JPS6357729B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁性体の磁気光学効果測定装置に関
し、特に可視光を含む広い光波長域にわたつて物
質の磁気カー効果またはフアラデー効果によつて
発生する旋光角と楕円率とを同一の装置で測定可
能にしたものである。

従来の磁性体の磁気光学効果の測定装置は第１
図および第２図に示されているように、いずれも
旋光角または楕円率のいずれかのみを対象として
おり、測定を実施するにあたり、能率も悪く不便
であつた。

第１図は、従来の磁性体の磁気光学効果に基づ
く旋光角の測定装置の構成を示しており、光源１
からの光を偏光子４を通過させて直線偏光に変換
したうえ、試料６に投射して反射または透過させ
る。なお、第１図においては、試料６の表面で光
を反射させて磁気カー効果に基づいて測定を行う
場合を示している。試料６は電磁石７のコイル部
分７ｃに流れる交流電流によつて発生する交流磁
界を貫通させるよう配置する。この交流磁界は発
振器１６の出力を電力増幅器１７に供給して、そ
の出力として発生する交流出力電流をコイル部分
７ｃに流すことによつて得られる。

上述の交流磁界を試料６を貫通させることによ
り発生する磁気カー効果に基づいて、試料６から
反射される光は楕円偏光に変換される。この楕円
偏光を回転検光子８を通過させることにより、楕
円偏波の長軸に対応する位置において回転検光子
８から最大の光出力を周期的に通過させることが
できる。この光出力を光検出器９に入射させて光
量に比例した電気信号に変換したうえ、回転検光
子８の回転位置を検出する信号とともに位相計１
９に加えて位相差を比較し、その比較信号を記録
装置１４のＹ軸入力端子に印加する。他方、記録
装置１４のＸ軸入力端子には発振器１６からの出
力を印加して掃引を行う。これにより記録装置１
４の記録面上には楕円偏光の楕円の軸の回転量す
なわち旋光角が磁界に対して記録される。

さらに、楕円率についても測定したい場合に
は、試料６と回転検光子８との間に1/4波長板１
８、例えば、90度偏光角の異なる偏光に対して1/
４波長相当の位相差を持つ透明板を介挿して楕円
の長軸と短軸に平行な辺を持ち、かつ楕円に接す
る長方形の対角線方向の直線偏光に変換したう
え、前述の旋光角と同様の測定を行つて直線偏光
の偏光方向を求め、旋光角と比較することによつ
て楕円率を求めるたとができる。

しかし、この方法により楕円率を求める場合、
１／４波長板１８を光波長を変える毎に交換するか、
バビネの補償板、すなわち光学軸が互に垂直な二
つのくさび形を組み合せた２個の水晶その他のプ
リズムから構成され、光学的遅れを正、負のどち
らにでも調整できるようにしたものを光波長に対
応させて調整し直すというような方法をとる必要
があり不便であつた。

次に、第２図は従来の透過光に対するフアラデ
ー効果に基づく楕円率に相当する磁気円偏光２色
性の測定装置の構成を示しており、光源１からの
光は分光器３により特定の光波長を選択して透過
させたうえ、偏光子４を通過させて直線偏光に変
換し、さらに、光弾性素子または電気光学素子を
用いた円偏光変調器５に加えられ、右円偏光、左
円偏光を第１の所定の周波数で変調する。なお、
波長比例電圧発生部１５は光波長に比例した電圧
を円偏光変調器５に印加して光波長にかかわりな
く一定の変調出力が得られるようにするために設
けたものである。

さらに、右円偏光、左円偏光の変調出力は試料
６に投射されて透過する。なお、試料６は電磁石
７により所定の強さの磁界を貫通させる。この透
過光は試料６を透過することにより右−左円偏光
に対して吸収の差を生じ、光検出器９に導かれ、
透過光の強度に対応した電気信号に変換され、さ
らに円偏光変調器５の第１の所定の周波数に同期
した信号成分を増幅するロツクイン増幅器１１に
導かれて増幅されたうえ、電磁石７に加わる第２
の所定の周波数に同期した周波数で掃引される記
録装置１４に記録される。

なお、光検出器９の出力は直流増幅器２０に加
えて、光の直流成分を増幅したうえ、自動高圧制
御装置１２に導かれ、その出力により光検出器９
に印加される電圧を制御する帰還系を構成するこ
とにより、ロツクイン増幅器１１の入力へは光の
直流成分（光量）を一定に保つた信号が加えられ
るようにして測定系の規正を行う。

この第２図の構成に基づく測定装置は、右−左
円偏光に対する吸収の差を測定することにより試
料６に対する楕円率の測定を行うものであるが、
この測定装置では旋光角の測定を行うことはでき
ない。

以上述べたように、従来の磁性体の磁気光学効
果の測定装置は、旋光角または楕円率のいずれか
の測定を対象としており、たとえ同一の測定装置
を用いて双方の測定を行うようにしても非常に手
数がかかり能率も悪く不便な欠点があつた。

本発明の目的は、上述した従来の欠点を改善し
て、同一の測定装置により旋光角および楕円率の
双方を測定できるようにした磁気光学効果測定装
置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、
光源からの光束を、偏光子および光遅延量変調器
を介して磁界内に配置した磁性体試料に照射し、
その反射光もしくは透過光を、検光子を介して光
検出器に導き、光検出器からの出力電気信号を光
遅延量変調器の変調周波数またはその２倍の周波
数に同期させたロツクイン増幅器に加え、変調周
波数に同期させたロツクイン増幅器からの出力信
号と、光検出器からの出力電気信号の直流分との
比から楕円率を得、２倍の周波数に同期させたロ
ツクイン増幅器からの出力信号と、光検出器から
の出力電気信号の直流分との比から旋光角を得る
ようにしたことを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第３図は本発明による磁性体の磁気光学効果の
測定装置の構成の一例を示し、この第３図におい
て、光源１からの光を所定の周波数〔Hz〕の周
期で光を断続する光チヨツパー２を経て断続光に
変換したうえ、分光器３を通過させて単色光とな
し、さらに偏光子４により円偏光変調器としての
光遅延量変調器５の主軸と45度傾いた直線偏光と
する。ここで、光遅延量変調器５は、その主軸方
向とこの主軸方向に対して垂直な方向との間での
光の移相量を−180゜〜＋180゜の間で変調するもの
であつて、その結果として、所定の周波数ｐ［Hz］
において左右円偏光の交互に繰り返される変調光
を出力する。この変調光は、さらに発振器１６お
よび電力増幅器１７を介して電磁石７のコイル７
ｃに流れる交流電流により発生する所定の強さの
交流磁界を貫通させた試料６によつて反射され、
その際磁気カー効果に基づいて右円偏光と左円偏
光に対して反射率の差および位相差を生ずる。

ここで、反射率の差はカー楕円率（カー効果に
基づく楕円率の変化）の原因であり、位相差はカ
ー回転（カー効果に基づく楕円の軸の回転）の原
因である。反射光は検出子８を透過することによ
り、検光子８の透過方向の成分のみが光波長に対
応して使用を選定する光増倍管または赤外線検出
器等の光検出器９により検出されて、電気信号に
変換される。

その電気信号をチヨツパー２の断続周波数
〔Hz〕に同期したロツクイン増幅器１０に導く。
この出力は光にもとづく電気信号の直流成分に相
当し、光検出器９として光増倍管を使用する場
合、切換スイツチＳにより自動高圧制御装置１２
に導かれて、高圧制御信号を発生し、光増倍管９
にかかる高電圧を制御するフイードバツク系を構
成する。光検出器９として赤外線検出器を使用す
る場合、切換スイツチＳにより、自動光量制御装
置１３に導かれ、光源１の光量を制御するフイー
ドバツク系を構成する。以上により光にもとづく
電気信号の直流成分が一定に保たれる。

ただし、光検出器９として光電子増倍管のみを
使用する波長領域の測定においては、直流成分の
検出にチヨツパー２およびロツクイン増幅器１０
を使用することは必ずしも必要ではなく、たとえ
ば直流増幅器をもつて置き換えることができる。

光検出器９からの電気信号を円偏光変調器５を
変調する周波数ｐ〔Hz〕またはその２倍の周波数
2p〔Hz〕に同期させたロツクイン増幅器１１にも
導く。前述したように光にもとづく電気信号の直
流成分はロツクイン増幅器１０の系統で一定に保
つよう補正されるから、ロツクイン増幅器１１の
出力のみを記録することによりｐ〔Hz〕成分また
は2p〔Hz〕成分と直流成分の比が得られる。ロツ
クイン増幅器１１の出力は記録装置１４のＹ軸方
向の信号として与えられる。記録装置１４のＸ軸
方向の信号としては、試料６へ磁界を印加するた
めの電磁石７に加えられた周波数に同期した掃引
周波数が加えられる。

ロツクイン増幅器１１を周波数ｐ〔Hz〕に同期
させた場合に楕円率の測定が行われ、周波数2p
〔Hz〕に同期させた場合に旋光角の測定が行われ
る。

つぎに、本発明の動作の原理について第４図に
基づいて説明する。なお、第４図中の符号は第３
図に該当する符号を適用する。

第４図において、偏光子４の透過電気ベクトル
〓⁽¹⁾はxy面内でｘ軸から45度の方向にあるものと
する。光弾性変調器（円偏光変調器）５の主軸は
ｘ方向にあつて、これと垂直なｙ成分がｘ成分に
対してδ＝δ₀sin2π_ptだけ移相されるものとする。
また、試料６がＺ軸方向に磁化された場合のカー
効果は、右まわり円偏光、左まわり円偏光とに対
する試料６の複素反射率をそれぞれr₊eⁱ〓⁺、r_-eⁱ〓^-
とすると、カー回転角（カー効果にもとづく楕円
偏光の軸の変化する角度）θ_k、カー楕円率（カー
効果にもとづく楕円偏光の楕円率）η_kは、それぞ
れ次式で与えられる。

θ_k＝−１／２Δθ＝−１／２（θ₊−θ_-） η_k＝１／４ ΔR／Ｒ＝１／２ （r₊ ²−r_- ²）／（r₊ ²
＋r_- ²）｝(1) (1)式において、試料６が磁化されない場合、r₊
＝r_-、θ₊＝θ_-であるものとする。なお、(1)式は試
料６に対する光の入射角φが十分小さい（10゜以
内）ときにはよい近似を与える。

以上楕円偏光の発生原理の概略について説明し
たが、さらに詳細に説明する。

偏光子４を通過した直線偏光〓⁽¹⁾は、ｘ軸方向
の単位ベクトルをｉ→、ｙ軸方向の単位ベクトルを
ｊ→とすると、 ただし、Ｅは〓⁽¹⁾の振幅の最大値、ωは光の角
周波数である。

円偏光変調器５を通過した後の光は、ｙ方向の
成分のみがδの位相の変化を受けるものとする
と、円偏光変調器５を通過した後の光は、 で表わされる。

直線偏光の表示（ｉ→、ｊ→）から円偏光の表示
（ｒ→、ｌ→）に変換するため、 ｉ→＝ｒ→＋ｌ→、ｊ→＝−ｉ（ｒ→−ｌ→）とおい
て、(3)
式に代入すると、 試料の複素反射率をr₊eⁱ〓⁺、r_-eⁱ〓^-とすると、試
料から反射される光は、 この式を直線偏光の表示にもどすと、 となる。

検光子８の透過ベクトルの方向がｘ軸からφの
方向にあるものとして、φ方向の単位ベクトルを
ｉ→′、それに垂直な成分をｊ→′とすると、（ｉ→′
、
ｊ→′）の表示で〓⁽³⁾を書きなおすことができて、 となる。

φ方向の成分、すなわちｉ→′方向の成分のみを
とると、 φ方向の光の強度Ｉは、〓⁽³⁾i′を用いて次のよ
うに計算される。

Ｉ＝ε／4π｜〓⁽³⁾i′｜²＝I₀／４〔r₊ ²＋r_- ²＋（r₊ ²
−r_- ²） sinδ ＋2r₊r_-cosδ・sin（Δθ＋2φ）〕 (7) となる。

ここで、εは伝播空間の誘電率、I₀＝ε／4πE²、 Δθ＝θ₊−θ_-である。

つぎに、r₊ ²＝R₊、r_- ²＝R_-、R₊＋R_-＝2R、
R₊−R_-＝ΔRとすると、 となる。従つて、 Ｉ＝I₀／２〔Ｒ＋ΔR／２sinδ ＋Rsin（Δθ＋2φ）cosδ〕 (8) が得られる。さらにδ＝δ₀sin2π_ptを代入し、 sinδ＝sin（δ₀sin2π_pt） 2J₁（δ₀）sin2π_pt cosδ＝cos（δ₀sin2π_pt）
J₀（δ₀）＋2J₂（δ₀）cos4π_pt という展開式を用いると、 Ｉ＝I₀／２〔Ｒ｛１＋J₀（δ₀）sin（Δθ＋2φ）｝ ＋ΔR・J₁（δ₀）sin2π_pt＋2RJ₂（δ₀） ・sin（Δθ＋2φ）cos4π_pt〕 (9) が得られる。（ここにJ₀、J₁、J₂はそれぞれ０次、
１次、２次のベツセル関数を表わす。）φが小さ
いとき、Δθはさらに小さいと考えられるから、 J₀（δ₀）sin（Δθ＋2φ）≪１とみなされ、 直流成分は、 Idc＝I₀／２Ｒ 周波数ｐの成分は、 Ip＝I₀／２・ΔR・J₁（δ₀） 周波数2pの成分は、 I_2p＝I₀・Ｒ・J₂（δ₀）sin（Δθ＋2φ） (10) IpとIdcの比Ａ、I_2pとIdcの比Ｂをとると、 Ａ＝Ip/Idc＝ΔR／Ｒ・J₁（δ₀） Ｂ＝I_2p/Idc＝2J₂（δ₀）sin（Δθ＋2φ） (11) となる。φ＝０とすると、Δθが小さい場合、 Ｂ＝2J₂（δ₀）Δθ となる。これらを(1)式のカー回転角θk、楕円率
ηkを用いて書くと、 Ａ＝Ip／Idc＝4Δη_kJ₁（δ₀） Ｂ＝I_2p／Idc＝−4θ_kJ₂（δ₀） (12) このようにｐ成分からη_k、2p成分からθ_kが求め
られる。

J₁（δ₀）はδ₀＝1.7（π／２）で最大値となり、
約0.6となる。J₂（δ₀）はこのとき0.3程度である。
J₂（δ₀）を最大にするのはδ₀＝３（π）の時で0.5
となる。

δ₀を光波長に関らず一定にすることは、円偏光
変調器（光弾性変調器）５の振幅入力に光波長に
比例する電圧を加えることにより達成できる。

なお、(12)式の算出にあたつてφ＝０としたが、
2p成分が０となるようなφを測定すれば、 sin（Δθ＋2φ）＝０から 2φ＝−Δθ＝2θ_kとなり、 従つてφ＝θ_kとなり、検光子８のｘ軸からの角
度のずれより直接カー回転角を求めることができ
る。

次に、参考までに本発明の実施例において、円
偏光変調器として使用されている光変調器につい
ては必ずしも光弾性変調器を使う必要はなく、一
般によく使用される電気光学効果を利用した変調
器を用いることができる。しかしながら、本発明
を紫外から近赤外に及ぶ広い波長域で実用に供す
る場合には、通常の電気光学変調器の場合、(1)電
気光学効果を有する物質の透過域で変調器の使用
できる短波長側の波長域が決まる。(2)λ／４の位
相量を得るための電圧がλに依存するため、長波
長になると非常に高電圧が必要となり、赤外域で
は使用できない、等の欠点を有する。

光弾性変調器は、第５図に示すように、等方性
の物質１０１に電歪振動子１０２を貼りつけ、交
流電源１０３から、例えば50kHzの交流電界を電
歪振動子１０２に加えて周期的なひずみを加える
ことにより、光弾性効果を通じて、ひずみの加わ
つた方向に周期的に位相量が変化することを利用
して光の変調を行うもので、等方形物質１０１と
して、溶融石英を用いれば180〜2300nｍの範囲
でCaF₂を用いれば、120〜9000nｍの範囲で用い
ることができる。

以上述べたように、本発明磁気光学効果測定装
置によれば、従来実施することが不可能であつた
同一の測定装置による２種類の測定（楕円率と旋
光角）を光の変調周波数ｐの成分と、その２倍の
2pの成分を各々の周波数に同期させたロツクイ
ン増幅器により抽出することにより、変調周波数
ｐの成分から楕円率、その２倍の2pの成分から
旋光角を測定することができる。

さらに、本発明では従来の構成による第１図の
場合のように、楕円率をも測定したい場合、測定
に応じて1/4波長板をいれたりはずしたりする必
要がなく、ロツクイン増幅器の同調周波数を単に
ｐから2pに切り換えるだけでよい。あるいは、
ｐ成分用と2p成分用に２台のロツクイン増幅器
を使用すれば同時測定が可能である。

また、第２図のような磁気円偏光二色性測定装
置に対し、試料６と光検出器９との間に検出器を
追加することにより、この装置の測定の対象であ
る楕円率以外に本発明による旋光角測定の機能を
付加することができる。

本発明を実施した結果の一例として、第６図に
アモルフアスGdCo薄膜のカー効果にもとづく旋
光角と、カー効果にもとづく楕円率のヒステリシ
スループを光波長を変化させた場合の測定結果を
示す。このように本発明によれば、同一の装置で
簡単に旋光角と楕円率の印加磁場依存性を光波長
を変化させて測定することができる。

さらに、本発明による装置において、2p成分
を０にするような検光子の角度φを測定すれば、
さらに旋光角の測定を精密に行うことができる。
なお、本発明の装置を試料を通過させる光に対し
て用いれば、フアラデー旋光角および磁気円偏光
二色性に対しても測定できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁性体の磁気光学効果に基づく
旋光角の測定装置の構成例を示すブロツク線図、
第２図は従来の透過光に対するフアラデー効果に
基づく楕円率に相当する磁気円偏光二色性の測定
装置の構成例を示すブロツク線図、第３図は本発
明による磁性体の磁気光学効果の測定装置の構成
の一例を示すブロツク線図、第４図は本発明によ
る動作の原理を示す線図、第５図は本発明に使用
する光弾性変調器の構成例を示す線図、第６図は
本発明を実施した場合の測定結果の説明図であ
る。 １……光源、２……光チヨツパー、３……分光
器、４……偏光子、５……光遅延量変調器（円偏
光変調器）、６……試料、７……電磁石、７ｃ…
…電磁石７のコイル、８……回転検光子、９……
光検出器、１０，１１……ロツクイン増幅器、１
２……自動高圧制御装置、１３……自動光量制御
装置、１４……記録装置、１５……波長比例電圧
発生部、１６……発振器、１７……電力増幅器、
１８……1/4波長板、１９……位相計、２０……
直流増幅器、１０１……変調用等方性結晶、１０
２……電歪素子、１０３……交流電界。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光源からの光束を、偏光子および光遅延量変
   調器を介して磁界内に配置した磁性体試料に照射
   し、その反射光もしくは透過光を、検光子を介し
   て光検出器に導き、該光検出器からの出力電気信
   号を前記光遅延量変調器の変調周波数またはその
   ２倍の周波数に同期させたロツクイン増幅器に加
   え、前記変調周波数に同期させたロツクイン増幅
   器からの出力信号と、前記光検出器からの前記出
   力電気信号の直流分との比から楕円率を得、前記
   ２倍の周波数に同期させたロツクイン増幅器から
   の出力信号と、前記光検出器からの前記出力電気
   信号の直流分との比から旋光角を得るようにした
   ことを特徴とする磁気光学効果測定装置。