JPS5855444B2 - 磁気光学異方性測定法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁気光学異方性によって生じた光の偏光状態
の微小変化を測定する方法および装置に関する。

磁気旋光（ファラデー効果）や磁気複屈折（フオクト効
果）による光の偏光状態の変化を測定する光度計、たと
えば磁化された試料に直線偏光を照射し、試料から出射
する光の、入射直線偏光に直交する偏光成分を、検光子
を用いて測定する方法は公知である。

この公知の、磁気光学効果に伴なう出射光の偏光状態変
化の測定方法の原理を示せば第１図のごとくなる。

光源１から放射された光を、偏光子２を介してベクトル
Ｐ方向の偏光成分をもつ直線偏光として、試料３に入射
せしめる。

試料３を出射する光は、偏光子２と偏光面が偏光子２に
対し直交する方位に配置した検光子５を介して光検出器
７で受光する。

試料３に磁場Ｈを加えると、磁気光学効果によって試料
に光学的異方性を生じる。

この現象は磁気複屈折と呼ばれる。

磁気複屈折性物質を通過した光は、入射時の偏光状態と
異なる。

その様子を第２図に示す。

第２図ａは入射光の電気ベクトルの先端の軌跡を、光路
に平行に、かつ光線の進行方向と逆の方向に向って観察
したものである。

この軌跡は、入射偏光子２の偏向方向を表すベクトルＰ
と一致する。

試料３を通過した光は、この試料の呈する複屈折性のた
めに、第２図すに示すような楕円偏光に変化する。

試料３の複屈折が大きくなるにつれて、試料を通過した
光は、第２図Ｃに示すような円偏光となり、さらに同図
ｄのような楕円偏光になり、ついに同図ｅに示すような
直線偏光となる。

この直線偏光の偏光方向は、検光子５の方位を表すベク
トルＡと一致する。

偏光状態の変化に伴って、検光子５を通過する光の強度
がどのように変化するかを、第３図に示す。

横軸は、試料３の呈する光学異方性の大きさＱで、Ｑは
（ｎｏ ｎｅ）に比例する。

ただし、ｎ。およびｎｅ はそれぞれＺ軸方向およびｙ
軸方向に偏光した光に対する試料の屈折率である。

図の縦軸は検光子５を通過する光の強度である。

第３図に記入されている記号ａ”’−ｅは、試料３０通
過光が、第２図において対応する同じ記号の楕円偏光ａ
、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが検光子５を介して得られる光強度と
なることを表す。

従来技術においては、入射光は直線偏光であり、したが
って試料の異方性が小さい場合、その動作点は、第３図
のａの位置に相当する。

この方法では、単位体積中の試料原子数密度Ｎが小さい
場合、検出される光強度■は Ｉ−Ａ＋ＢＮ２ （１） と表される。

定数Ａは迷光、もれ光、試料を原子化するための炉ある
いは炎の発光などによる妨害成分である。

定数Ｂは光波長、磁気光学相互作用距離、磁気光学異方
性の大きさ等に依存する。

Ｎが小さい場合、上式第２項で与えられる信号成分は２
次の無限小になり、第１項から生じるノイズに妨害され
て検出が困難になる。

またＩとＮの関係が２次式になることも実用上不便であ
る。

本発明は上記の欠点を解消する、磁気光学効果による光
の偏光状態の変化測定法および装置を提供することを目
的とするものである。

本発明の要旨とするところは、試料の磁気力学異方性を
測定するに当って、それ以外の異方性発生手段を光路上
にバイアスとして付加することである。

すなわち、光源自身または光源から検光子に至る光路上
に円偏光または楕円偏光発生手段を付加するものである
。

この円偏光または楕円偏光発生手段は、試料による磁気
光学的異方性に対し、バイアスとして新たに付加する点
で、従来の磁気光学効果による光の偏光状態の変化測定
法乃至装置とは本質的に異なるものである。

本発明によれば、検光子を透過する光の強度■は、ある
有限な°′もれ光″を持つと同時に、磁場印加のために
試料中に生じる異方性の変化に対応する偏光状態の変化
に対し、その変化量に比例する量の光強度が加はること
になる。

その結果、光検出器に入射する光の強度は、試料に入射
する光の強度Ｉ。

に対し、で表わされる光出力が得られる。

たｇし、Ｎは小さいと仮定した。

こ工でＣは入射光の楕円率と検光子の方位に依存する定
数であり、Ｄは光波長、磁気光学相互作用距離、磁場の
強さなどに依存する定数である。

上式かられかるように本発明の測定方法においては、得
られる光強度は試料原子数密度Ｎの一次関数となるので
、従来の測定方法に比べて有利である。

さらに得られる光強度が大きいので、微小変化も正確に
測定できる利点がある。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例 １ 第４図に示すごとく、光源１（白熱灯、放電灯又はレー
ザ）の光は楕円偏光発生器２を介して楕円偏光に変化す
るか、又はその楕円率に変化を生じて試料３を照射する
。

上記の楕円偏光発生器としてよく知られているのは、直
線偏光子２１と光学異方性素子（たとえば十波長板など
）２２を組合はせたものがある。

さらに図示していないが、必要に応じてフィルタ、分光
器などの波長選択手段を使用する。

試料３には磁極４Ａと４Ｂにより光路と直交する磁場Ｈ
８を加える。

磁場の方向および強度は固定でも可変でもよい。

このような構成にすると、試料３から出射した光は複屈
折性検光子５により互に直交する二つの偏光成分に分離
されるので、これら偏光成分をそれぞれ光検出器７Ａお
よび７Ｂで測定する。

なお、上記の検光子５は複屈折性でなく、単一の偏光成
分のみを取り出すものであってもよい。

なお、上記の装置において、光学系の配置上、必要によ
っては、反射鏡６を使用してもよい。

上記の実施例において、光源１と試料３０間に楕円偏光
発生器２を配置するということは、楕円発生器を介在さ
せないときの第３図の動作点ａをす、ｃ、ｄ等の動作点
に移動させることを意味する。

すなわち、試料３によって生じる微小な異方性を測定す
るに当り、それ以外の異方性発生手段を光路上に付加す
ることによって、光路全長にわたる光学異方性の大きさ
に、ある有限のバイアスを与えることを意味する。

このようにすると、第３図から明らかなように、検光子
５の透過光Ｉは、ある有限な値のもれ光を持つようにな
ると同時に、異方性Ｑの微小変化に対し、それに比例す
る量の工の変化分を生じる。

理論的解析および実験結果によると、光検出器７Ａおよ
び７Ｂに入射する光の強度は、試料３に入射する光の強
度をＩＯとすると、一般に、それぞれ次のように表され
る。

ただし、ここでＮは小さいと仮定した。

上式かられかるように、本発明方式においては、ＩＡお
よび■ＢはＮの１次関数となる。

また、出力信号を示す項Ｄ−Ｎ （ｊ＝ａ、ｂ）の絶
対値は従来方式の信号出力（Ｎに関し２次の無限小）よ
り大きく、したがって炉の発光による妨害も受は難いと
いう利点もある。

以上説明した方法で、式２）あるいは式（３）の関係に
より、光強度■□あるいは■Ｂを測定してＮを求めるこ
とができる。

力２）および（３）において、ｃｏおよびＣｂは入射楕
円偏光の楕円率と検光子の方位に依存する定数である。

またＤａおよびＤｂは、光波長、磁気光学相互作用距離
、磁場の強さなどに依存する定数である。

特別の場合として、入射光が円偏光であり、かつ検光子
５の方位が、磁場Ｈと４５°である場合には、次の関係
が成立つ。

ここで〔αθ〕は、積αθの符号を表す。

そしてαは、付加的楕円偏光発生手段が左まわり楕円偏
光上手段である場合に正、右まわり楕円偏光発生手段で
ある場合に負と、偏光状態によって符号が逆転する量、
θは検光子５によって選諒する光の偏光方向を、磁場Ｈ
の方向を基準として表した角度、（すなわち本実施例に
おいてはθ−±π／４）、ｑおよびγは単位原子数密度
当りの試料の複屈折性および吸収の強さである。

光検出器Ａにはθ−＋π／４が、同じくＢにはθ−π／
４が対応するとし、式４）および（５）を式（２）およ
び（３）に代入すると、 式（６）ないし式（１１）で表される原理を用いると、
次のような、改良された測定法を実現できる（１）光検
出器７Ａの出力■Ａと、同７Ｂの出力■Ｂの差をとると
、その差は原子数密度Ｎに比例し、固定バイアス成分は
消去される。

■いとＩＢＯ差をとるには、公知の演算回路を用いる。

（２） ＩＡ ＩＢ を、入射光強度Ｉｏ１または
ＩＡ＋ＩＢで割ると、■ｏに無関係に、原子数密度に依
存する信号出力が得られる。

割算をとる技術は公知である。

なお検光子５を光路を軸として回転すれば、光検出器７
Ａ又は７Ｂのいずれか一方を用いるだけで、ＩＡとＩＢ
に相当する信号を時間的に交互に取り出すことができる
。

実施例 ２ 第５図に示す実施例は、光源１から放射された光を楕円
発生器２によって楕円偏光に変換して光路に対し直交方
向に磁場を加えた試料に照射する。

試料３から出射した光を反射鏡８で入射光路と逆方向に
向け、再び試料３を介して楕円発生器３によって楕円率
を変化せしめ、複屈折性偏光子２１により互いに直交す
る２つの偏光成分に分離し、これら２偏光酸分をそれぞ
れ反射器６および９で反射させて検出器７Ｂおよび７Ａ
で検出する。

第５図に示す実施例は、反射鏡８を光路上に付加するこ
とにより、次の利点が得られる。

（１）試料３が光が二回通過することにより、磁気光学
相互作用距離が延長され、検出感度が改善される。

（２）光学的異方性素子２２に光弾性効果や電気光学効
果を用いる場合、外部から印加する機械的力や電圧を半
減することができる。

なお第５図で半透明鏡９は試料３から出射する※※光を
光検出器７Ａに導くためのものである。

第４図の実施例で異方性素子２２が１／４波長板であれ
ば、試料に入射する光は円偏光となる。

これと同じ条件で第５図の装置を動作させるには、異方
性素子２２は１／８波長波でなげればならない。

すなわち、試料３に入射する光は直交成分間の位相差π
／４の楕円偏光である。

しかし、反射鏡８から反射されてきた光が再び異方性素
子２２を通過した後は円偏光に変換されている。

さらに第４図の装置で、異方性素子２２を試料３と検光
子５の中間に配置しても、式２）および式（３）が成立
する。

この場合、試料３に入射するのは直線偏光であり、検光
子５に入射する光は円偏光または楕円偏光である。

以上に述べてきたように、本発明は、試料に照射する光
は直線偏光、楕円偏光または円偏光のいずれであっても
よいが、もし直線偏光であれば、検光子に入射するまで
の光路中において、その光は付加的手段により円偏光又
は楕円偏光に変換することを特徴とするものである。

実施例 ３ 第６図に示す実施例は、実施例１に示す装置の構成（第
４図の装置構成）と基本的に同一の構成であるが、円偏
光を発生する付加的手段としてゼーマン効果を応用して
いるのが特徴である。

すなわち原子共鳴線光源１に磁極１０Ａおよび１０Ｂに
よって光路と平行に磁場ＨＰが印加されている。

振動数のゼーマンシフトが＋ｐおよび−ｐの円偏光成分
の強度は相等しく、これをＩ。

／２とする。さらに、±ｐ酸成分対するαおよびｑを、
それぞれα（±ｐ）、ｑ（±ｐ）とする。

すると、淘６）および（７）は となる。

しかるに、＋ｐ酸成分−ｐ酸成分、互いに逆まわりの円
偏光であるから、α（＋ｐ）とα（−ｐ）は符号が逆で
ある。

また、原子共鳴線付近における、屈折率分散の性質から
、ｑ（＋ｐ）とｑ（−ｐ）は符号が逆で絶対値が等しい
。

したがって式（１２）は 同様にして、 光検出器７Ｂに対して となり、式（６）ないしく１１）およびこれに関連して
述べたことが、そのまま適用できる。

したがって第４図の実施例と同様、互いに直交する偏光
成分ＩＡとＩＢを単独に、又は同時に、あるいは交互に
測定して測定試料中の原子密度Ｎを求めることができる
。

光源１に印加する磁場Ｈ１の強度は固定でも可変でもよ
い。

ＨＰが交流磁場の場合、ＩＡおよびＩＢとして交流出力
が得られ、微弱信号成分の検出に有効である。

即ち磁場ＨＰを周波数ｆで変調すると、α（＋ｐ）は周
波数ｆで変調され、従って■えおよびＩＢに含まれる周
波数ｆの成分は主として信号成分のみとなるからである
。

第６図の装置において、光源１としてＣｄＩ２２８．８
Ｂｍの原子共鳴線を２０メガヘルツ（ＭＨｚ ）、１
００ワツト（Ｗ）の高周波ランプを使用し、この高周波
ランプに磁極１０Ａおよび１０Ｂにより光路と並行方向
０．２１テスラー（Ｔ）の磁場ＨＰを加える。

試料３に対しては磁極４Ａおよび４Ｂによって１テスラ
ー（Ｔ）の磁場を光路と直交方向に加え、試料から出射
した光を検光子を介して直交二偏光成に分離し、それぞ
れを光検出器７Ａ、７Ｂで検出する場合の試料濃度（ｐ
ｐｂ単位）対光出力の特性図を第７図に示す。

第７図から明らかなごとく、試料濃度と出力との関係は
原子吸光の場合と同じく一次の比例関係となり、処理が
簡単になる。

また、試料に加える磁場を強くし、たとえばＨＰ〜４Ｇ
にすると第８図に示すごとく更に感度が上る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の、磁気光学異方性により生じる光の偏光
状態変化測定装置の構成図、第２図および第３図はそれ
ぞれ従来技術および本発明の磁気光学異方性により生じ
る光の偏光状態の測定原理説明図、第４図、第５図およ
び第６図は本発明の磁気光学異方性測定装置の構成図、
第７図は第６図の装置で得られる測定試料の濃度対出力
の特性図、第８図は第６図の装置における磁場の強さを
変化させた時の磁場対光出力の関係を示す特性図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁気光学異方性を有する試料に光源からの光を照射
   し、試料を通過した光の偏光状態を検光子を介して分析
   することにより、試料の磁気光学異方性による光の偏光
   状態の変化を測定する方法において、上記光源から検光
   子に至る光路上に、試料とは別に一定値の磁気光学異方
   性を発生する手段を付加することにより、試料のもつ磁
   気光学異方性に対し一定値の磁気光学異方性をバイアス
   成分として付与した状態で測定を行なうことを特徴とす
   る磁気光学異方性測定法。 ２ 試料に磁場を加える手段、該試料に光を照射するた
   めの光源、該試料がら出射する光の光路上に配置した検
   光子および光検出器とから成る磁気光学異方性測定装置
   において、光源、試料および検光子を含む光路上に、円
   偏光あるいは楕円偏光発生手段を付加して成ることを特
   徴とする磁気光学異方性測定装置。 ３ 特許請求の範囲第２項の磁気光学異方性測定装置に
   おいて、検光子に複屈折性検光子を使用し、この複屈折
   性検光子により分離された二直交偏光成分をそれぞれ別
   々の光検出器で検出することを特徴とする磁気光学異方
   性測定装置。 ４ 特許請求の範囲第３項の磁気光学異方性測定装置に
   おいて、光源から試料に至る光路上に順次、複屈折性偏
   光子および光学異方性素子から成る楕円偏光発生器を配
   置して成ることを特徴とする磁気光学異方性測定装置。 ５ 特許請求の範囲第３項の磁気光学異方性測定装置に
   おいて、光源と試料間には複屈折性偏光子を、試料と検
   光子間には光学異方性素子をそれぞれ配置して成ること
   を特徴とする磁気光学異方性測定装置。 ６ 光源から光検出器に至る光路上に順次配夕１ルた複
   屈折性偏光子および光学異方性素子から成る楕円偏光発
   生器、該楕円偏光発生器から出射した光が入射する試料
   に磁場を加える磁場印加手段、該試料から出射した光の
   進行方向を逆方向に指向せしめるための光反射手段、該
   光反射手段により逆進せしめられ再び上記試料および前
   記複屈折性偏光子を通過することにより分離された直交
   二偏光成分をそれぞれ別々に検出するための光検出手段
   とを有することを特徴とする磁気光学異方性測定装置。 ７ 原子共鳴線放射光源と、該光源に対し光路と並行方
   向に磁場を加える手段と、該磁場を加えた原子共鳴線放
   射光源の放射する光の光路上に配置した試料と、該試料
   に磁場を加える手段と、該試科から出射した光の光路上
   に配置した複屈折性検光子と、該複屈折性検光子によっ
   て分離された直交二偏光成分をそれぞれ検出する別々の
   光検出器とから成ることを特徴とする磁気光学異方性測
   定装置。