JP6368880B1 - 旋光度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ファラデーセルを使用せずに旋光度測定装置を構成することにより、低消費電力かつ小型化が可能な旋光度測定装置を提供する。【解決手段】 本発明にかかる旋光度測定装置は、少なくとも、直線偏光を出射する光源ユニット、磁気光学変調素子、磁場印加機構および光検出器を有している。そして、磁気光学変調素子を構成する積層体で発生する多重反射によって磁気光学信号が増強する条件で光源ユニットからの光を積層体に照射する。このとき、測定対象の通過にともなう偏光面の回転角度を、磁場印加機構によって積層体の磁化を制御することにより、積層体からの反射光の変化である磁気光学信号として検出する。磁気光学変調素子は、金属磁性薄膜を含む積層体により構成され、飽和磁場が小さい軟磁性材料を用いることで、低消費電力かつ小型の旋光度測定装置が提供できる。【選択図】図１

Description

本発明は、光学活性物質の旋光度を計測する旋光度測定装置に関する。

糖類、アミノ酸、ビタミンなど、旋光性を有する光学活性物質の特定あるいは濃度を計測するための旋光度測定装置が知られている。旋光性とは、直線偏光が、例えばグルコースのような光学活性物質を通過するとき、その偏光面が回転する性質のことであり、このときの偏光面の回転角度は旋光度と呼ばれる。単位物質当たりの旋光度は物質に固有の値であり、溶液の旋光度を計測することによって、溶液中の物質の特定、あるいは、その濃度を測定することができる。

旋光度を計測する旋光度測定装置は、偏光子を用いて直線偏光とした計測光を測定対象に入射し、その後、測定対象を通過した計測光を検光子に入射して、検光子を通過した光量を計測することで測定物質の旋光度を測定する装置である。具体的には、検光子を通過した光量を検出しながら検光子を回転させ、検光子を通過する光量がゼロとなる検光子の回転角度を求めることにより、測定対象が直線偏光の偏光面を回転させた角度、即ち測定対象の旋光度を求めることができる。

従来、旋光度を高精度に計測するため、計測光の偏光面を一定の角度で周期的に変動させ、検光子を通過する光量を変調させる偏光面振動方式が一般に用いられている。代表的な旋光度測定装置としては、検光子の前に配置されたファラデーセルを用いて偏光面の角度を振動させる装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

ファラデーセルは、ファラデーコイル内にファラデーガラスが組み込まれた構成となっており、ファラデーコイルに電流を供給することで内部に磁場を発生させ、ファラデーガラスを通過する直線偏光の偏光面の角度を、磁気光学効果の一つであるファラデー効果により印加磁場の強さに応じて変動させる。交流電流が供給されたファラデーコイルは、内部に振動磁場を発生させ、ファラデーガラスを通過する直線偏光の偏光面は、この振動磁場に応じて回転角度および回転方向が振動する。検光子を通過する光量は、偏光面の角度に応じて変動するため、計測光を検出した検出信号は交流信号となり、計測光のノイズ成分が多い場合でも、旋光度を高精度に測定することができる。

ファラデー効果による偏光面の回転角度θ_ｆは、光が通過するファラデーガラスの長さｌ、印加された磁場の強さＨに比例し、
θ_ｆ＝Ｖ×ｌ×Ｈ ・・・（式１）
で表され、Ｖはヴェルデ定数と呼ばれる。例えば、比較的大きなヴェルデ定数を持つ重フリントガラス（Ｖ＝１．３×１０^−１分／Ａ）を用いた場合、数度の旋光角を得るためには、式１より、Ｈ〜１０^５Ａ／ｍ（ただし、ｌ＝１ｃｍ）となり、ファラデーコイルの直径や巻き線数にもよるが、数Ａの電流が必要となる。

一方、測定対象を通過した光の偏光面の角度を計測する別の手法として、光磁気記録システムにおいて一般的に知られている差動検出法を用いた旋光度測定装置が、特許文献３に開示されている。測定対象を通過した光を偏光ビーム分割器によって２つの光に分割して、各々の光を２台の光検出器により計測することで、検光子を使うことなく偏光角を読み取ることを特徴としている。なお、本先行技術文献では、ファラデーセルを用いることなく旋光度を測定しているが、旋光度を高精度に測定するためには、何らかの手法により計測光に変調を加える必要があることは、検光子を用いた従来の旋光度測定装置と同様である。

特開平９−１３８２３１号公報 特開２０００−８１３８６号公報 特開２０１２−８３３１１号公報

ファラデーセルを採用した旋光度測定装置では、前述のように、偏光面の角度を変動させるために、ファラデーセルに数Ａの電流を供給する必要があり、消費電力が大きくなるという問題がある。さらに、ファラデーセルのサイズは、数ｃｍと大きいため、装置の小型化といった点でも改善が求められている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決するために、ファラデーセルを使用せずに旋光度測定装置を構成することにより、低消費電力かつ小型化が可能な旋光度測定装置を提供することにある。

前記問題点を解決するために、本発明にかかる旋光度測定装置は、少なくとも、直線偏光を出射する光源ユニット、磁気カー効果によって計測光の強度あるいは偏光角を変調する磁気光学変調素子、該磁気光学変調素子に交流磁場を印加する磁場印加機構、および、前記磁気光学変調素子から反射した光を検出する光検出器を有している。磁気カー効果とは、磁気光学効果の一つであり、直線偏光を磁性材料に照射した場合に、磁性材料の磁化方向に応じて反射光の反射強度あるいは偏光面の角度が変化する現象である。ここで、本発明にかかる旋光度測定装置は、前記磁気光学変調素子としては、少なくとも、基板上に金属磁性層と、誘電体光干渉層と、金属反射層とが積層された積層体で構成することができる。そして、本発明の旋光度測定装置によれば、前記光源ユニットから出射された直線偏光が、測定対象を通過後に配置された前記積層体に入射したときに、前記積層体で発生する多重反射によって、反射光である磁気光学信号が増強する条件で前記光源ユニットからの光を照射する。このとき、本発明にかかる旋光度測定装置は、測定対象の通過にともなう偏光面の回転角度を、前記磁場印加機構によって前記金属磁性層の磁化方向を制御することにより、前記積層体からの反射光の変化である磁気光学信号として前記光検出器で検出することによって、測定対象の旋光度を測定することを特徴としている。前記磁気光学変調素子は、薄膜を積層した積層体により構成され、従来のファラデーセルを用いた旋光度測定装置に比較して、小型の旋光度測定装置が提供できる。

さらに、本発明にかかる旋光度測定装置は、前記磁気光学変調素子を構成する前記金属磁性層としては、小さな飽和磁場を有する軟磁性薄膜であることが好ましい。かかる構成によれば、前記金属磁性層の磁化を制御するために前記磁場印加機構に供給する電流を小さくすることができ、低消費電力の旋光度測定装置を提供することが可能となる。

また、本発明にかかる旋光度測定装置は、前記磁気光学変調素子に交流磁場を印加するための前記磁場印加機構としては、磁気光学変調素子として機能する前記積層体に絶縁体層を介して形成された金属電流層により構成されていることが好ましい。かかる構成によれば、前記金属電流層に交流電流を供給することで発生する漏洩磁場を用いることにより、前記積層体を構成する前記金属磁性層の磁化を制御することが可能となり、電磁石などを別途に設ける必要が無いため、装置構成が簡単となり、小型かつ、低コストの旋光度測定装置の提供が可能となる。

また、前記磁気光学変調素子を構成する前記金属磁性層としては、ＦｅＣｏ合金薄膜あるいはＣｏＰｔ合金薄膜であることが好ましい。かかる構成によれば、前記磁気光学変調素子で発生する磁気光学信号を大きくすることができ、旋光度を高精度に計測できるという効果を奏する。

さらに、本発明にかかる旋光度測定装置は、直線偏光を出射する前記光源ユニットとしては、前記磁気光学変調素子に照射する直線偏光の偏光面の角度を調整するために、偏光子を回動させる回動手段を備えていることが好ましい。かかる構成によれば、前記磁気光学変調素子から反射した磁気光学信号が所定の値となるように偏光子の回動角度を調整することで、該偏光子の回動角度から測定対象の旋光度を求めることができ、旋光度を効率よく計測することが可能な旋光度測定装置の提供が可能となる。

本発明にかかる旋光度測定装置は、少なくとも、光源ユニット、磁気光学変調素子、磁場印加機構および光検出器を有し、さらに、前記光源ユニットから出射された光が、測定対象を通過後に配置された薄膜の積層体で構成された前記磁気光学変調素子に入射したときに、前記積層体で生じる多重反射によって磁気光学信号が増強する条件で前記光源ユニットから直線偏光を照射し、測定対象の通過にともなう前記直線偏光の偏光面の回転角度を、前記磁場印加機構によって前記積層体を構成する金属磁性層の磁化を制御することによって、磁気光学信号として前記光検出器により計測することで、測定対象の旋光度を測定する。そのため、本発明にかかる旋光度測定装置では、前記磁気光学変調素子は薄膜の積層体で構成されているため、従来のファラデーセルを用いた旋光度測定装置に比較して、装置の小型化が可能となる。また、前記金属磁性層として、飽和磁場が小さい軟磁性材料を用いることで、消費電力の削減が可能となる。さらに、前記積層体を構成する金属磁性層の磁化を制御する方法として、前記積層体に絶縁体層を介して形成された金属電流層に交流電流を印加することで発生する漏洩磁場を用いる場合、さらなる旋光度測定装置の小型化および消費電力の削減を可能とする等、本発明は優れた効果を奏する。

第１の実施形態の旋光度測定装置を模式的に示す構成図である。 第１の実施形態の他の旋光度測定装置を模式的に示す構成図である。 図１、図２に示した旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子の磁気光学特性および旋光度の計測原理を示す説明図である。 実施例１の旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子を模式的に示す断面図である。 図４に示した磁気光学変調素子による旋光度の測定を示す特性図である。 第２の実施形態の旋光度測定装置を模式的に示す構成図である。 図６に示した旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子の磁気光学特性を示す説明図である。 図６に示した旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子の旋光度の計測原理を示す説明図である。 第３の実施形態の磁気光学変調素子を模式的に示す構成図である。 図９に示した旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子の磁気光学特性を示す説明図である。 実施例２の旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子を模式的に示す断面図である。 図１１に示した磁気光学変調素子による旋光度の測定を示す特性図である。

本発明の旋光度測定装置では、少なくとも、金属磁性層と誘電体光干渉層と金属反射層とを含む積層体で構成された磁気光学変調素子に直線偏光を照射した場合、積層体の内部で生じる多重反射による磁気光学信号の増強現象を利用することで、測定対象の通過にともなって生じる計測光の偏光面の角度の変化、つまり測定対象の旋光度を計測する。以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１、図２は、本発明の第１の実施形態にかかる旋光度測定装置１０を模式的に示す構成図である。図中の点線の矢印は光路であり、旋光度測定装置１０は、磁気カー効果の一つである横カー効果光学系を基本とし、図１および図２に示すように、磁気光学変調素子として機能する積層体１５の表面に対して、斜め方向から光を照射した状態で、入射光と反射光の反射面（積層体１５）への射影に対して直交する方向、つまり図１および図２の描画面に対して垂直方向に交流磁場を印加し、積層体１５からの反射光の強度の変化である磁気光学信号を計測することで、積層体１５に入射した光の偏光面の角度を測定する。光源ユニットＵは、光源１１、回動手段としての中空モータ１２、および偏光子１３を備えている。本実施形態では、旋光度測定装置１０は、光源１１から出射された光を直線偏光とする偏光子１３と、測定対象を入れるサンプルセル１４と、測定対象を通過した計測光を磁気光学効果により変調するための積層体１５と、該積層体から反射された光をバンドパスフィルタ１６に入射し、該バンドパスフィルタを通過した光を検出する光検出器１７によって構成される。

光源１１としては、半導体レーザ、あるいは、ガスレーザなどの単一の波長の光を出射する単色光源が用いられ、さらに、光源１１から出射された光を直線偏光とするための偏光子１３としては、グラントムソンプリズムなどを用いて、直線偏光特性を向上させるようにすることが好ましい。なお、光源１１が、直線偏光を出射する半導体レーザ等により構成される場合、偏光子１３を使用することなく旋光度測定装置を構成することができるため、装置構成のさらなる簡略化および低価格化を可能にするという効果を奏する。また、偏光子１３は、中空の筒状に形成した電動モータである中空モータ１２の開口部をふさぐ位置に固定されている。中空モータ１２にはモータドライバ２１が接続されており、該モータドライバから供給される駆動電流によって中空モータを回動させることにより、偏光子１３を回動させて、直線偏光の偏光面が所定の角度となるように調整して、直線偏光がサンプルセル１４に入射する。

サンプルセル１４は、液体状の測定対象が注入される透明容器であり、測定対象内を光路が通る位置に配置されている。サンプルセル１４を通過した光は、磁気光学変調素子として機能する積層体１５に入射し、積層体１５で生じる磁気光学効果によって、磁気光学信号として出射される。積層体１５から出射された光は、バンドパスフィルタ１６を通って、光検出器１７へ入射される。バンドパスフィルタ１６は、旋光度の計測に用いる波長の光を通過させ、その他の波長の光を遮断する光学フィルタである。

積層体１５は、基板上に、金属磁性層３２と誘電体光干渉層３１と金属反射層３０とをこの順番で積層した構造体により構成され、積層体１５の内部で生じる多重反射によって磁気光学効果が増強する条件で、直線偏光が照射される。したがって、誘電体光干渉層３１は、積層体１５に照射された光が、積層体１５の内部で多重反射を生じる厚さに設定する必要があり、具体的には、誘電体光干渉層３１と金属反射層３０のそれぞれの厚さと屈折率とを乗じて加算した値が、照射する光の波長に対して１／４程度より厚いことが好ましい。さらに、金属反射層３０は、積層体１５に照射された光が、積層体１５の内部に侵入できる厚さである必要があり、具体的には、３０ｎｍ以下の厚さであることが好ましい。また、金属磁性層３２は、積層体１５の内部に侵入した光を反射させるのに十分な厚さである必要があり、具体的には、３０ｎｍ以上の厚さであることが好ましい。なお、積層体１５を構成する各層を積層する順番は、上記に限定されるものではない。積層体１５の内部で生じる多重反射によって磁気光学信号が増強されるように各層の厚さを調整した場合には、例えば、基板上に、金属反射層３０と誘電体光干渉層３１と金属磁性層３２とをこの順番で積層することも可能である。

図１に示した磁場印加機構１８、あるいは、図２に示した金属電流層３４には、電流源１９が接続されており、該電流源から交流電流を供給することで発生する漏洩磁場を用いて、金属磁性層３２の磁化を、積層体１５への入射光と反射光への射影に対して直交する方向、つまり図１および図２の描画面に対して手前方向あるいは奥行方向に制御するためのものである。磁場印加機構１８は、積層体１５への入射光と反射光との法線方向に磁場を印加するものである。特に、磁場印加機構として、図２に示すように、積層体１５に近接して金属電流層３４を形成した場合、電磁石などを別途に設ける必要がないため、装置構成が簡単となり、小型かつ、低コストの旋光度測定装置を提供できるといった効果を奏する。この場合、金属電流層３４に効率よく電流を供給するため、金属電流層３４と金属磁性層３２との間には、絶縁体層３３を形成することが望ましく、また、金属電流層３４は、金属磁性層３２の磁化を制御するのに十分な電流を供給できる厚さである必要があり、具体的には、３０ｎｍ以上の厚さであることが好ましい。なお、図２の磁場印加機構１８は、絶縁体層３３、および金属電流層３４を備えている。

金属磁性層３２に用いる材料としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の金属や合金等からなる一般的な磁性材料が挙げられるが、特に、大きな磁気光学効果を有するＦｅを主成分とした材料であることが好ましい。この場合、計測光の偏光面の角度変化にともなう磁気光学信号を大きくすることができ、高精度の旋光度計測を可能とするといった効果を奏する。さらに、消費電力を抑えるという観点からは、磁性金属層３２に用いる材料としては、飽和磁場が小さい軟磁性材料であることが好ましい。このような条件にあう磁性金属層３２の一例としては、ＦｅＣｏ合金（鉄とコバルトとの合金薄膜）あるいはＦｅＳｉ合金等が挙げられる。一般に、これらの磁性材料の飽和磁場は１０^３Ａ／ｍ程度であり、これは式１を用いて計算したファラデーセルの駆動磁場（Ｈ〜１０^５Ａ／ｍ）の１／１００程度である。したがって、磁性金属層３２として飽和磁場が小さい軟磁性材料を用いた本発明の旋光度測定装置では、従来のファラデーセルを用いた旋光度測定装置に比べて、消費電流を１／１００程度に大きく低減することができるといった効果を奏する。

誘電体光干渉層３１に用いる材料としては、ＳｉＯ_２，ＺｎＯ，ＴｉＯ_２，ＡｌＮ，ＭｇＦ_２等の一般的な透明酸化物、透明窒化物あるいは透明弗化物が挙げられ、光源１１から照射される光の波長に対して、高い透過率を有することが好ましい。さらに、金属反射層３０に用いる材料としては、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ等の金属や合金等からなる一般的な金属材料が挙げられ、光源１１から照射される光の波長に対して、高い反射率を有することが好ましい。これらの材料を用いた場合、積層体１５の内部での多重反射によって発生する光量の減少を少なくすることができ、高精度の旋光度計測を可能にするといった効果を奏する。

次に、本実施形態の旋光度測定装置１０による旋光度の測定原理について図３を使って説明する。ここで、前記磁気光学変調素子を構成する積層体１５に、偏光面の角度がθ_１の直線偏光が入射したときに、積層体１５の内部で生じる多重反射によって、反射される光の強度変化、つまり磁気光学信号が最も大きくなる構成である場合について考える。

前記構成の積層体１５において、金属磁性層３２の磁化を単一方向とすることが可能な所定の強度の磁場（＋Ｈ_１あるいは−Ｈ_１）を、図１に示した磁場印加機構１８あるいは図２に示した金属電流層３４からの漏洩磁場により印加した状態で、直線偏光の光を照射した場合、図３（ａ）に示すように、積層体１３の内部で生じる多重反射によって大きな磁気光学効果を受け、結果として、照射された光は大きな強度変化（＋ΔＲ_１あるいは−ΔＲ_１）を持って出射される。金属磁性層３２に印加する磁場の方向は、入射光と反射光の反射面への射影に対して直交する方向であり、このような構成は、一般に、横カー効果と呼ばれる。次に、図３（ｂ）に示すように、磁場（＋Ｈ_１あるいは−Ｈ_１）を印加した状態で、積層体１５に入射する直線偏光の偏光面の角度がθ_１からθ_２に変化した場合、積層体１５での光の干渉条件が変化するため、多重反射の影響が小さくなり、結果として、出射される光の強度変化の大きさ（｜ΔＲ_２｜）は、入射光の偏光面の角度がθ_１である初期状態に比較して小さくなる（｜ΔＲ_１｜＞｜ΔＲ_２｜）。なお、Ｒ_１およびＲ_２は、それぞれ、反射光の平均の強度を表している。積層体１５から反射される光の強度変化は、積層体１５を構成する金属磁性層３２の磁化の向きに応じて変化するため、入射光の偏光面の角度によって磁気光学曲線はそれぞれ図３（ｃ）および図３（ｄ）に示す通りとなる。

したがって、図１に示した磁場印加機構１８あるいは図２に示した金属電流層３４から生じる漏洩磁場により所定の強度で周期的に変化する磁場（±Ｈ_１）を積層体１５に印加することで、入射光の偏光面の角度を、積層体１５から反射された光の強度変化である磁気光学信号として光検出器１７により計測することで、測定対象を通過することで生じた計測光の偏光面の回転角度、つまり旋光度を測定することが可能となる。特に、入射光の偏光面の角度と磁気光学信号との関係を予め導出しておくことは、測定対象の旋光度を短時間かつ、簡単に計測することを可能にするという効果を奏する。

具体的には、サンプルセル１４に測定対象を注入していない状態で、中空モータ１２を回動させることにより、偏光子１３を回動させることで、積層体１５に入射する光の偏光面の角度をさまざまに変えて、積層体１５から反射される光の強度変化である磁気光学信号を光検出器１７により計測する。図３を用いて説明したように、積層体１５から反射される磁気光学信号は、入射光の偏光面の角度に依存して変化し、偏光面の角度と磁気光学信号との関係式を予め導出し、これをコンピュータ２０に記憶する。その後、中空モータ１２を回動させて、積層体１５からの磁気光学信号が最大となるように偏光子１３を回動し、これを初期状態とする。次に、サンプルセル１４に測定対象を注入し、積層体１５からの磁気光学信号を計測して、予め導出しておいた磁気光学信号と偏光面の角度との関係式から、測定対象を通過することで生じた計測光の偏光面の回転角度、つまり旋光度を導出する。

このような計測方法では、測定対象の旋光度を実際に計測する際には、偏光子１３を回動させて計測光の偏光面の角度を変える必要がないため、短時間かつ、低消費電力での旋光度の測定が可能となる。

図４は、本実施形態の実施例にかかる旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子４０を模式的に示す断面図である。

本実施例の磁気光学変調素子４０は、ガラス基板４６上に、厚さが１０ｎｍのＰｄ薄膜からなる下地層４５を形成し、その上に実際に旋光度を計測する積層体４１を形成している。積層体４１は、金属磁性層４４として厚さが１００ｎｍのＦｅＣｏ合金薄膜、誘電体光干渉層４３として厚さが１１６ｎｍのＺｎＯ薄膜、さらに、金属反射層４２として厚さが１１ｎｍのＡｕ薄膜がこの順番で積層された構造体により構成されている。

実際に、この磁気光学変調素子４０を用いて、入射光の偏光面の角度変化、つまり旋光度を計測した結果を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。本実施例においては、光源としては、波長が６５８ｎｍの半導体レーザを使用し、偏光子を透過させることで直線偏光とした光を、磁気光学変調素子４０の表面に対して斜め４５度の角度で照射し、磁気光学変調素子に、−４０Ｏｅ（図４で描画面に対して奥行方向）から＋４０Ｏｅ（図４で描画面に対して手前方向）で、周期的に変動する磁場を印加した状態で、磁気光学変調素子４０からの反射光の強度変化を測定した。磁気光学変調素子４０に印加する磁場の方向は、入射光と反射光の反射面への射影に対して直交する方向とした。

積層体４１から出射される磁気光学信号、つまり磁場の印加による反射光強度の変化率ΔＲ／Ｒは、図５（ａ）に示す通り、積層体４１に入射する光の偏光面の角度θ_Ｐに応じて変動した。ここで、反射光強度の変化率ΔＲ／Ｒと入射光の偏光面の角度θ_Ｐとの関係式は、

と表すことができた。したがって、計測光の偏光面の角度θ_Ｐ、つまり旋光度は、計測光の変化率ΔＲ／Ｒを測定することで、

より導出することができる。
図５（ｂ）は、磁気光学変調素子４０に入射する計測光の偏光角、つまり旋光度が、偏光子を回動させることで初期状態から＋１．２度回転した場合に、磁気光学変調素子４０から出射される磁気光学信号の変化する様子を示している。最初に、磁気光学変調素子４０から出射される磁気光学信号、つまり反射光の強度変化が最も大きくなるように偏光子を回動させて、これを初期状態、つまり旋光度がゼロとする。次に、偏光子を時計回りに回動させることで偏光角を＋１．２度に設定して、同様に磁気光学変調素子４０から出射される磁気光学信号を計測する。このとき、図５（ｂ）から分かるように、光検出器１７で計測される磁気光学信号は、初期状態の±４８．４％から、偏光角を＋１．２度とすることで±３８．４％に変化した。したがって、式３にΔＲ／Ｒ＝３８．４を代入することで、旋光度θ_Ｐは＋１．２１度と求めることができ、偏光子による設定値とよく一致することが確認できた。

本実施例においては、反射光強度の変化率の減少量を計測することで旋光度を測定する場合について説明したが、これに限定されるものではない。初期状態での入射光の偏光面の角度は、任意の角度に設定することが可能である。特に、偏光子１３の初期状態を、磁気光学信号が急峻な変化を示す角度に設定することにより、旋光度を高い分解能で測定することが可能となる。

さらに、以上のような旋光度測定装置では、光検出器１７で計測される磁気光学信号は、磁場印加機構１８あるいは金属電流層３４から積層体１５に印加する磁場と同期して検出される。したがって、周期的に変動する磁場を用いて、同期計測あるいはフーリエ解析を行うことは、磁気光学信号のノイズ低減による測定精度の向上に有効である。

また、旋光度の別の計測方法として、測定対象をサンプルセル１４に注入した状態で、積層体１５からの磁気光学信号が最大となるように、中空モータ１２を回動させることで偏光子１３を回動させて、このときの偏光子１３の回転角度を初期状態からの変化量として計測することで、旋光度を求めることも有効である。この場合、旋光度が大きな測定対象に対しても、旋光度を高精度に測定することが可能となる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる旋光度測定装置５０を模式的に示す構成図である。旋光度測定装置５０は、磁気カー効果の一つである縦カー効果光学系を基本とし、磁気光学変調素子として機能する積層体１５の表面に対して、斜め方向から光を照射した状態で、入射光と反射光の反射面への射影に対して同一方向、つまり図６の描画面に対して面内方向に交流磁場を印加したときに生じる反射光の偏光面の角度変化である磁気光学信号を計測することで旋光度を測定する。本実施形態では、旋光度測定装置５０は、光源１１から出射された光を直線偏光とする偏光子１３と、測定対象を入れるサンプルセル１４と、測定対象を通過した光を偏光角の変化である磁気光学信号に変換するための積層体１５と、該積層体から反射した磁気光学信号を光の強度における変化に変換するための検光子２３と、該検光子を透過した光の強度を検出するための光検出器１７によって構成される。

ここで、本実施形態の旋光度測定装置５０は、磁場印加機構１８が、磁気光学変調素子として機能する積層体１５に、入射光と反射光の反射面への射影に対して同じ方向に交流磁場を印加する構成であること、および、積層体１５から反射した光の偏光角の変化である磁気光学信号を光の強度における変化に変換するために検光子２３を備えること以外は、第１の実施形態と同様である。また、磁場印加機構１８は、図６に示した構成に限定されるものではなく、第１の実施形態の他の旋光度測定装置と同様に、積層体１５に絶縁体層３３を介して形成された金属電流層３４に交流電流を供給する構成としたものでも構わない。

本実施形態の旋光度測定装置５０の磁気光学変調素子は、第１の実施形態の場合と同様に、金属磁性層３２と誘電体光干渉層３１と金属反射層３０とを積層した積層体１５により構成され、積層体１５の構造ならびに積層体１５を構成する各層の材料および厚さは、第１の実施形態の場合と同じ理由により、第１の実施形態の場合と同様であることが好ましい。

本実施形態の旋光度測定装置５０による旋光度の測定原理を図７および図８を用いて説明する。

前記磁気光学変調素子を構成する積層体１５に、斜め方向から直線偏光を入射した状態で、入射光と反射光の反射面に対して同一方向の磁場を印加した場合、図７（ａ）に示すように、積層体１５からの反射光は、金属磁性層３２の磁化の方向に応じて、偏光角の変化である磁気光学信号として出射される。このような構成は、一般に、縦カー効果と呼ばれる。具体的には、積層体１５に対して、金属磁性層３２の磁化を一方向とすることが可能な所定の強度の磁場（＋Ｈ_２あるいは−Ｈ_２）を印加した状態で、偏光角がθの直線偏光を入射した場合、積層体１５の内部で生じる多重反射によって大きな磁気光学効果を受けて、積層体１５から反射する光は、大きな偏光面の角度変化（＋Δθ_２あるいは−Δθ_２）を持って出射される。つまり、磁気光学変調素子を構成する積層体１５の磁気光学曲線は、印加磁場に応じて図７（ｂ）に示す通りとなる。

図８（ａ）は、積層体１５から反射した磁気光学信号（θ＋Δθ_２あるいはθ−Δθ_２）と、検光子２３の偏光方向との関係を示している。積層体１５から反射した磁気光学信号は、検光子２３を通過することで光の強度における変化（Ｉ＋ΔＩ_２あるいはＩ−ΔＩ_２）に変換されて光検出器１７に入射し、したがって、光検出器１７は、＋ΔＶ_２あるいは−ΔＶ_２の交流信号を出力する。図８（ｂ）は、偏光子１３を回動させて積層体１５に入射する光の偏光面を変えた場合における光検出器１７の出力信号を示している。光検出器１７の交流出力は、積層体１５に入射する光の偏光面の角度と検光子２３の偏光方向とに依存し、特に、両者が同一の角度となった場合に、出力信号はゼロとなる。したがって、光検出器１７の出力信号がゼロとなるように、中空モータ１２を回動させて、偏光子１３を回動させ、このときの偏光子１３の回転角度を初期状態からの変化量として計測することで、測定対象の旋光度を計測することが可能である。

実際に、第１の実施形態における実施例として示した図４の磁気光学変調素子４０に対して縦カー効果の測定を行い、従来の旋光度測定装置で用いられているファラデーセルと同程度の約±８度の偏光角の変化である磁気光学信号を確認した。本実施形態の磁気光学変調素子は、薄膜の積層体で構成されていることから、従来の旋光度測定装置に比べて、装置を小型とすることが可能である。

本実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、周期的に変化する磁場を用いて、同期計測あるいはフーリエ解析を行うことは、磁気光学信号のノイズ低減による計測制度の向上に有効である。さらに、磁場印加機構として、積層体１５に絶縁体層を介して形成された金属電流層３４を用いた場合には、第１の実施形態の場合と同様に、装置構成がさらに簡単となり、さらなる小型化かつ、低コストが可能な旋光度測定装置を提供できるといった効果を奏する。

また、偏光角を計測する別の手法として、光磁気記録システムにおいて一般的に知られている差動検出法を用いることも有効である。具体的には、検光子２３に替わって偏光ビーム分割器と２台の光検出器を用いることで、偏光ビーム分割器を通過することで２つの光に分割された光の強度を２台の光検出器で検出し、その強度比を計測することで偏光角を導出することが可能である。本手法では、光源から出射される光の強度が変動した場合でも、低いノイズでの計測が可能となり、高性能の旋光度測定装置が供給できるといった効果を奏する。

［第３の実施形態］
図９は、本発明の第３の実施形態にかかる旋光度測定装置６０を模式的に示す構成図である。図９および図１０に示すように、旋光度測定装置６０は、磁気カー効果の一つである極カー効果光学系を基本とし、磁気光学変調素子として機能する積層体１５の表面に対して、垂直方向から光を照射した状態で、入射光と同じ方向に積層体１５に交流磁場を印加したときに生じる反射光の偏光面の角度変化（＋Δθ_３あるいは−Δθ_３）である磁気光学信号を計測することで旋光度を測定する。磁気光学変調素子を構成する積層体１５の磁気光学曲線は、印加磁場に応じて図１０（ｂ）に示す通りとなる。本実施形態では、旋光度測定装置６０は、光源１１から出射された光を直線偏光とする偏光子１３と、測定対象を入れるサンプルセル１４と、測定対象を通過した計測光を磁気光学効果によって偏光角における変化である磁気光学信号に変換するための積層体１５と、積層体１５から反射した磁気光学信号をバンドパスフィルタ１６に導くためのハーフミラー２２と、バンドパスフィルタ１６を通過した磁気光学信号を光の強度における変化に変換するための検光子２３と、検光子２３を透過した光の強度を検出するための光検出器１７によって構成される。

ここで、本実施形態の旋光度測定装置６０は、積層体１５に垂直方向から直線偏光の光を照射する配置であること、積層体１５から反射した光を光検出器１７に導くためのハーフミラー２２を備えること、および、磁場印加機構１８が、積層体１５の表面に対して垂直方向の磁場（＋Ｈ_３あるいは−Ｈ_３）を印加する構成であること以外は、第２の実施形態と同様であり、旋光度は、図４で説明した方法と同様の手法により測定される。

ただし、本実施形態の磁気光学変調素子として機能する積層体１５は、基板上に金属反射層３０と誘電体光干渉層３１と金属磁性層３２とをこの順番で積層した積層体１５により構成され、積層の順番は第２の実施形態の場合とは逆としている。本実施形態においても、積層体１５を構成する各層の厚さは、積層体の内部で生じる多重反射によって磁気光学信号が増強する条件である必要がある。具体的には、誘電体光干渉層３１は、積層体１５に照射された光が、積層体１５の内部で多重反射を生じる厚さに設定する必要があり、誘電体光干渉層３１と金属磁性層３２のそれぞれの厚さと屈折率を乗じて加算した値が、照射する光の波長に対して１／４程度より厚いことが好ましい。さらに、金属磁性層３２は、積層体１５に照射された光が、積層体１５の内部に侵入できる厚さである必要があり、３０ｎｍ以下であることが望ましい。また、金属反射層３０は、積層体１５の内部に侵入した光を反射させるのに十分な厚さである必要があり、３０ｎｍ以上の厚さであることが望ましい。また、積層体１５は、上記した構成だけでなく、第２の実施形態の旋光度測定装置と同様に、基板上に金属磁性層３２と誘電体光干渉層３１と金属反射層３０とをこの順番で積層したものでも構わない。

本実施形態の金属磁性層３２に用いる材料としては、金属磁性層３２を膜面垂直方向に効率よく磁化させるためには、膜面垂直方向に磁化容易軸を持つ材料であることが好ましく、具体的には、ＣｏＰｔ合金膜（コバルトと白金との合金薄膜）、ＦｅＰｔ合金膜、ＴｂＦｅＣｏ合金膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜等が挙げられる。これらの材料を用いることで、低消費電力の旋光度測定装置を提供することが可能となる。

図１１は、本実施形態の実施例にかかる旋光度測定装置を構成する磁気光学変調素子７０を模式的に示す断面図である。

本実施例の磁気光学変調素子７０は、ガラス基板７６上に、厚さが１０ｎｍのＺｎＯ薄膜からなる下地層７５を形成し、その上に実際に旋光度を計測する積層体７１を形成している。積層体７１は、金属反射層７４として厚さが１００ｎｍのＡｇ薄膜、誘電体光干渉層７３として厚さが６０ｎｍのＺｎＯ薄膜、さらに、金属磁性層７２として厚さが５ｎｍのＣｏＰｔ合金薄膜がこの順番で積層された構造体により構成されている。

図１２（ａ）は、上記構成の磁気光学変調素子７０の表面に対して垂直方向に−１ｋＯｅ（図１１で下向き方向）から＋１ｋＯｅ（図１１で上向き方向）で、周期的に変動する磁場を印加した状態で、直線偏光が磁気光学変調素子に垂直方法に入射したときの、磁気光学変調素子７０からの反射光の偏光角の変化を示している。磁気光学変調素子７０からは、金属磁性層７２の磁化方向が上向きか下向きかに応じて、約±１３度の偏光角の変化を持った磁気光学信号が出射される。これは、前述のとおり、従来の旋光度測定装置で用いられているファラデーセルと同程度以上の磁気光学信号であり、薄膜の積層体で構成された本実施形態の磁気光学変調素子では、従来に比べて小型の旋光度測定装置を提供することが可能である。

実際に、この磁気光学変調素子７０を用いて、図４で説明した方法によって、入射光の偏光角、つまり旋光度を測定した結果を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）の縦軸である偏光子のオフセット量は、磁気光学変調素子７０から反射した光の偏光面の角度を、検光子の偏光方向と同一にするために必要な偏光子の回転角度を示している。偏光子のオフセット量と入射光の偏光角とは、良い一致を示しており、初期状態からの偏光子のオフセット量を計測することで、旋光度（入射光の偏光角）を測定することが可能であることが確認できた。

本実施形態の旋光度測定装置においても、第１および第２の実施形態の場合と同様に、周期的に変化する磁場を用いて、同期計測あるいはフーリエ解析を行うことは、磁気光学信号のノイズ低減による計測制度の向上に有効である。

また、第２の実施形態の場合と同様に、計測光の偏光角を測定する方法として、検光子に替わって、偏光ビーム分割器と２台の光検出器を用いて差動検出法を利用することも有効である。本手法では、光源から出射される光の強度変動が発生した場合でも、低いノイズでの計測が可能となり、高性能の旋光度測定装置が供給できるといった効果を奏する。

本発明にかかる旋光度測定装置は、光学活性物質の旋光度を計測する旋光度測定装置として利用可能である。

１０，５０，６０…旋光度測定装置、Ｕ…光源ユニット、１１…光源、
１２…中空モータ、１３…偏光子、１４…サンプルセル、１５，４１，７１…積層体、
１６…バンドパスフィルタ、１７…光検出器、１８…磁場印加機構、１９…電流源、
２０…コンピュータ、２１…モータドライバ、２２…ハーフミラー、２３…検光子、
３０，４２，７４…金属反射層、３１，４３，７３…誘電体光干渉層、
３２，４４，７２…金属磁性層、３３…絶縁体層、３４…金属電流層、
４０，７０…磁気光学変調素子、４５，７５…下地層、４６，７６…ガラス基板。

Claims (10)

1. 少なくとも、直線偏光を出射する光源ユニット、金属磁性層と誘電体光干渉層と金属反射層とを含む積層体で構成された磁気光学変調素子、磁場印加機構および光検出器を有し、
   前記光源ユニットから出射された前記直線偏光を測定対象に入射し、前記測定対象を通過した後の前記直線偏光が前記磁気光学変調素子に入射光として入射したときに、前記積層体で発生する多重反射によって、磁気光学信号が増強する条件で前記光源ユニットから光を照射し、
   前記測定対象の通過にともなう前記直線偏光の偏光面の回転角度を、前記磁場印加機構によって前記積層体の磁化を制御することにより、前記積層体からの反射光の変化である前記磁気光学信号に変換して前記光検出器によって計測することにより、前記測定対象の旋光度を測定することを特徴とする旋光度測定装置。
2. 前記光源ユニットが、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を前記直線偏光とする偏光子と、
   前記磁気光学変調素子に照射する前記直線偏光の前記偏光面の角度を調整するために、前記偏光子を回動させる回動手段と、
   を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
3. 前記磁場印加機構が、金属電流層と、前記積層体と前記金属電流層との間に形成された絶縁体層と、を備え、
   前記磁場印加機構が、前記金属電流層に交流電流が印加されることで前記積層体を構成する前記金属磁性層の磁化を制御することを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
4. 前記磁場印加機構が、前記積層体への前記入射光と前記反射光との射影に対して直交する方向に磁場を印加し、かつ前記光検出器が前記反射光の強度の変化である前記磁気光学信号を検出することを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
5. 前記磁場印加機構が、前記積層体への前記入射光と前記反射光との射影に対して同一の方向に磁場を印加し、かつ前記光検出器が前記反射光の偏光面の角度の変化である前記磁気光学信号を検出することを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
6. 前記磁場印加機構が、前記積層体への前記入射光と前記反射光との法線方向に磁場を印加し、かつ前記光検出器が前記反射光の偏光面の角度の変化である前記磁気光学信号を検出することを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
7. 前記積層体を構成する前記金属磁性層が、膜面内方向に磁化容易軸を有する磁性材料であることを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
8. 前記積層体を構成する前記金属磁性層が、鉄とコバルトとの合金薄膜であることを特徴とする請求項７に記載の旋光度測定装置。
9. 前記積層体を構成する前記金属磁性層が、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁性材料であることを特徴とする、請求項１に記載の旋光度測定装置。
10. 前記積層体を構成する前記金属磁性層が、コバルトと白金との合金薄膜であることを特徴とする請求項９に記載の旋光度測定装置。

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