、図23に示すように、上記第1偏光子から試料276に至る光路および当該試料276から上記第2偏光子に至る光路の途上、すなわち電磁石部269を収容する容器270と光学系ボックス265を収容する容器266との間は、好ましくはフッ化リチウム若しくはフッ化マグネシウム等から成る真空紫外光透過部材211によって、波長200nm以下の短波長光を透過可能であるが相互にガス流通は不能な状態で隔てられている。
さらに、電磁石部を収容する容器270の一端には、上記排気手段とは独立して、電磁弁217を備えた換気口218が備えられており、当該容器270内を所望するガス(典型的には窒素ガス)に置換することができる。
【0051】
以上のように構成された結果、本実施形態に係る測定装置においては、上記排気管214,215を介して排気処理を行うことによって光源部201収容容器206,分光器220収容容器242および光学系ボックス265収容容器266内を真空状態として当該容器206,242,266内における上記短波長光の光路を真空下におく一方で、電磁石部269収容容器270については上記換気口218を介して内外の気圧差を生じさせることなく当該容器270内部のガスを酸素を含まないガス(例えば窒素ガス)と置換することができる。
従って、本実施形態に係る測定装置によれば、試料保持部275を外気と等しい気圧下に保ち、当該試料保持部275における試料ホルダ274および試料276の取り替え作業を簡便に行うことができる。さらに、光−磁気光学効果測定時にも試料保持部275を包含する電磁石部269が減圧されないので、種々の形状および性質の試料276あるいは試料ホルダ274を上述のOリング171のような補助手段を用いることなく試料保持部275に安定に保持することができ、再現性良く測定することができる。
また、本実施形態に係る測定装置では、上記光路の大部分を真空下におき、また、常圧部分(即ち試料276近傍)においても、波長200nm以下の短波長光を吸収する酸素を含まない窒素ガス等に置換することができるので、波長200nm以下の短波長光の減衰を実用的に問題とならないレベルにまで抑止することができる。従って、本発明の第二の装置によれば、上記第一の実施形態で説明した処理手順と同様の手順に基づいて波長200nm以下の短波長光での光−磁気光学効果の測定を実現することができる。
【0052】
以上、本発明の光−磁気光学効果測定装置の好適な各実施形態を説明したが、本発明を上記実施形態に示したものに限定することを意図したものではない。
例えば、上述の各実施形態では、上記排気手段としての制御バルブおよび排気管をいずれも光源部の容器と光学系ボックスの容器に設けているがこれに限らず光−磁気光学効果測定の妨げとならない部位に適宜設けることができる。また、上記第二の実施形態に係る測定装置に上記第一の実施形態において開示されたのと同様のファラデー効果測定用機器(光学素子)を設けることによって、上記処理手順に基づいてカー効果と同様にファラデー効果を好適に測定し得ることは当業者に理解されることである。
また、上記実施形態においては、本発明を円偏光変調波による測定装置に応用した場合を示したが、クロス−ニコル法、ファラデーセル法、回転検光子法による測定装置に応用することもできる。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な装置構成によって波長200nm以下の短波長光での光−磁気光学効果測定を行うことができる。すなわち、本発明では、光源部から光検出器に至る波長200nm以下の短波長光の光路から酸素のような波長200nm以下の短波長光をよく吸収する気体を排除し得、さらに使用する光学素子が波長200nm以下の短波長光を強く減衰させることがないため、波長200nm以下における光−磁気光学効果を測定することが可能となる。本発明の光−磁気光学効果測定装置は、今後重要となると予想される超高密度記憶技術の進展に資するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態に係る本発明の測定装置の概要を模式的に示す平面図である。
【図2】一実施形態に係る本発明の測定装置の平面レイアウトを示す図である。
【図3】分光器とフィルタの詳細を示す図である。
【図4】測定原理を模式的に示す図である。
【図5】光路を中心に示す図である。
【図6】一実施形態に係る本発明の測定装置の電気的システム図である。
【図7】一実施形態に係る本発明の測定装置の電気的システムを模式的に示す図である。
【図8】照射光学系を示す図である。
【図9】ランプの選択手順図である。
【図10】回折格子の選択と角度調整手順図である。
【図11】フィルタの選択手順図である。
【図12】検出装置の選択手順図である。
【図13】測定準備手続の全体処理手順図である。
【図14】校正処理手順図である。
【図15】校正内容を示す図である。
【図16】測定時の実際手順図である。
【図17】光−磁気効果回転角(旋光角)の測定手順図である。
【図18】楕円率の測定手順図である。
【図19】ヒステリシス特性の測定手順図である。
【図20】波長依存性の測定手順図(その1)である。
【図21】波長依存性の測定手順図(その2)である。
【図22】波長依存性の測定手順図(その3)である。
【図23】一実施形態に係る本発明の測定装置を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
101,201 光源部
102,202 重水素ランプ
106,142,166,170,178,206,242,266,270容器
108,208 キセノンランプ
113,116,213,216 バルブ
114,115,214,215 排気管
120,220 分光器
130,132,134 回折格子
150 第1偏光子
152 光弾性変調器
156,156a 第2偏光子
160,160a ゲルマニウムダイオード
162,162a 光電子増幅管
165,265 光学系ボックス
169,269 電磁石部
172,272 電磁石
175,275 試料保持部
174,274 試料ホルダ
176,276 試料
211 真空紫外光透過部材
218 換気口
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for measuring a photo-magneto-optic effect (Faraday effect and / or magnetic Kerr effect) relating to magnetorotation, and more particularly, to measuring a photo-magneto-optic effect for measuring the effect in a short wavelength band of a sample. Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 32 (1993), pages 989-995, introduces the newest photo-magneto-optic effect measuring device known today. In this apparatus, light from a light source is incident on a spectroscope to extract light having a necessary wavelength. The extracted light is linearly polarized by the first polarizer and then irradiated onto the sample. Here, a magnetic field is applied to the sample by an electromagnet. When measuring the Faraday effect, the light transmitted through the sample is observed. When measuring the magnetic Kerr effect, the light reflected by the sample is observed. In any case, the intensity of the light transmitted through the sample or reflected by the sample is detected after passing through the second polarizer. The above measurement method is common to the cross-Nicol method, the Faraday cell method, the rotation analyzer method, and the circular polarization modulation method.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent ultra-high density storage technology using the magneto-optic effect, in order to improve the storage density, there is a tendency for light of shorter wavelengths to be used. Realization of a magneto-optical effect measurement technique is desired. For example, the photo-magneto-optical effect measuring apparatus described in the above paper has also been improved so that measurement with short wavelength light is possible, and measurement up to a wavelength of around 210 nm is possible.
[0004]
However, measurement at a wavelength of 200 nm or less is impossible even with the apparatus described in the above paper. That is, light in a short wavelength region of 200 nm or less, referred to as vacuum ultraviolet light, is significantly absorbed and attenuated in the atmosphere or in a lens or the like. Therefore, in order to enable measurement in a wavelength region of 200 nm or less, it is not necessary to use a light source having a continuous spectrum in the wavelength region such as a deuterium lamp. A breakthrough is required to ensure the necessary S / N ratio.
The present invention has been made in view of such a point, and realizes the breakthrough, and an optical-magneto-optical effect measuring apparatus capable of measuring an optical-magneto-optical effect with short-wavelength light having a wavelength of 200 nm or less. Is intended to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, in the present invention,A light source unit, a spectroscope that separates light from the light source unit and extracts light of a necessary wavelength, a first polarizer that polarizes light extracted by the spectroscope, and a magnetic field is applied to the sample A sample holding unit provided with means, and a second light that passes through the sample irradiated from the first polarizer to the sample mounted on the sample holding unit or the light reflected by the sample. And a photo-magneto-optic effect measurement apparatus comprising: a polarizer; and a photodetector that detects the intensity of light that has passed through the second polarizer.
  The light source unit is configured to emit short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less,
  The optical path of the short wavelength light from the light source part to the photodetector is housed in a container that can be sealed together with the sample holder,
  The container is capable of transmitting the short-wavelength light and mutually incapable of gas flow between a container including a sample holder and a container including an optical system including a first polarizer and a second polarizer. With a vacuum ultraviolet light transmitting member separated by
  Here, the container including the sample holder is provided with a vent for opening and closing the gas in the container so as to be openable and closable, and the optical system includes the first polarizer and the second polarizer. The container containing the system is provided with an exhaust means for discharging the gas in the container,
  In measuring the magneto-optical effect, a container including the optical system including the first polarizer and the second polarizer is used while the container including the sample holder is replaced with a gas not containing oxygen. Provided is a photo-magneto-optic effect measuring device characterized in that the inside is realized in a vacuum state.
  In this specification, “vacuum” refers to a vacuum as an engineering predicate, and does not mean a so-called absolute vacuum. Therefore, the state of the space where the pressure is reduced to such an extent that so-called vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less can be transmitted without much attenuation is typical of the vacuum state in this specification.
[0006]
  In the present invention, an optical path from the light source unit to the photodetector is ensured in the sealed space in the container. Furthermore, without obstructing the optical path, the container contains the sample holding part and is provided with the ventilation port and the part that does not contain the sample holding part and is provided with the exhaust means. It is divided. Accordingly, most of the optical path (that is, the container including the sample holding unit and the container including the optical system including the first polarizer and the second polarizer) is placed under vacuum, while surrounding the sample holding unit. Can be replaced with a gas containing no oxygen. Therefore, the sample holder can be kept under the same atmospheric pressure as the outside air, and the sample replacement operation in the sample holder can be easily performed. In addition, since the sample holder is not depressurized at the time of measuring the magneto-optical effect, it can be applied to measurement of samples having various shapes and properties.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, preferred embodiments of the magneto-optical effect measuring apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0010]
First, a measurement apparatus suitable as the first apparatus of the present invention will be described as the first embodiment. FIG. 1 is a plan view schematically showing the appearance of the magneto-optical effect measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a plan view schematically showing the layout of various main components (optical elements) in the photo-magneto-optic effect measurement apparatus according to the present embodiment with the Faraday effect measurement unit attached.
As shown in FIG. 1, the measurement apparatus according to the present embodiment roughly includes a light source unit 101 including a deuterium lamp 102 and a xenon lamp 108 described later as light sources, and light emitted from the light source unit 101. A spectroscope 120 for taking out light of a desired wavelength while splitting light, and optical elements such as a first polarizer 150, a second polarizer 156, and a Kerr effect measurement photodetector clearly shown in FIG. An optical system box 165, an electromagnet 172 corresponding to a means for applying a magnetic field to the sample 176, and a sample holder 175 formed so as to be surrounded by the electromagnet 172. Are also arranged on a surface plate 200 (that is, an optical bench called an optical bench).
[0011]
Thus, as shown in FIG. 1, a portion of the light source unit 101 that generates short-wavelength light having a wavelength of 200 nm or less (ie, a portion related to the deuterium lamp 102), a spectroscope 120, an optical system box 165, and an electromagnet unit 169. (Including the electromagnet 172 and the sample holder 175. The same applies hereinafter) are accommodated in containers 106, 142, 166, and 170 that can be sealed. These containers 106, 142, 166, and 170 are made of a high-strength material (preferably a metal that can be used in a vacuum dryer, etc.) that can maintain its shape even when an excessive pressure difference occurs inside and outside the container with the inside being in a vacuum state. (Or glass) and shielded (for example, welding or rubbing via grease when the container is made of thick glass or the like) in a state where it can be mutually ventilated. Thereby, one container is formed as a whole for accommodating various optical elements (excluding the xenon lamp 108 system) constituting the measuring apparatus according to the present embodiment. As a result, the optical path from the light source section to the Kerr effect measurement photodetector through the sample to the short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less is accommodated in the container.
[0012]
On the other hand, a control valve such as an electromagnetic valve corresponding to the exhaust means in the present embodiment is provided at one end of the container 106 that stores the light source unit 101 (deuterium lamp 102 system) and the container 166 that stores the optical system box 165. Exhaust pipes 114 and 115 having 113 and 116 are provided. Thus, by connecting a gas suction device such as an external vacuum pump or aspirator (not shown) to the exhaust pipes 114 and 115, the gas inside the containers 106, 142, 166, and 170 is sucked and removed, and the containers 106, The inside of 142,166,170 can be made into a vacuum state. Therefore, in the measurement apparatus according to the present embodiment, the optical path from the light source unit 101 to the Kerr effect measurement photodetector, which will be described later, from the light source unit 101 to the short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less can be placed under a vacuum condition. .
[0013]
Hereinafter, main components of the measurement apparatus according to the present embodiment and measurement procedures in the measurement apparatus will be described in detail.
[0014]
As described above, the light source unit 101 of the measuring apparatus according to the present embodiment includes two types of lamps, that is, the deuterium lamp 102 and the xenon lamp 108 as light sources. Among these, the deuterium lamp 102 can suitably emit light including short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less. As shown in FIG. 2, the short wavelength light emitted from the deuterium lamp 102 is reflected and collected by the concave reflecting mirror 104 and is incident on the first incident slit 121 of the spectrometer 120. The concave reflecting mirror 104 polishes the surface of quartz (which may be replaced with SiC), coats the polished surface with Pt (which may alternatively be replaced with Au), and further, Al-MgF.2The film has a characteristic of reflecting best at 160 nm where the lamp intensity is low. Here, the reflectance at 160 nm is 84 to 86%. In addition, the same surface treatment is given also to each reflective mirror and concave-surface reflective mirror mentioned later, and can reflect short wavelength light with high efficiency. As described above, the optical path from the deuterium lamp 102 to the first incident slit 121 is secured in the container 106 provided with the exhaust means. For this reason, by making the inside of the container 106 in a vacuum state as described above, short wavelength light of 200 nm or less generated from the deuterium lamp 102 can be incident on the spectroscope 120 with almost no attenuation.
[0015]
On the other hand, reference numeral 108 in FIGS. 1 and 2 denotes a xenon lamp, which has an emission wavelength band on the longer wavelength side than the deuterium lamp 102. That is, the emission wavelength bands of the xenon lamp 108 and the deuterium lamp 102 overlap, and the deuterium lamp 102 is preferentially used at a wavelength of 300 nm or less including short wavelength light of 200 nm or less, and the xenon lamp 108 is used at a wavelength of 300 nm or more. Is used. Since light having a wavelength of 300 nm or more is not easily attenuated by a gas such as oxygen, in the present embodiment, the xenon lamp 108 is laid out to be used in the atmosphere. Thus, the light from the xenon lamp 108 in the light source unit 101 is collected and reflected by the concave reflecting mirror 110 and the reflecting mirror 112 and is incident on the second incident slit 122 of the spectroscope 120 (FIG. 2).
[0016]
Next, the spectroscope 120 of the measuring apparatus according to the present embodiment will be described in detail. The spectroscope 120 according to this embodiment is configured without using optical elements that strongly attenuate short-wavelength light such as prisms and lenses in order to extract short-wavelength light having a wavelength of 200 nm or less without much attenuation. That is, as shown in FIG. 2, the spectroscope 120 includes a switching mirror 123 in the vicinity of the inside of the first incident slit 121 and the second incident slit 122, and light from either one of the incident slits 121 and 122. Is guided to the concave reflecting mirror 126. The symbol (m) in FIG. 2 indicates an element that is movable by the step motor (m). For example, the switching mirror 123 is switched by the step motor 123m. Each step motor is controlled by a computer 192 connected to the measuring apparatus. Note that the switching mirror 123 can be switched manually by the handle 123a (see FIG. 3).
[0017]
As shown in FIG. 3, in the spectroscope 120, light incident from either the first incident slit 121 or the second incident slit 122 is reflected by the switching mirror 123 and then reflected by the concave reflecting mirror 126. And is incident on one of the diffraction gratings 130, 132, and 134. These three diffraction gratings 130, 132, and 134 are arranged on a turntable 128 so as to form a triangle in plan view, and the turntable 128 is rotated as indicated by an arrow in the drawing, and any one of the diffraction gratings. Can be used selectively. FIG. 3 shows a state where the diffraction grating 134 is placed at the use position. The turntable 128 is rotated by a step motor 128m and a worm gear 129. The diffraction grating 130 has the shortest inter-grating distance and is used for spectroscopy with a wavelength of 400 nm or less. On the other hand, the diffraction grating 134 has the longest inter-grating distance and is used for spectroscopy with a wavelength of 800 nm or more. The diffraction grating 132 has an intermediate inter-grating distance and is used for spectroscopy with a wavelength of 400 nm to 800 nm.
The step motor 128m is used not only to select a diffraction grating to be used, but also to finely adjust the reflection angle of the selected diffraction grating to switch the wavelength of light reflected toward the concave reflecting mirror 136. The light having the wavelength selected by adjusting the angle of any one of the diffraction gratings is reflected by the concave reflecting mirror 136 and the reflecting mirror 138 and condensed on the exit slit 140. In this way, light having a wavelength necessary for measurement is extracted from the spectroscope 120. As described above, the spectroscope 120 as a whole is also housed in a sealable container 142. By making the container 142 into a vacuum state as described above, the wavelength within the spectroscope 120 is 200 nm or less. Attenuation of short wavelength light is prevented.
[0018]
Next, the optical system box 165 of the measuring apparatus according to the present embodiment will be described.
Immediately after the exit slit 140, a filter 144 is provided for removing diffracted light having a higher order from the light reflected from the diffraction grating at the same angle. As shown in FIG. 3B, the filter 144 is provided with six through holes in a disk that rotates about the axis 144x, and five of the through holes are specified. A filter plate for cutting the wavelength is incorporated. The wavelength band characteristics to be cut by each filter plate are different from each other, and the filter plate to be used is switched according to the wavelength to be used. On the other hand, no filter plate is incorporated in the through hole 144a, and light passes through. The through-hole 144a and the filter plates 144b to 144f are switched by a filter motor 144m and its rotating shaft 145.
[0019]
On the other hand, as shown in FIG. 2, a concave reflecting mirror 146, a reflecting mirror 148, a first polarizer 150, and a photoelastic modulator (modulator) 152 are provided behind the filter 144. The light having a specific wavelength selected by the filter 144 can be changed into linearly polarized light and circularly polarized light.
That is, the light having a specific wavelength selected by the spectroscope 120 and the filter 144 that cuts high-order diffracted light is then condensed and reflected by the concave reflecting mirror 146 and the reflecting mirror 148 and directed to the sample 176 ( Figure 2). The concave reflecting mirror 146 collects light on the surface of the sample 176. The reflecting mirror 148 is rotatable about the horizontal axis and the vertical axis, and the angle is adjusted so that the reflected light from the sample 176 enters the concave reflecting mirror 158 described later. For this purpose, a horizontal motor 148m1 and a vertical motor 148m2 are attached to the reflecting mirror 148.
[0020]
As shown in FIG. 4, the light that has passed through the first polarizer 150 is linearly polarized. The obtained linearly polarized wave then passes through the photoelastic modulator 152. In this embodiment, the photoelastic modulator 152 has a built-in piezoelectric element that vibrates at a frequency of 50 KHz, and the vibration direction is inclined 45 ° counterclockwise with respect to the linearly polarized wave. That is, as shown in FIG. 4, the linearly polarized wave is divided into a wave in a plane inclined by 45 ° clockwise (indicated by white in the figure) and a wave inclined by 45 ° counterclockwise (shown in FIG. 4). The photoelastic modulator 152 changes the phase of the wave in the vibration direction (black wave) and the wave perpendicular to it (the white wave). Does not change the phase. Here, the phase change is delayed or advanced at a frequency equal to the frequency (50 KHz). That is, the light passing through the photoelastic modulator 152 is modulated into circularly polarized light, and the modulation frequency is 50 KHz in this case. As described above, after the wavelength is selected by the spectroscope 120 and the filter 144, the light circularly polarized at the frequency of 50 KHz by the first polarizer 150 and the photoelastic modulator 152 passes through the stop 154. Incident on sample 176.
As described above, the optical system box 165 that houses the first polarizer 150, the photoelastic modulator 152, and the like is also housed in a container 166 that can be hermetically sealed, and the interior of the container 166 is as described above. By making the vacuum state, the attenuation of short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less in the optical system box 165 is prevented, and the light enters the sample 176 in the electromagnet portion 169 with almost no attenuation.
[0021]
Next, the electromagnet unit 169 in this measuring apparatus will be described.
As shown in FIG. 2, the sample 176 to be measured for the photo-magneto-optic effect in this measuring apparatus is accommodated in a sample holder 174 whose light irradiation surface is flat, and a gap sandwiched between mounting portions 172 a of an electromagnet 172. The formed sample holder 175 is attached. The sample holder 174 is provided with a light transmission window formed of a material that does not absorb short wavelength light (typically, fused silica). The sample holder 174 incorporates a cooling device for adiabatic expansion of liquid nitrogen to cool the sample 176 and a heater (none of which is shown) for heating the sample 176, and the sample temperature is set to 80 to 600. Variable in the range of ° k. The interior of the sample holder 174 is preferably filled with an inert gas to prevent the sample from being oxidized when the sample is heated.
Thus, as shown in FIGS. 1 and 2, the sample holder 174 is set in the mounting portion 172a of the electromagnet 172 in which a hole for securing an optical path is formed, and a magnetic field up to 20 KOe is applied to the sample 176. It is possible to do. Here, in the present embodiment, an O-ring 171 is appropriately mounted on one mounting portion 172a (near the optical system box 165). Accordingly, the sample holder 174 can be pressed and held in the sample holding portion 175 with the O-ring 171 sandwiched between the mounting portion 172a. Thus, even when the inside of the container 170 that houses the electromagnet portion 169 is in a vacuum state, the light irradiation surface of the sample holder 174 can be stably held, and the reproducibility of measurement can be ensured.
[0022]
Next, the arrangement part of the second polarizer 156 and the photodetector for measuring the Kerr effect in this measuring apparatus will be described.
As shown in FIG. 2, in the optical system box 165, the Kerr effect measurement photodetector (ie, the germanium diode 160 and the photoelectron amplifier tube 162; the same applies hereinafter), the Kerr effect measurement second polarizer 156, and the concave reflection. The mirror 158 is set at a position where the light reflected from the sample 176 can be measured (FIG. 1). Here, the second polarizer 156 can be rotated in a plane by a step motor 156m, and is adjusted to a zero angle after being rotated at the time of calibration as will be described later. On the other hand, the photoelectron amplifier 162 constituting the Kerr effect measurement photodetector is used for short wavelength detection, and the germanium diode 160 is used for long wavelength detection. The concave reflecting mirror 158a is rotated by the step motor 158m and condenses the measurement light on either the photoelectron amplifier tube 162a or the germanium diode 160a. The second polarizer 156 can be rotated in the plane by a step motor 156m, and is adjusted to a zero angle after being rotated at the time of calibration as will be described later. The photoelectron amplifier tube 162 is used for short wavelength detection, and the germanium diode 160 is used for long wavelength detection. The concave reflecting mirror 158 is rotated by the step motor 158m and condenses the measurement light on either the photoelectron amplifier tube 162 or the germanium diode 160. As described above, since the inside of the container 166 of the optical system box 165 can be in a vacuum state, the short wavelength light reflected from the sample 176 reaches one of the photoelectron amplifier tube 162 and the germanium diode 160. It is not attenuated in the middle of the optical path before.
[0023]
Incidentally, FIG. 1 shows an outline of an apparatus for measuring the Kerr effect as the measuring apparatus according to the present embodiment, but the present invention is not limited to this, and is similar to that for Kerr effect measurement. A device for measuring the Faraday effect can be obtained by appropriately arranging optical elements.
That is, as shown in FIG. 2, in order to measure the Faraday effect, the Faraday effect measurement photodetector (germanium diode 160a and photoelectron amplifier 162a similar to the Kerr effect measurement) and the Faraday effect measurement second polarization are measured. The child 156a and the concave reflecting mirror 158a are set at positions where the light reflected from the sample 176 can be measured (FIG. 2). As in the case of the Kerr effect measurement, the second polarizer 156a can be rotated in a plane by a step motor 156m, and is adjusted to a zero angle after being rotated during calibration as will be described later. The photoelectron amplifier tube 162a is used for short wavelength detection, and the germanium diode 160a is used for long wavelength detection. The concave reflecting mirror 158a is rotated by the step motor 158m and condenses the measurement light on either the photoelectron amplifier tube 162 or the germanium diode 160.
[0024]
As shown in FIG. 2, in the Faraday effect measurement unit, the Faraday effect measurement photodetectors 160a and 162a and the second polarizer 156a can all be sealed in the same manner as the containers 106, 142, 166, and 170. It is accommodated in a container 178 and is shielded and connected to the container 170 of the electromagnet portion 169 so that it can be vented. For this reason, the optical path in the container 178 can be kept under vacuum, and the short wavelength light transmitted through the sample 176 is attenuated in the optical path before reaching one of the photoelectron amplifier 162a and the germanium diode 160a. It will not be done.
[0025]
As described above, this measuring apparatus has been described for each main component. The outline of the overall configuration is summarized in FIG. This figure focuses on the optical system, and schematically shows a path until light from the deuterium lamp 102 or the xenon lamp 108 enters either the photoelectron amplifier tube 162 or the germanium diode 160. Yes.
[0026]
Hereinafter, an operation mode and a measurement method of the measurement apparatus will be briefly described.
The above-described various motors (m), the photoelastic modulator 152, and the like are controlled by a computer 192. The measurement data is also processed by the computer 192. Therefore, in this measuring apparatus, various control devices are provided so as to be controlled by a computer 192 in addition to the main components for measuring the above-described photo-magnetic effect.
For example, 182 and 180 in FIG. 2 are amplifiers for the photoelectron amplifier tube 162 and the germanium diode 160, respectively. 2 is a switch that is switched in conjunction with the concave reflecting mirror 158. While the concave reflecting mirror 158 focuses the measurement light on the germanium diode 160, the signal of the amplifier 180 for the germanium diode 160 is shown. Is input to the computer 192, and the signal of the amplifier 182 for the photoelectron amplifier tube 182 is input to the computer 192 while the light is condensed on the photoelectron amplifier tube 162.
[0027]
188 in FIG. 2 is a DC component voltmeter that detects a DC component of the detected light intensity, 184 is a first lock-in amplifier that detects the intensity of the component of the modulation frequency (in this case, 50 KHz), 186 This is a second lock-in amplifier that detects a component of twice the frequency (100 KHz). Each output value is input to the computer 192, and the result processed by the computer 192 is displayed on the display device 194. Note that reference numeral 190 in FIG. 2 denotes a feedback circuit. That is, during use of the photoelectron amplifier 162, the voltage applied to the optoelectronic amplifier 162 is feedback controlled in accordance with the DC component detected by the DC component voltmeter 188, and the detected value of the DC component voltmeter 188 is substantially constant. The gain of the photoamplifier tube 162 is feedback-controlled so as to reach a level.
[0028]
As shown in FIG. 4, when the Kerr effect is measured with this measuring apparatus, the angle formed between the incident light and the sample normal is 3 degrees or less, and the reflected light is the same. When this angle is 3 degrees or less, the measurement accuracy of the Kerr effect is kept good. Further, as shown in FIG. 4, the Kerr effect measurement second polarizer 156 is used on the basis of an angle (zero angle) that passes through the polarization modulated by the photoelastic modulator 152 and does not pass the unmodulated polarization. .
[0029]
6 and 7 show the electrical system configuration of the present measuring apparatus centered on the computer 192. FIG. In addition, the solid line arrow in FIG. 6 indicates an electric signal line related to control, and the thick solid line indicates a control bus. On the other hand, solid arrows in FIG. 7 indicate the path of light, and thin broken arrows indicate electrical signal lines related to control.
As shown in FIGS. 6 and 7, in this measuring apparatus, the computer 192 operates the step motors 123m and 128m via the spectroscope controller 401, and the types of the switching mirror 123 and the diffraction grating (130, 132, 134). Adjust the angle). This realizes switching of the wavelength and switching of the light source (xenon lamp 108 or deuterium lamp 102). Similarly, the step motor 144m can be operated via the filter controller 402, and any one of the through holes 144a to be used and the filter plates 144b to f can be selected. Further, the operation of the motor 148m (the horizontal motor 148m1 and the vertical motor 148m2) of the reflecting mirror 148 is controlled via the condensing system controller 403 to irradiate the sample 176 with desired light.
The outline of the control of the optical system is shown in FIG. The arrows in the figure indicate the optical path of light, and the broken lines indicate the relationship between the various motors (m) described above and the optical system devices that are operated by the motors (m). In the drawing, a thin solid line indicates an electric signal line, and a thick solid line indicates a control bus.
[0030]
Similarly, the computer 192 operates the step motors 156m and 158m via the detection system controller 404 to switch the angle of the second polarizer (also referred to as an analyzer; hereinafter the same) 156 and the angle of the concave reflecting mirror 158. be able to.
[0031]
On the other hand, a Hall element 177 is disposed in the vicinity of the sample holder 174, and the magnitude and direction (intensity) of the magnetic field applied to the sample are input to the computer 192 via the magnetic field measuring means 405 such as a gauss meter. Further, the computer 192 controls the heater and the cooling device (179 in FIG. 6) via the sample heating / cooling controller 406 based on the temperature measured by the thermometer incorporated in the sample holder 174. The temperature is feedback controlled around the value set by the operator.
[0032]
Furthermore, the computer 192 switches the switch 183 via the switch controller 407, and the signal of one of the amplifiers 180 and 182 is sent to the DC component voltmeter 188, the first lock-in amplifier 184, and the second lock-in. Input to the amplifier 186. The output of the DC component voltmeter 188 is input to the voltage controller 410, and a high voltage adjusted according to this input value is applied to the photoelectron amplifier 162, and the light intensity level detected by the DC component voltmeter 188 is changed. Feedback control is performed so as to be substantially constant.
In addition to the above, the computer 192 adjusts the current applied to the electromagnet 172 via the magnetic field controller 409 or controls the photoelastic modulator 152 via the modulation controller 408.
[0033]
The above-described control system using the computer 192 is merely an example for controlling the measurement apparatus. Various controls based on the information (see FIG. 2) regarding the assembly of the main components (that is, various optical instruments) and the arrangement between the components for measuring the optical-magnetic effect described in this specification and the accompanying drawings. Building a system is merely a design matter of a person skilled in the art, and does not depart from the present invention.
[0034]
Hereinafter, the measurement processing procedure in the present measurement apparatus will be described in more detail with reference to FIGS. 9 to 22.
FIG. 9 shows a procedure for selecting the lamps 102 and 108 to be used according to the wavelength to be measured. The lamps 102 and 108 to be used are selected when the wavelength to be measured is 300 nm or less. Specifically, the light source taken into the spectroscope 120 is switched by switching the switching mirror 123 with a motor 123m. When the wavelength is 300 nm or less, the deuterium lamp 102 is used (S74 or S75), and when the wavelength is 300 nm or more, the xenon lamp 108 is used (S72 or S73).
[0035]
FIG. 10 shows a processing procedure for selecting and adjusting the angle of the diffraction gratings 130, 132, 134. The diffraction grating 130 is used when measuring at a wavelength of 400 nm or less (S82), and diffraction is performed when measuring at a wavelength of 400 nm to 800 nm. The grating 132 is used (S84), and the diffraction grating 134 is used when measuring at a wavelength of 800 nm or more. In the figure, S86 represents a step of finely adjusting the angle of the selected diffraction grating, and thereby the wavelength to be measured is determined.
[0036]
FIG. 11 shows a control procedure of the filter 144. When the measurement wavelength is 250 nm or less, the through hole 144a is used. When the spectroscope 120 is used in the state of extracting light with a wavelength of 250 nm or less, the second or higher order diffracted light that can be extracted simultaneously becomes light with a wavelength of 125 nm or less. This is because the strength is extremely low even if the filter is used, and it is not necessary to cut with a filter. When measuring with light of 250 nm to 400 nm, high-order diffracted light is removed using a band pass filter 144 b that passes only light with a wavelength of 250 to 500 nm. When measuring with light having a wavelength of 400 to 610 nm, high-order diffracted light is cut by using a filter 144c that cuts light with a wavelength of 320 nm or less. Hereinafter, the high-order diffracted light is cut by properly using the filters 144d to 144f according to the conditions of FIG.
[0037]
FIG. 12 shows the switching procedure on the photodetector side, and the photoelectron amplifier 162 is used when the measurement wavelength is 830 nm or less. At this time, the concave reflecting mirror 158 is switched by the motor 158m, and the switch 183 is further switched. When the photoelectron amplifier 162 is used, the output of the DC component voltmeter 188 is monitored. If it is too low (S107), the voltage applied to the photoelectron amplifier 162 is increased to increase the gain (S108), and if it is too high (S109). ) Reduce the gain by decreasing the applied voltage (S110). At this time, the increase or decrease of the voltage is proportional to the difference from the reference voltage so as to be feedback-controlled quickly. In addition, a hysteresis characteristic is provided between the voltage increasing process and the decreasing process to prevent repeated overshoot of feedback control.
On the other hand, when using at a wavelength of 830 nm or more, the germanium diode 160 is used (S104; the reflecting mirror 158 and the switch 183 are also switched at this time), and the voltage applied to the photoelectron amplifier 162 is set to zero (S105).
[0038]
FIG. 13 shows the entire processing procedure in the measurement preparation stage, and details of S113 to S117 are as described in FIGS. S118 represents a process of adjusting the voltage applied to the photoelastic modulator (modulator) 152 in accordance with the wavelength used for measurement. For example, the case where the measurement wavelengths are 300 nm and 600 nm will be described as an example. When each wave is modulated by π / 2, in order to modulate 600 nm by π / 2 as compared with the case where 300 nm is modulated by π / 2. Need to be modulated more strongly and shifted by a larger distance. In step S118, the voltage applied to the photoelastic modulator is adjusted in accordance with the measurement wavelength, and the light is modulated weakly for short-wavelength light, but strongly modulated for long-wavelength light. Keep constant regardless of wavelength. In this example, the phase difference is adjusted to be slightly smaller than π regardless of the wavelength. This phase difference is a phase difference at which simultaneous measurement of the optical rotation angle (more precisely, the optical-magnetic effect rotation angle) and the ellipticity is accurately performed.
[0039]
14 and 15 show the state of the calibration process for this measuring apparatus. In the case of this measuring apparatus, it has been confirmed that the coefficient for calibration has no wavelength dependence, and the user using this can select and calibrate by selecting an appropriate wavelength (S121). However, it is more reliable to calibrate at a wavelength equal to the wavelength of the measurement light.
[0040]
In FIG. 14, during the calibration process, first, the second polarizer 156 (that is, the analyzer 156) is rotated from zero to minus 2 degrees from the device side (S122), and the direct current component VDC, the modulation frequency component VF, and the double frequency component thereof. V2F is detected. Thereafter, the analyzer 156 is rotated by +1 degree (S125), the same process is continued, and this process is continued until it reaches +2 degrees (S124). As a result, a total of five measurements are performed. As schematically shown in FIG. 15, the computer 192 divides the angle X (−2, −1, 0, +1, +2) of the analyzer 156 and V 2 F / VDC (ie, doubles the frequency component by the DC component). And the relationship established between this value and Y) is analyzed. The processing contents of this analysis are schematically shown. A regression line is drawn on the XY axis graph by the least square method, the calibration coefficient A is obtained from the slope of this regression line, and zero from the value of A where Y = O. Find the angle.
The above processing is performed by the computer 192 (step S126 in FIG. 14). After the above processing, the analyzer 156 is rotated to zero angle (S127), set to a wavelength for measurement (S128), and prepared for actual measurement. The zero degree on the apparatus side in FIG. 14 is a design zero degree that should not pass the white wave through the black wave in FIG. 4, and the zero angle obtained in step S126 is the actually calibrated zero angle. .
[0041]
FIG. 16 shows a measurement procedure in a magnetic field having a certain wavelength. In this case, after the stabilization time of the amplifier or the like has elapsed, the DC component VDC, the modulation frequency component VF, the doubled frequency component V2F, and the magnetic field are measured (S141 to S144), and each value is temporarily stored in the computer 192 (S145). ˜S147), and the optical rotation angle (θ; light-magnetooptic effect rotation angle) and ellipticity (ε) are obtained from the measured values. The calculation formula is shown in step S148 in FIG. Here, J1 and J2 indicate the first order and second order of the Bessel function, and δ is the phase delay due to the photoelastic modulator. As described above, δ is adjusted to 0.383 × 2π radians regardless of the measurement wavelength (this is a value slightly smaller than π).
FIG. 17 shows the procedure for measuring only the optical rotation angle (θ), and FIG. 18 shows the procedure for measuring only the ellipticity (ε).
[0042]
FIG. 19 shows a procedure diagram for measuring the hysteresis characteristic of the sample with respect to the magnetic field by changing the magnetic field from “zero → plus maximum value → zero → minus maximum value → zero”. The direction and intensity of the magnetic field are determined in advance with respect to the number of measurements, and the above-described magnetic field change pattern is obtained. First, the calibration process shown in FIGS. 14 and 15 is performed at the start of measurement (S171). Next, the magnetic field is changed according to a predetermined order (S173). When the one-step measurement is finished, step S172 becomes no and the measurement is finished. At this time, the magnetic field is set to zero (S176), and the voltage applied to the photoelectron amplifier tube 162 is set to zero (S177). During the execution of the sequential measurement, the measurement is continued (S175) while changing the magnetic field (S173).
[0043]
FIG. 20 shows a processing procedure for measuring the wavelength dependence. In this measurement, the photo-magnetic effect when the sample is saturated with respect to the magnetic field is examined. For this purpose, the sample 176 is measured by adding a positive maximum magnetic field and a negative maximum magnetic field, and the saturation characteristic is examined from the difference between the measured values. In step S181, calibration processing is performed. In step S182, the wavelength at the start of measurement is set. In this state, a positive maximum magnetic field is applied (S183). A series of measurements are continued while changing the wavelength, and when measurement at the final wavelength is performed, step S184 becomes NO. At this time, the measurement is finished (S190, S191). During measurement, after measuring with the maximum positive magnetic field (S185), the direction of the magnetic field is reversed, and then the maximum negative magnetic field is applied (S186) and measurement is performed (S187).
After the above processing, the difference between the two is taken and divided by 2 (S188), and the optical rotation angle θ and the ellipticity ε at the time of saturation are calculated. This is performed for all wavelengths while changing the wavelength (S189).
When measuring at the next wavelength, measurement is first performed while applying a negative magnetic field, and then measurement is performed by reversing the magnetic field and applying a positive magnetic field (S185, S186, S187). Thus, for each wavelength, measurement is performed while alternately changing the magnetic field as “+ → −” and “− → +”. Wavelength dependence is measured by completing a series of measurements for all wavelengths.
[0044]
FIG. 21 illustrates an improved wavelength dependent process. In this processing procedure, calibration processing is performed for each wavelength. For this purpose, the analyzer is measured at +2 degrees (S194, S195), and then the analyzer 156 is measured at 0 degrees (S196, S197). As a result, a calibration straight line as shown in FIG. 21B is obtained, and a calibration coefficient at that wavelength is calculated therefrom. In this example, the measurement of the photo-magneto-optical effect is performed with the analyzer 156 at +2 degrees (S194 and S195) (S199 and 200). That is, it does not measure at zero angle. However, since the difference between the positive magnetic field and the negative magnetic field is obtained in step S201, the influence of the deviation from the zero angle is canceled out, and good measurement is performed.
[0045]
FIG. 22 shows another example in which the same improvement as in FIG. 21 is performed, and the analyzer 156 is used at either +2 degrees or −2 degrees. In this improved example, calibration is performed by applying a positive magnetic field at a certain wavelength (FIG. 22B), and calibration is performed by applying a negative magnetic field at the next wavelength (FIG. 22C). In this way, the number of magnetic field reversals required for calibration is minimized, and the measurement time is significantly shortened.
In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to a measurement device using a circularly polarized wave is shown. However, the present invention can also be applied to a measurement device using a cross-Nicol method, a Faraday cell method, or a rotating analyzer method. . Moreover, in the said embodiment, although the process procedure was mainly demonstrated about the case where a Kerr effect is measured, the same procedure can be applied also when measuring a Faraday effect.
[0046]
As described above, the preferred embodiment as the first device of the present invention has been described. However, according to the measurement device according to the present embodiment, the short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less emitted from the deuterium lamp 102 is routed. Any of the above-described components can be accommodated in the sealable containers 106, 142, 166, 170, 178 and the containers 106, 142, 166, 170, 178 can be evacuated. Therefore, an optical path (see FIG. 5) from the deuterium lamp 102 to the photodetectors (160, 160a, 162, 162a) is secured in the sealed space in the containers 106, 142, 166, 170, 178, and Short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less in the optical path is not attenuated by the atmosphere. That is, in the general atmosphere, vacuum ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less is absorbed by oxygen and vacuum ultraviolet light having a wavelength of 145 nm or less is absorbed by nitrogen. In this measuring apparatus, such absorption by gas molecules is a practical problem. It can be suppressed to a level that is not possible. Therefore, according to the first apparatus of the present invention, it is possible to realize the measurement of the photo-magneto-optic effect (Faraday effect and / or Kerr effect) with short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less based on the above processing procedure. .
[0047]
Next, as a second embodiment of the present invention, a Kerr effect measuring apparatus suitable as the second apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 23 is a plan view schematically showing the measuring apparatus according to this embodiment.
[0048]
As shown in FIG. 23, the measurement apparatus according to the present embodiment is similar to the measurement apparatus according to the first embodiment described above. The light source unit 201 includes a deuterium lamp 202 and a xenon lamp 208 as light sources, and the light source unit. A spectroscope 220 for extracting light having a desired wavelength while dispersing light emitted from 201, a sample holder 274 for storing the sample 276, and an electromagnet 272 corresponding to means for applying a magnetic field to the sample 276. The electromagnet unit 269 and the optical system box 265 are main components, which are arranged on the surface plate 200. The optical system box 265 receives the reflected light from the first polarizer, the photoelastic modulator, and the sample 276 for polarizing the light extracted from the spectroscope 220, as in the first embodiment. A second polarizer that passes through, a germanium diode that detects the intensity of light that has passed through the second polarizer, and a photodetector (none of which is shown) having an optical path switching reflector in a photoelectron amplifier tube are accommodated ing.
[0049]
Thus, as in the first embodiment, the light source unit 201 (deuterium lamp 202 system) excluding the xenon lamp 208 and the reflecting mirrors 210 and 212 associated therewith, the spectroscope 220, the optical system box 265, and the electromagnet 272 ( That is, the sample holding portion is accommodated in containers 206, 242, 266, and 270 that can be sealed. As a result, also in the measurement apparatus according to the present embodiment, the optical path of short-wavelength light having a wavelength of 200 nm or less from the light source unit 201 to the photodetector is blocked from the outside air and accommodated in the sealed containers 206, 242, 266, and 270. Is done.
In addition, as in the first embodiment, one end of a container 206 that houses the light source unit 201 and a container 266 that houses the optical system box 265 is provided with an electromagnetic valve or the like corresponding to the exhaust unit in the present embodiment. Exhaust pipes 214 and 215 having control valves 213 and 216 are provided.
[0050]
By the way, in the measuring apparatus according to the present embodiment, the container 206 for storing the light source unit 201, the container 242 for storing the spectroscope 220, and the container 266 for storing the optical system box 265 are in a state of being able to ventilate each other and shielded from the outside air. On the other hand, as shown in FIG. 23, the optical path from the first polarizer to the sample 276 and the optical path from the sample 276 to the second polarizer, that is, the electromagnet portion 269 are connected. Between the container 270 for accommodating the optical system box 265 and the container 266 for accommodating the optical system 265, it is possible to transmit short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less by the vacuum ultraviolet light transmitting member 211 preferably made of lithium fluoride or magnesium fluoride. However, they are separated from each other in an incapable state.
Further, a vent 218 having an electromagnetic valve 217 is provided at one end of the container 270 that houses the electromagnet portion, independently of the exhaust unit, and a desired gas (typically, typically in the container 270). Can be replaced by nitrogen gas).
[0051]
As a result of the above configuration, in the measuring apparatus according to the present embodiment, the light source unit 201 storage container 206, the spectroscope 220 storage container 242 and the optical system are performed by performing exhaust processing through the exhaust pipes 214 and 215. While the box 265 storage container 266 is in a vacuum state, the optical path of the short wavelength light in the containers 206, 242, 266 is placed under vacuum, while the electromagnet part 269 storage container 270 is connected to the inside and outside through the ventilation port 218. The gas inside the container 270 can be replaced with a gas not containing oxygen (for example, nitrogen gas) without causing a pressure difference.
Therefore, according to the measuring apparatus according to the present embodiment, the sample holder 275 can be kept under the same atmospheric pressure as the outside air, and the sample holder 274 and the sample 276 can be easily replaced in the sample holder 275. Further, since the electromagnet portion 269 including the sample holding portion 275 is not decompressed even when measuring the magneto-optical effect, the auxiliary means such as the above-described O-ring 171 is used for the sample 276 or the sample holder 274 having various shapes and properties. Therefore, the sample can be stably held in the sample holder 275, and measurement can be performed with good reproducibility.
In the measuring apparatus according to the present embodiment, most of the optical path is placed under vacuum, and the normal pressure portion (that is, the vicinity of the sample 276) does not contain oxygen that absorbs short-wavelength light having a wavelength of 200 nm or less. Since it can be replaced with nitrogen gas or the like, the attenuation of short wavelength light with a wavelength of 200 nm or less can be suppressed to a level that does not cause a practical problem. Therefore, according to the second apparatus of the present invention, the measurement of the photo-magneto-optic effect with a short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less is realized based on the same procedure as the processing procedure described in the first embodiment. be able to.
[0052]
The preferred embodiments of the magneto-optical effect measuring apparatus of the present invention have been described above, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the above embodiments.
For example, in each of the embodiments described above, the control valve and the exhaust pipe as the exhaust means are both provided in the container of the light source unit and the container of the optical system box. It can be suitably provided in the part which does not become. Further, by providing the measuring apparatus according to the second embodiment with the same Faraday effect measuring device (optical element) as disclosed in the first embodiment, the Kerr effect can be obtained based on the above processing procedure. It will be appreciated by those skilled in the art that the Faraday effect can be suitably measured as well.
Moreover, although the case where this invention was applied to the measuring apparatus by a circularly polarized modulated wave was shown in the said embodiment, it can also be applied to the measuring apparatus by a cross-Nicol method, a Faraday cell method, and a rotation analyzer method.
[0053]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to measure the magneto-optic effect with short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less with a simple apparatus configuration. That is, in the present invention, an optical element that can absorb a short-wavelength light having a wavelength of not more than 200 nm, such as oxygen, can be eliminated from the optical path of the short-wavelength light having a wavelength of not more than 200 nm from the light source part to the photodetector, and further used. However, short-wavelength light having a wavelength of 200 nm or less is not strongly attenuated, so that the photo-magneto-optic effect at a wavelength of 200 nm or less can be measured. The photo-magneto-optical effect measuring apparatus of the present invention greatly contributes to the progress of ultra-high density storage technology that is expected to become important in the future.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view schematically showing an outline of a measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a planar layout of the measurement apparatus of the present invention according to one embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing details of a spectroscope and a filter.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a measurement principle.
FIG. 5 is a diagram showing an optical path as a center.
FIG. 6 is an electrical system diagram of the measurement apparatus of the present invention according to one embodiment.
FIG. 7 is a diagram schematically showing an electrical system of the measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an irradiation optical system.
FIG. 9 is a diagram illustrating a procedure for selecting a lamp.
FIG. 10 is a diagram showing a procedure for selecting a diffraction grating and adjusting an angle.
FIG. 11 is a selection procedure diagram of a filter.
FIG. 12 is a selection procedure diagram of a detection apparatus.
FIG. 13 is an overall processing procedure diagram of a measurement preparation procedure.
FIG. 14 is a calibration processing procedure diagram.
FIG. 15 is a diagram showing the contents of calibration.
FIG. 16 is an actual procedure diagram at the time of measurement.
FIG. 17 is a measurement procedure diagram of a light-magnetic effect rotation angle (optical rotation angle).
FIG. 18 is a measurement procedure diagram of ellipticity.
FIG. 19 is a measurement procedure diagram of hysteresis characteristics.
FIG. 20 is a measurement procedure diagram of wavelength dependence (part 1);
FIG. 21 is a measurement procedure diagram of wavelength dependence (part 2);
FIG. 22 is a measurement procedure diagram of wavelength dependence (part 3);
FIG. 23 is a plan view schematically showing the measurement apparatus of the present invention according to one embodiment.
[Explanation of symbols]
101, 201 Light source unit
102,202 Deuterium lamp
106, 142, 166, 170, 178, 206, 242, 266, 270 containers
108,208 Xenon lamp
113, 116, 213, 216 Valve
114, 115, 214, 215 Exhaust pipe
120,220 Spectrometer
130, 132, 134 diffraction grating
150 First polarizer
152 Photoelastic Modulator
156, 156a Second polarizer
160, 160a germanium diode
162, 162a Photoelectric amplifier tubes
165, 265 Optical box
169, 269 Electromagnet part
172,272 Electromagnet
175,275 Sample holder
174,274 Sample holder
176,276 samples
211 Vacuum ultraviolet light transmitting member
218 Ventilation opening

Claims (1)

光源部と、その光源部からの光を分光して必要な波長の光をとりだす分光器と、その分光器でとりだされた光を偏光する第1の偏光子と、試料に磁場を印加する手段を備えた試料保持部と、該第1の偏光子から該試料保持部に装着された試料に照射された光であって該試料を透過した光または該試料で反射した光を通す第2の偏光子と、その第2の偏光子を通過した光の強度を検出する光検出器とを備えた光−磁気光学効果測定装置において、A light source unit, a spectroscope that separates light from the light source unit and extracts light of a necessary wavelength, a first polarizer that polarizes light extracted by the spectroscope, and a magnetic field is applied to the sample A sample holding unit provided with means, and a second light that passes through the sample irradiated from the first polarizer to the sample mounted on the sample holding unit or the light reflected by the sample. And a photo-magneto-optic effect measurement apparatus comprising: a polarizer; and a photodetector that detects the intensity of light that has passed through the second polarizer.
その光源部は波長200nm以下の短波長光を放射し得るように構成されており、The light source unit is configured to emit short wavelength light having a wavelength of 200 nm or less,
該光源部から該光検出器に至る該短波長光の光路は該試料保持部とともに密閉可能な容器内に収容されており、The optical path of the short wavelength light from the light source part to the photodetector is housed in a container that can be sealed together with the sample holder,
該容器は、試料保持部を包含する容器と第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器との間において前記短波長光を透過可能且つ相互にガス流通不能な状態で隔てる真空紫外光透過部材を備え、The container is capable of transmitting the short-wavelength light and mutually incapable of gas flow between a container including a sample holder and a container including an optical system including a first polarizer and a second polarizer. With a vacuum ultraviolet light transmitting member separated by
ここで、該試料保持部を包含する容器には該容器内のガスを置換するための換気口が開閉可能に備えられている一方、該第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器には該容器内のガスを排出するための排気手段が備えられており、Here, the container including the sample holder is provided with a vent for opening and closing the gas in the container so as to be openable and closable, and the optical system includes the first polarizer and the second polarizer. The container containing the system is provided with an exhaust means for discharging the gas in the container,
光−磁気光学効果測定の際には、該試料保持部を包含する容器内を酸素を含まない気体に置換するとともに該第1の偏光子および第2の偏光子を含む光学系を包含する容器内を真空状態とすることが実現されることを特徴とする光−磁気光学効果測定装置。In measuring the magneto-optical effect, a container including the optical system including the first polarizer and the second polarizer is used while the container including the sample holder is replaced with a gas not containing oxygen. A photo-magneto-optic effect measuring apparatus characterized in that the inside is made into a vacuum state.
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