磁気光学スペクトル分光装置、磁気光学スペクトル測定方法およびプログラム
【課題】磁気光学効果として観測される信号の絶対値を校正すると共に効率よく測定する。
【解決手段】磁気光学スペクトル分光装置１は、偏光面の角度φ１，φ２が調整可能な回転機構付き直線偏光板４，７と、回転偏光子法を用いた各直線偏光板４，７における偏光面の角度別のそれぞれの測定値４１に基づいてカー回転角の絶対値４３をそれぞれ算出する第１算出手段５１と、カー回転角の絶対値４３と第１直線偏光板４における偏光面である入射光偏光面の角度φ１との相関の有無を判別する相関判別手段５２と、相関が無いと判定された場合、偏光変調法を用いた測定値４２に基づいて試料のカー回転角のスペクトル４４を算出する第２算出手段５３と、スペクトル４４におけるカー回転角の値をカー回転角の絶対値４３に適合させる乗算を行い、校正されたスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトル４５として算出する第３算出手段５４とを備える。
【解決手段】磁気光学スペクトル分光装置１は、偏光面の角度φ１，φ２が調整可能な回転機構付き直線偏光板４，７と、回転偏光子法を用いた各直線偏光板４，７における偏光面の角度別のそれぞれの測定値４１に基づいてカー回転角の絶対値４３をそれぞれ算出する第１算出手段５１と、カー回転角の絶対値４３と第１直線偏光板４における偏光面である入射光偏光面の角度φ１との相関の有無を判別する相関判別手段５２と、相関が無いと判定された場合、偏光変調法を用いた測定値４２に基づいて試料のカー回転角のスペクトル４４を算出する第２算出手段５３と、スペクトル４４におけるカー回転角の値をカー回転角の絶対値４３に適合させる乗算を行い、校正されたスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトル４５として算出する第３算出手段５４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学分光法に係り、特に磁気光学スペクトル測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光は、電場と磁場が振動する波である。電場と磁場が一方向に揃えられて振動する光を直線偏光といい、電場の振動方向を偏光面という。磁場中に存在する物質に直線偏光を照射すると、光は物質の持つ旋光性により偏光面が回転する。これを磁気光学効果という。磁気光学効果は、光磁気ディスクや光スイッチなどに応用されており、さまざまな材料における研究が進められている。加えて、近年のスピントロニクス研究の急速な進歩により、磁性体材料の磁気光学スペクトルを高速、高精度、そして安価に観測する手法の確立が求められている。
【０００３】
磁気光学効果の測定方法としては、例えば、回転偏光子法や偏光変調法が知られている（特許文献１参照）。回転偏光子法と偏光変調法には、以下に示す利点と欠点がある。回転偏光子法は、観測された磁気光学信号（magneto-optical信号：以下、ＭＯ信号という）の絶対値が決定できるが、測定に時間がかかる。一方、偏光変調法は、ＭＯスペクトルが効率よく測定できるが、ＭＯ信号の絶対値が決定できない。これまで磁気光学効果の波長依存性、いわゆる磁気光学スペクトルは、主に、偏光変調法により観測されてきた。この偏光変調法による測定方法は、既に非特許文献１において詳しく解説されており、測定装置も市販されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９４２９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐藤勝昭著、「光と磁気」、朝倉出版、2001年11月20日、p.90−115
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、ＭＯスペクトルを測定するために偏光変調法を用いた市販の測定装置は、製品として出荷される前に工場において予め校正されているので、測定現場においてＭＯ信号の絶対値が直接決定できるとされている。つまり、この従来の測定装置は、測定現場で得られた測定結果を、工場で一回校正したパラメータを使って校正して、ＭＯ信号の絶対値を得ている。ところが、現場の実験条件や光弾性変調器の特性変化などにより校正条件が変化する可能性がある。したがって、校正条件に合わせて測定毎に現場で校正を毎回行うことが理想的であり、磁気光学分光計を用いる研究分野では、測定のたびに磁気光学分光計を校正し直すことが要望されている。しかしながら、従来の測定装置は、測定のたびに校正し直すことができないため、データの信頼性に疑問が残る。
【０００７】
また、試料の反射光で観測されるＭＯ信号は、原理的には、極カー効果、縦カー効果および線二色性の線形和であるが、多くの研究では、反射光から観測される信号が極カー効果により支配されていると仮定している。そのため、偏光変調法を用いた市販の極カー効果測定装置は、磁気光学効果が極カー効果だけに起因するものと仮定して構成されており、入射光が試料表面に対して斜めに照射されるときには必ずしも正しくない。多くの測定装置では、試料に光が斜めに照射されているので、観測されるデータには誤りが含まれる可能性がある。
【０００８】
そこで、回転偏光子法と偏光変調法とが、利点と欠点を相互に補完することに着目して双方を組み合わせる手法が考えられる。つまり、偏光変調法でＭＯスペクトルを観測し、その後に、回転偏光子法でＭＯ信号の校正を行えば、正しいＭＯスペクトルが得られる。しかしながら、回転偏光子法を用いた測定装置と、偏光変調法を用いた測定装置とは異なるため、測定に手間がかかった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、磁気光学効果として観測される信号の絶対値を校正できる磁気光学スペクトル分光装置、磁気光学スペクトル測定方法およびプログラムを提供することを課題とする。
また、本発明は、磁気光学効果として観測される信号を効率よく測定できる磁気光学スペクトル分光装置、磁気光学スペクトル測定方法およびプログラムを提供することを他の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本願発明者らは、回転偏光子法と偏光変調法の測定装置および測定方法について種々検討を行った。これらの測定装置の違いは、光学測定系に設置される偏光板の角度と、光弾性変調器の有無なので、自動角度調整機能付き偏光子ホルダで偏光板の角度をコンピュータ制御すると共に、光弾性変調器の変調機能のオン／オフをコンピュータ制御することを１つの測定装置で実現できることを見出した。また、大要、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）の手順で回転偏光子法と偏光変調法とを１つの測定装置で実現することで、測定効率を飛躍的に向上させることができることを見出した。
（Ａ１）回転偏光子法を用いて、ＭＯ信号の絶対値を決定する。
（Ａ２）回転偏光子法を用いて、ＭＯ信号の入射光偏光面に対する変化を観測し、その振る舞いからＭＯ信号の起源を決定する。
（Ａ３）偏光変調法を用いてＭＯスペクトルを観測する。
【００１１】
そこで、本発明のうち請求項１に記載の磁気光学スペクトル分光装置は、試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、前記分光器で分光される所定波長の光における波長の切り替えを含む動作を予め設定されたタイミングで制御する制御手段と、前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプでそれぞれ測定された電圧値を記憶する記憶手段と、前記記憶された電圧値に基づいて前記試料の磁気光学特性としてカー回転角を算出する演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置において、前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、前記制御手段が、第１測定制御手段と、第２測定制御手段とを備え、前記演算手段が、第１算出手段と、相関判別手段と、第２算出手段と、第３算出手段とを備えることとした。なお、偏光変調法を用いる測定系の配置は公知である。
【００１２】
かかる構成によれば、磁気光学スペクトル分光装置において、制御手段は、第１測定制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。そして、第２測定制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。そして、磁気光学スペクトル分光装置において、演算手段は、第１算出手段によって、前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、演算手段は、相関判別手段によって、前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。
【００１３】
ここで、磁気光学効果の１つである極カー効果は、その原理から、入射光偏光面の角度に依存しないので相関が無いが、縦カー効果と線二色性は共に依存するため相関がある。したがって、磁気光学スペクトル分光装置において、前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、観測された磁気光学効果は極カー効果に起因するので、演算手段は、第２算出手段によって、前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する。そして、演算手段は、第３算出手段によって、前記第２算出手段で算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出手段によって算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する。
【００１４】
また、請求項２に記載の磁気光学スペクトル分光装置は、請求項１に記載の磁気光学スペクトル分光装置において、前記磁場印加手段が、前記試料の面直方向に磁場を印加する面直磁場印加手段と、前記試料の面内方向に磁場を印加する面内磁場印加手段とを備え、前記演算手段の前記相関判別手段が、前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定することが好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、試料に対して面直方向に磁場を印加した場合の測定値から算出されたカー回転角の絶対値と、当該測定における入射光偏光面の角度との相関があると判別した場合に、試料に対して面内方向に磁場を印加した場合の測定値に基づいて、同様に相関の有無を調べることができる。ここで、縦カー効果は、試料に照射される光の進行ベクトルが面内方向に対する射影ベクトルと磁化ベクトルとの内積に比例することが知られている。また、試料の面直方向に磁場を印加して試料の磁化の向きを制御しながら測定した偏光の回転角が、当該測定における入射光偏光面の角度に依存する場合、それは極カー効果以外の磁気光学効果に起因すると考えられる。したがって、磁気光学スペクトル分光装置によれば、原理的に縦カー効果が現れるような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定した測定値に基づいて相関の有無を調べるので、相関がある場合には、カー回転角が極カー効果ではなく、縦カー効果もしくは線二色性に起因することを判定できる。よって、試料から観測される磁気光学信号によって、極カー効果に起因したスペクトルが得られない場合でも、対象の試料に観測される磁気光学効果が縦カー効果もしくは線二色性に起因することが分かり、なんらかの手段で縦カー効果もしくは線二色性に起因したスペクトルを求めることが可能となる。
【００１６】
また、請求項３に記載の磁気光学スペクトル分光装置は、請求項２に記載の磁気光学スペクトル分光装置において、前記演算手段の前記相関判別手段が、前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面の法線方向に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記縦カー効果の寄与が含まれているとの判定を覆し前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定することが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、原理的に縦カー効果が現れるような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定した測定値に基づいて相関があると判別した場合に、試料の面内方向であって光の入射面の法線方向に磁場を印加した場合の測定値に基づいて、同様に相関の有無を調べることができる。ここで、線二色性は、磁化の面内磁化の大きさと入射光偏光面の角度との相対的な関係に比例することが知られている。そして、原理的に縦カー効果が現れるような印加磁場の配置において得られた信号が縦カー効果もしくは線二色性に起因すると推定されたときに、さらに、原理的に縦カー効果が現れないような配置で磁場を印加して試料の磁化の向きを制御しながら測定した信号においても、カー回転角の絶対値が入射光偏光面の角度になお依存してしまう場合には、原理的には、このときのカー回転角は縦カー効果に起因するとは言えず、残りの可能性として、カー回転角が線二色性に起因していると考えられる。したがって、磁気光学スペクトル分光装置によれば、カー回転角が線二色性に起因することを判定できる。よって、試料から観測される磁気光学信号によって、極カー効果に起因したスペクトルが得られない場合でも、対象の試料に観測される磁気光学効果が線二色性に起因することが分かり、なんらかの手段で線二色性に起因したスペクトルを求めることが可能となる。
【００１８】
また、前記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の磁気光学スペクトル測定方法は、試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、制御手段と、記憶手段と、演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置における磁気光学スペクトル測定方法であって、前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、第１測定制御ステップと、第１算出ステップと、相関判別ステップと、第２測定制御ステップと、第２算出ステップと、第３算出ステップと、を含んで実行することとした。
【００１９】
かかる手順によれば、磁気光学スペクトル測定方法は、第１測定制御ステップにて、前記制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして、前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。この回転偏光子法を用いた測定では、最低１種類の波長を用いればよい。そして、第１算出ステップにて、前記演算手段によって、前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、相関判別ステップにて、前記演算手段によって、前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。ここで、前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、第２測定制御ステップにて、前記制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。そして、第２算出ステップにて、前記演算手段によって、前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する。さらに、第３算出ステップにて、前記演算手段によって、前記第２算出ステップで算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出ステップにて算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する。
【００２０】
これにより、磁気光学スペクトル測定方法においては、相関判別ステップによって、所定波長におけるカー回転角の絶対値と、入射光偏光面の角度との相関が無いと判別することで、試料から観測されたカー回転角が極カー効果に起因することを判定した上で偏光変調法を用いた測定を行うことができる。したがって、磁気光学スペクトル測定方法によれば、試料の極カー効果に起因するカー回転角のスペクトルとして、校正された磁気光学特性のスペクトルを測定することができる。
また、磁気光学スペクトル測定方法においては、第３算出ステップにて、偏光変調法によって比較的短い時間で測定したカー回転角のスペクトルに対して、回転偏光子法によって正確に測定したカー回転角の絶対値を用いた換算値を一様に掛ける演算を行うだけで、カー回転角のスペクトルを校正するので、校正された磁気光学特性のスペクトルを短時間で測定することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の磁気光学スペクトル測定方法は、請求項４に記載の磁気光学スペクトル測定方法において、前記相関判別ステップにて、前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関があると判定された場合、第３測定ステップと、第４算出ステップと、第２相関判別ステップと、起源判定ステップと、を含んで実行することが好ましい。ここで、相関判別ステップにて相関があると判定された場合、偏光変調法による第２測定制御ステップは行われないので、このような場合にも磁気光学特性のスペクトルを算出する必要がある場合、磁気光学スペクトル分光装置において予め定めた動作モードとして、回転偏光子法による第１測定制御ステップを繰り返し行う動作モードによって磁気光学特性のスペクトルを求めることができる。また、相関判別ステップにて相関があると判定された場合に行う第３測定ステップ、第４算出ステップ、第２相関判別ステップおよび起源判定ステップは、このような動作モードの１つであって、磁気光学効果の起源を探索するモードとして設定される。
【００２２】
かかる手順によれば、磁気光学スペクトル測定方法は、第３測定ステップにて、前記制御手段によって、回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面に平行な方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値を測定する。そして、第４算出ステップにて、前記演算手段によって、前記第３測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、第２相関判別ステップにて、前記演算手段によって、前記第３測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。この第２相関判別ステップにて相関があると判別された場合、起源判定ステップにて、前記演算手段によって、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定する。これにより、磁気光学スペクトル測定方法によれば、相関判別ステップにて、カー回転角の絶対値と入射光偏光面の角度との相関があると判定されて原理的に極カー効果には起因しないと判定された場合、新たな第３測定ステップにて、原理的に縦カー効果が現れるような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定し、この測定値に基づいて相関の有無を再度調べるので、相関がある場合には、カー回転角が縦カー効果もしくは線二色性に起因することを判定できる。
【００２３】
また、請求項６に記載の磁気光学スペクトル測定方法は、請求項５に記載の磁気光学スペクトル測定方法において、前記起源判定ステップに続いて、さらに、第４測定ステップと、第５算出ステップと、第３相関判別ステップと、第２起源判定ステップと、を含んで実行することが好ましい。
【００２４】
かかる手順によれば、磁気光学スペクトル測定方法は、第４測定ステップにて、前記制御手段によって、回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面の法線方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値をそれぞれ測定する。そして、第５算出ステップにて、前記演算手段によって、前記第４測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、第３相関判別ステップにて、前記演算手段によって、前記第４測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。この第３相関判別ステップにて相関があると判別された場合、第２起源判定ステップにて、前記演算手段によって、前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定する。これにより、磁気光学スペクトル測定方法によれば、起源判定ステップにて、第３測定ステップにて測定された測定値から算出されたカー回転角が縦カー効果もしくは線二色性に起因することが判定された場合、新たな第４測定ステップにて、原理的に縦カー効果が現れないような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定し、この測定値に基づいて相関の有無を再度調べるので、相関がある場合には、カー回転角が線二色性に起因することを判定できる。
【００２５】
また、請求項７に記載のプログラムは、請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気光学スペクトル測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとした。このように構成されることにより、このプログラムをインストールされたコンピュータは、このプログラムに基づいた各機能を実現することができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１、請求項４または請求項７に記載の発明によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、試料の極カー効果に起因する磁気光学効果として観測される信号であるカー回転角の絶対値を校正した磁気光学スペクトルを測定することができる。また、磁気光学スペクトル分光装置は、偏光変調法によって比較的短い時間で測定したカー回転角のスペクトルに対して、回転偏光子法によって正確に測定したカー回転角の絶対値を用いた換算値を一様に掛ける演算を行うので、磁気光学効果として観測される信号を効率よく測定できる。したがって、ＭＯ信号の起源が決定できると共に、ＭＯスペクトルの測定とＭＯ信号の校正が簡単に実現できる。
【００２７】
請求項２または請求項５に記載の発明によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、ＭＯ信号の起源として、カー回転角が極カー効果に起因するのか、または、極カー効果以外すなわち縦カー効果もしくは線二色性に起因するのか見分けることができる。したがって、試料の磁気光学信号が縦カー効果もしくは線二色性に起因する場合には偏光変調法以外の適した測定方法により、当該試料の磁気光学スペクトルを求めることができる。
【００２８】
請求項３または請求項６に記載の発明によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、ＭＯ信号の起源として、カー回転角が極カー効果、縦カー効果および線二色性のいずれに起因するのか見分けることができる。したがって、試料の磁気光学信号が線二色性に起因する場合には偏光変調法以外の適した測定方法により、当該試料の磁気光学スペクトルを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置において面直磁場印加配置とした構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置において面内磁場印加配置とした構成を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す情報処理装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置の動作モードの一例を示すフローチャートである。
【図６】試料に印加する磁場の方向と試料に入射する偏光の進行方向との位置関係を模式的に示す図であって、（ａ）は試料の面直方向に磁場を印加する配置、（ｂ）は試料の面内Ａ方向（偏光の入射面に平行）に磁場を印加する配置、（ｃ）は試料の面内Ｂ方向（偏光の入射面の法線方向）に磁場を印加する配置、をそれぞれ示している。
【図７】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の回転機構付き第２直線偏光板の回転角度と、デジタルボルトメータで観測した電圧信号との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の試料に印加した磁場と、観測されたＭＯ信号から得た偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の試料に照射した偏光の波長と、観測されたＭＯ信号から得た偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の試料に照射した偏光の波長と、ＭＯ信号から計算で求めた磁気的特性による偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の回転機構付き第１直線偏光板の回転角度と、ＭＯ信号から計算で求めた磁気的特性による偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る測定例であって、偏光変調法を用いた場合に観測されたＭＯ信号から計算で求めた磁気的特性による偏光面の回転角のスペクトルを示すグラフである。
【図１３】本発明に係る測定例であって、図１２に示す回転角のスペクトルを校正した磁気光学スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
［１．磁気光学スペクトル分光装置の構成の概要］
磁気光学スペクトル分光装置１は、試料の磁気光学特性のスペクトルを測定するものであって、図１に示すように、光源２と、分光器３と、第１直線偏光板４と、光弾性変調器５と、磁場印加手段６と、第２直線偏光板７と、光検出手段８と、デジタルボルトメータ９と、ロックインアンプ１０と、情報処理装置２０とを備えている。
【００３１】
情報処理装置２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、メモリやハードディスク等の記憶装置と、外部との間で各種情報の送受信を行うインタフェース装置とを備えた一般的なパーソナルコンピュータ等から構成され、制御手段３０と、記憶手段４０と、演算手段５０とを備えている。
【００３２】
制御手段３０は、ＣＰＵやメモリから構成され、分光器３で分光される所定波長の光における波長の切り替えを含む動作を予め設定されたタイミングで制御するものである。
記憶手段４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリやハードディスク等の記憶装置から構成され、デジタルボルトメータ９およびロックインアンプ１０でそれぞれ測定された電圧値（回転偏光子法測定値４１，偏光変調法測定値４２）を記憶するものである。
演算手段５０は、ＣＰＵやメモリから構成され、記憶手段４０に記憶された電圧値に基づいて試料の磁気光学特性としてカー回転角を算出するものである。
【００３３】
ここで、光源２、分光器３、第１直線偏光板４、光弾性変調器５、磁場印加手段６、第２直線偏光板７、光検出手段８、デジタルボルトメータ９、およびロックインアンプ１０は、従来公知の偏光変調法を用いるときの測定系の配置となるように配置されている。すなわち、この配置によって、光源２から出射されて分光器３によって分光された所定波長の光は、第１直線偏光板４に入射し、この第１直線偏光板４を通過した偏光は、光弾性変調器５に入射する。この光弾性変調器５によって変調された円偏光は、磁場印加手段６によって磁場が印加された試料Ｆに照射される。試料Ｆで反射した反射光は、第２直線偏光板７に入射し、第２直線偏光板７を通過した試料の反射光は、光検出手段８によって、電気信号として検出される。光検出手段８が検出する電気信号はデジタルボルトメータ９およびロックインアンプ１０に入力して、電圧値として測定される。なお、試料Ｆを透過した透過光を、別の直線偏光板に入射し、この直線偏光板を通過した試料の透過光を光検出手段によって電気信号として検出するようにしてもよい。
【００３４】
本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１は、制御手段３０が、従来公知の偏光変調法の測定系と、従来公知の回転偏光子法の測定系とを切り替える点と、演算手段５０が、後記するように両測定法の演算機能に加えて、磁気光学効果の起源を判定する機能を備えている点が従来の測定装置とは異なっている。また、偏光変調法の測定系と、回転偏光子法の測定系とを切り替えるために、各直線偏光板４，７が、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板である点が従来の測定系とは異なっている。
【００３５】
［２．磁気光学スペクトル分光装置の測定系の各部の詳細］
光源２は、各直線偏光板４，７に利用できる範囲の波長の光を放射するものであれば特に限定されないが、例えば、キセノンランプ等のハロゲンランプを用いることができる。
分光器３は、光源２からの光を分光するものであって、特に限定されないが、例えば、回折格子式の分光器を用いることができる。分光器３は、制御手段３０からの制御信号に基づいて、分光する光の波長の値を切り替えることができるように構成されている。なお、さらに高次光遮断フィルタ等を用いてもよい。
【００３６】
第１直線偏光板４は、分光器３で分光された光を直線偏光とするものであって、試料Ｆの入射光側に配置される。また、第２直線偏光板７は、試料Ｆで反射した光を直線偏光とするものであ。各直線偏光板４，７は、例えば、一般的な直線偏光板を、自動角度調整機能付き偏光子ホルダに装着して成る。
自動角度調整機能付き偏光子ホルダは、図示は省略するが、例えば、直線偏光板の外周を保持する枠状の基板と、基板を回転させるピニオンギア等を含む回転軸と、制御手段３０からの制御信号に基づいて回転軸を駆動する回転駆動手段と、基板の回転角度を検出するロータリエンコーダとを備える。なお、各直線偏光板４，７は同じものであってもよい。
【００３７】
以下では、第１直線偏光板４における偏光面である入射光偏光面の角度をφ１と表記し、第２直線偏光板７において偏光面の角度をφ２と表記する。なお、角度φ１、φ２は、光の進行方向を軸とした軸周りの角度を示す。
回転偏光子法を用いた測定においては、角度φ１，φ２は、例えば、０〜１８０°の範囲で変化させる値を示す。
偏光変調法を用いた測定においては、角度φ１を４５°に固定、角度φ２を０°に固定する。例えば第１直線偏光板４の偏光面における角度φ１を４５°に固定すると、第１直線偏光板４を通過した光は、後段の光弾性変調器５に対して４５°傾いた直線偏光となる。また、角度φ２を０°に固定すると、第２直線偏光板７を通過した光は、後段の光検出手段８に対して傾いていない直線偏光となる。
なお、本実施形態では、図１に示すように、第１直線偏光板４を通過した光は、集光レンズ１１により集光して光弾性変調器５に照射できるように構成した。
【００３８】
光弾性変調器５は、試料Ｆに照射される光のパスの途中に配置され、入射光を予め定められた変調周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて出力するものである。光弾性変調器５は、等方性の透明光学材料と圧電素子を備え、制御手段３０からの制御信号に基づいて、偏光変調機能をオン状態とオフ状態とに切り替えることができるように構成されている。この光弾性変調器５の変調周波数の２倍の値の信号を参照信号としてロックインアンプ１０に入力する。なお、光弾性変調器５の変調周波数は、例えば、５０ｋＨｚとすることができる。
【００３９】
磁場印加手段６は、試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、例えば、電磁石を備え、制御手段３０からの制御信号に基づいて、印加磁場のオン／オフの切り替えや印加磁場の大きさの切り替えができるように構成されている。この磁場印加手段６から試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の向きを変化させることができる。図１に示す例では、磁場印加手段６Ａが、試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設されている。また、図２に示す例では、磁場印加手段６Ｂが、試料Ｆに対して面内磁場を印加できるように配設されている。本実施形態では、磁場印加手段６は、電磁石の配置を切り替えるための図示しない駆動手段等を備えて、制御手段３０からの制御信号が示す動作モードに応じて、磁場印加手段６Ａと磁場印加手段６Ｂとを切り替え可能に構成されているものとして説明する。
【００４０】
光検出手段８は、試料Ｆで反射して第２直線偏光板７を通過した光を検出するものであり、例えば、光電子増倍管や、一般的なフォトダイオードのような半導体光検出器から構成される。光検出手段８が検出した反射光（電気信号）は、デジタルボルトメータ９およびロックインアンプ１０に入力される。
【００４１】
デジタルボルトメータ（ボルトメータ）９は、インプット（ＩＮ）が光検出手段８に接続され、アウトプット（ＯＵＴ）が情報処理装置２０のインプット（ＩＮ）に接続されている。デジタルボルトメータ９は、デジタル処理ができる一般的な電圧計である。デジタルボルトメータ９が検出する電圧値を以下ではＶと表記する。この電圧値Ｖは、回転偏光子法を用いる測定系において、各直線偏光板４，７における偏光面の角度別のそれぞれの測定値を示す。
【００４２】
ロックインアンプ１０は、インプット（ＩＮ）が光検出手段８に接続され、リファレンス（ＲＥＦ）が光弾性変調器５に接続され、アウトプット（ＯＵＴ）が情報処理装置２０のインプット（ＩＮ２）に接続されている。このロックインアンプ１０は、光検出手段８から出力される電気信号から、光弾性変調器５より入力する参照信号（変調周波数の２倍の信号）と等しい周波数成分の電圧値を検出する。ロックインアンプ１０が検出する電圧値を以下ではΔＶと表記する。偏光変調法を用いる測定系において、ΔＶ／Ｖのそれぞれの演算結果が、偏光変調法を用いた測定値を示す。
【００４３】
［３．磁気光学スペクトル分光装置の情報処理装置の各部の詳細］
図３は、図１に示す情報処理装置の構成例を示すブロック図である。
制御手段３０は、回転偏光子法を用いた所定波長でのＭＯ信号観測と、偏光変調法によるＭＯスペクトル測定とを全自動で実現するために、第１測定制御手段３１と、第２測定制御手段３２とを備えている。
第１測定制御手段３１は、光弾性変調器５の偏光変調機能をオフの状態にして各直線偏光板４，７において偏光面の角度φ１，φ２をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いてボルトメータ９により検出される電圧値を測定するための制御を行い、偏光面の角度別のそれぞれの測定値を記憶手段４０に記録するものである。
【００４４】
回転偏光子法を用いる測定系では、光弾性変調器５の偏光変調機能がオフの状態なので、参照信号がロックインアンプ１０に出力されず、ロックインアンプ１０は、実質的に機能せず、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖのみが情報処理装置２０にて利用されることとなる。また、光弾性変調器５は、偏光変調機能がオフの状態であるが、入射光を変調することなくそのまま通過させて試料Ｆに照射する。この回転偏光子法を用いた各直線偏光板４，７における偏光面の角度別のそれぞれの測定値は、記憶手段４０において、回転偏光子法測定値４１として記憶される。
【００４５】
回転偏光子法の測定方法の詳細な手順については後記するが、各直線偏光板４，７において偏光面の角度φ１，φ２を予め定めたピッチ（Δφ）で均等に変化させる。なお、ピッチΔφとその測定回数は、所望の測定精度と測定時間とを考慮して適宜設定すればよい。例えば、細かく測定するときにはピッチΔφを１，２°、粗く測定するときにはピッチΔφを１５，３０°のようにしてもよい。
【００４６】
また、回転偏光子法を用いた測定では、光の波長として１つの所定波長を用いればよいが、波長を変更して複数種類の波長を用いることが好ましい。波長の値として、例えば可視光の範囲から選択する場合、１つならば例えば５００ｎｍや７００ｎｍ、２つならばその両方を選択すればよい。波長の種類を増やすほど測定時間が長くなるので、予め何種類の波長を用いるか適宜設定しておく。
各直線偏光板４，７における偏光面の角度の測定点にもよるが、回転偏光子法において１種類の波長を用いたときに、一例として１５〜２０分ほどの測定時間が必要である。これに対して、偏光変調法では、各直線偏光板４，７を固定しているので、一例として３０分ほどで磁気光学信号のスペクトルを測定できる。したがって、測定時間の短縮を図るためには、測定に用いる波長の種類は５以下であることが好ましい。
【００４７】
第２測定制御手段３２は、光弾性変調器５の偏光変調機能をオンの状態、かつ、各直線偏光板４，７を所定角度に固定し、分光器３で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いてボルトメータ９およびロックインアンプ１０によりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行い、それぞれの測定値を記憶手段４０に記録するものである。偏光変調法を用いる測定系では、光弾性変調器５の偏光変調機能がオンの状態なので、参照信号がロックインアンプ１０に出力され、ロックインアンプ１０で測定された電圧値ΔＶと、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖとが情報処理装置２０にて利用されることとなる。また、光弾性変調器５は、偏光変調機能がオンの状態なので、入射光を変調して試料Ｆに照射する。この偏光変調法を用いて波長別にそれぞれ測定された測定値は、記憶手段４０において、偏光変調法測定値４２として記憶される。
【００４８】
ここで、各直線偏光板４，７の偏光面における角度として、角度φ１を４５°に固定、角度φ２を０°に固定する。また、偏光変調法を用いた測定では、光の波長として例えば可視光の範囲から選択する場合、青（約４５０ｎｍ）〜赤（約７５０ｎｍ）の範囲で予め定めたピッチで均等に変化させる。ピッチは、所望の測定精度と測定時間とを考慮して適宜設定すればよい。ピッチは、例えば１ｎｍとしてもよい。
【００４９】
演算手段５０は、第１算出手段５１と、相関判別手段５２と、第２算出手段５３と、第３算出手段５４と、を備えている。
第１算出手段５１は、記憶手段４０において偏光面の角度別のそれぞれの測定値として記憶された回転偏光子法測定値４１に基づいて、所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれの測定値に対応して算出する。算出方法の詳細については後記するが、この算出値は、記憶手段４０において、カー回転角絶対値４３として記憶される。
【００５０】
相関判別手段５２は、記憶手段４０に記憶されたカー回転角絶対値４３と、記憶手段４０に記憶された回転偏光子法測定値４１とに基づいて、カー回転角絶対値４３と、入射光偏光面の角度φ１との相関の有無を判別する。相関判別手段５２は、相関が無いと判別した場合、その旨を第２算出手段５３に通知する。一方、相関があると判別した場合、情報処理装置２０は、後記する予め設定された動作モードに応じた処理を実行する。
【００５１】
ここで、カー回転角絶対値４３と入射光偏光面の角度φ１との相関があるとは、例えば入射光偏光面の角度φ１が増加するにしたがってカー回転角も増加する場合を指す。また、別の観点からは、横軸が入射光偏光面の角度φ１、縦軸がカー回転角を示すように測定値を可視化した場合、相関がある場合には右肩上がりのグラフが得られ、相関が無い場合には横軸に略平行なグラフが得られることになる。
【００５２】
第２算出手段５３は、相関判別手段５２においてカー回転角絶対値４３と入射光偏光面の角度φ１との相関が無いと判定された場合、記憶手段４０に記憶されている波長別にそれぞれ測定された偏光変調法測定値４２に基づいて試料のカー回転角のスペクトルを算出するものである。算出方法の詳細については後記するが、この算出値は、記憶手段４０において、カー回転角スペクトル４４として記憶される。
【００５３】
第３算出手段５４は、記憶手段４０に記憶されたカー回転角スペクトル４４におけるカー回転角の値を、記憶手段４０に記憶されたカー回転角絶対値４３に適合させる換算値を求め、カー回転角スペクトル４４におけるカー回転角の値に対して換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する。算出方法の詳細については後記するが、この算出値は、記憶手段４０において、ＭＯスペクトル４５として記憶されると共に、図示しない液晶ディスプレイ等の出力装置に表示される。
【００５４】
［４．磁気光学スペクトル分光装置の動作の流れ］
次に、磁気光学スペクトル分光装置１の動作の流れについて図４を参照（適宜図１および図３参照）して説明する。一例として、面直磁化膜の試料を想定する。
＜ステップＳ１＞
ステップＳ１にて、磁場印加手段６Ａによって、試料Ｆの面直方向に所定の大きさの磁場を印加する。このステップＳ１は、後記する予め設定された動作モードの説明のためにステップＳ２から形式的に分離しただけで、実際にはステップＳ２の中に含まれている。なお、後記する予め設定された動作モードでは、試料に印加する磁場の方向を変化させるモードとして説明する。
【００５５】
＜ステップＳ２＞
ステップＳ２において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、回転偏光子法を用いる測定系にて、試料の反射光から検出する電圧値Ｖを測定する。すなわち、試料Ｆに所定波長の光を照射するときに、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖを、各直線偏光板４，７における偏光面の角度別に記録する。
【００５６】
このステップＳ２では、より詳細には、次のように動作する。すなわち、ステップＳ２において、第１測定制御手段３１は、まず、光弾性変調器５の偏光変調機能をオフの状態とする。また、各直線偏光板４，７を回転させて所定の角度となるように位置を調整する。そして、光源２から得られる光を分光器３に通すことで、スペクトル幅の狭い単色光を取り出す。そして、分光器３で分光された光を第１直線偏光板４に通して直線偏光とする。そして、第１直線偏光板４の透過光を試料Ｆに照射し、その反射光を第２直線偏光板７に通して、光検出手段８で観測する。そして、光検出手段８から得られる電圧信号をデジタルボルトメータ９で観測し、得られる電圧値を情報処理装置２０で記録する。
【００５７】
≪回転偏光子法の測定方法≫
後記する処理でＭＯ信号を決定するために、この回転偏光子法の測定方法は、以下の（Ｂ１）〜（Ｂ７）の手順で実現することができる。
（Ｂ１）第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を初期設定値φ１０にセットする。
また、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を初期設定値φ２０にセットする。
（Ｂ２）この状態において、第２直線偏光板７だけを回転させるときの０回目とカウントして、デジタルボルトメータ９が観測する電圧値Ｖｎの初期値Ｖ０を記録する。
（Ｂ３）第１直線偏光板４における角度φ１を現在値に維持すると共に、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を現在値から所定ピッチΔφ２だけ増加させて、角度（φ２０＋Δφ２）にセットする。
（Ｂ４）各直線偏光板４，７において角度φ１０かつ角度（φ２０＋Δφ２）にそれぞれセットされたＢ３の状態において、第２直線偏光板７だけを回転させるときの１回目とカウントして、デジタルボルトメータ９が観測する電圧値Ｖ１を記録する。
（Ｂ５）以下同様に、第２直線偏光板７だけを回転させるときのｎ回目（ｎは自然数）とカウントしたときに、第１直線偏光板４における角度φ１を現在値に維持すると共に、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２をφ２０＋ｎΔφにセットした後に、デジタルボルトメータ９が観測する電圧値Ｖｎ（φ１，φ２）を記録する。なお、測定回数とΔφは、求める測定精度と測定時間を考慮して決める。
（Ｂ６）測定を通して、電圧値Ｖｎ（φ１，φ２）と、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２との関係が得られる（ｎ＝１，２，…）。
（Ｂ７）第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を、φ１＋ｎΔφ１（ｎは自然数）に置き換えて、（Ｂ１）〜（Ｂ６）を繰り返す。
これにより、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１毎に、電圧値Ｖｎ（φ１，φ２）が記録される。これら記録された多数の電圧値を以下では単にＶ（φ１，φ２）と表記する。
【００５８】
＜ステップＳ３＞
次に、ステップＳ３において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の第１算出手段５１によって、回転角度別に得られた電圧値に基づいて、ＭＯ信号としてカー回転角の絶対値を、それぞれの電圧値に対応して算出する。
第１算出手段５１は、ステップＳ２において電気信号として測定された電圧値Ｖ（φ１，φ２）を解析して、カー回転角を求める。
一例として試料Ｆが角度φＫのカー効果を示すと仮定したときには、回転偏光子法の原理によって、理論的には検出電圧値はＶ０ｃｏｓ２（φ１−φ２＋φＫ）となる。測定値は、この理論値と等しくなるはずであるから、次の方程式が成り立つ。
Ｖ（φ１，φ２）＝Ｖ０ｃｏｓ２（φ１−φ２＋φＫ） … 式（１）
そこで、第１算出手段５１は、観測される電圧値Ｖ（φ，φ２）を式（１）を用いて数値解析する。解析から得られる電圧値Ｖの位相情報と、測定に用いた角度φ１および角度φ２の値から、カー効果を示すと仮定した角度φＫの値が直接決定できる。なお、具体例については後記する。
【００５９】
＜ステップＳ４＞
次に、ステップＳ４において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、得られたカー回転角と入射光偏光面の角度との相関があるか否かを判別する。ここで、入射光偏光面の角度とは、測定に用いた第１直線偏光板４における角度φ１であり、相関判別手段５２は、算出したカー効果を示すと仮定した角度φＫが、測定に用いた角度φ１に依存するか否かを判別する。
【００６０】
＜ステップＳ５＞
前記ステップＳ４において、カー回転角が入射光偏光面の角度φ１に依存しないと判別した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、磁気光学効果は極カー効果に起因するので、磁気光学スペクトル分光装置１は、第２測定制御手段３２によって、偏光変調法を用いる測定系にて、試料の反射光から検出する電圧値Ｖ，ΔＶを測定する（ステップＳ５）。すなわち、各直線偏光板４，７の位置を固定した上で試料Ｆに偏光を照射したときに、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖと、ロックインアンプ１０で測定された電圧値ΔＶとを光の波長別に記録する。なお、カー回転角が入射光偏光面の角度φ１に依存しない場合、磁気光学効果は極カー効果に起因する理由は後記する。
【００６１】
このステップＳ５では、より詳細には、次のように動作する。すなわち、ステップＳ５において、第２測定制御手段３２は、まず、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を４５°、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を０°とし、光弾性変調器５の偏光変調機能をオンの状態とする。そして、光源２から得られる光を分光器３に通すことで、スペクトル幅の狭い単色光を取り出す。そして、分光器３で分光された光を第１直線偏光板４に通して、光弾性変調器５に対して４５°傾いた直線偏光とする。そして、第１直線偏光板４の透過光を光弾性変調器５に通すことで、右回り偏光と左回り偏光で高速変調する。このときの変調周波数をｆ１とする。光弾性変調器５の変調周期とロックインアンプ１０とを同期させるため、ロックインアンプ１０の参照信号として、変調周波数ｆ１の２倍の周波数の信号を入力する。なお、ここではカー効果を求めるために、参照信号を変調周波数ｆ１の２倍の周波数の信号としたが、円二色性を求める場合には、参照信号を変調周波数ｆ１と同じ周波数の信号とすればよい。そして、光弾性変調器５を通過した偏光を試料Ｆに照射し、その反射光を第２直線偏光板７に通して、光検出手段８で観測する。そして、光検出手段８から得られる電圧信号をデジタルボルトメータ９およびロックインアンプでそれぞれ観測し、得られる電圧値（Ｖ、ΔＶ）を情報処理装置２０で記録する。
【００６２】
≪偏光変調法の測定方法≫
ＭＯスペクトルを測定するために、偏光変調法の測定方法は、例えば以下の（Ｃ１）〜（Ｃ７）の手順で実現することができる。なお、この偏光変調法の測定方法は、非特許文献１に詳しく示されている。
（Ｃ１）分光器３の設定波長と、光弾性変調器５の設定波長とを、初期波長λ０にセットする。
（Ｃ２）光弾性変調器５において、設定波長をセットされた波長（初期波長λ０）、変調モードを１／４波長、変調周波数をｆ１とすると共に、ロックインアンプ１０において、参照周波数を２ｆ１とする。なお、以下では、光弾性変調器５において設定波長をセットされた波長に順次切り替えるが、変調モードおよび変調周波数は固定し、ロックインアンプ１０の参照周波数も固定しておく。
（Ｃ３）Ｃ２の状態において、設定波長を変化させるときの０回目とカウントして、初期波長λ０の光が試料Ｆに照射されたときに、ロックインアンプ１０を用いて電圧値ΔＶ０を測定すると共に、デジタルボルトメータ９を用いて電圧値Ｖ０を測定する。
（Ｃ４）分光器３と光弾性変調器５の設定波長をλ１＝（λ０＋Δλ）にセットする。
（Ｃ５）Ｃ４の状態で、設定波長を変化させるときの１回目とカウントして、ロックインアンプ１０とデジタルボルトメータ９を用いて各電圧値ΔＶ１，Ｖ１を測定する。
（Ｃ６）以下同様に、設定波長を変化させるときのｎ回目（ｎは自然数）とカウントしたときに、分光器３と光弾性変調器５の設定波長をλｎ＝（λ０＋ｎΔλ）にセットした後に、ロックインアンプ１０とデジタルボルトメータ９を用いて、各電圧値ΔＶｎ，Ｖｎを測定する。
（Ｃ７）測定を通して、電圧値（ΔＶｎ、Ｖｎ）と波長の関係が得られる。
【００６３】
＜ステップＳ６＞
次に、ステップＳ６において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の第２算出手段５３によって、波長別に得られた電圧値からカー回転角のスペクトルを算出する。第２算出手段５３は、ステップＳ５において電気信号としてそれぞれ得られたデータ（ΔＶｎ、Ｖｎ）を解析して、カー回転角スペクトル４４を求める。ここで、カー回転角は、ΔＶ／Ｖに比例する。なお、比例定数は未定で、回転角の絶対値はここでは定まらない。
【００６４】
＜ステップＳ７＞
そこで、ステップＳ７において、演算手段５０の第３算出手段５４は、回転角の絶対値を定めるために、第１算出手段５１によって算出されたカー回転角絶対値４３を、第２算出手段５３で算出されたカー回転角スペクトル４４に適合させる換算値を求める。第３算出手段５４は、少なくとも１つの波長について得られているカー回転角絶対値４３を、カー回転角スペクトル４４において同じ波長の回転角で規格化することで換算値を求める。カー回転角絶対値４３において複数の波長を用いて複数の換算値を求めたときには、例えばその平均を最終的な換算値とする。そして、第３算出手段５４は、算出スペクトル（カー回転角スペクトル４４）に換算値を掛けて、校正されたＭＯスペクトルを算出する（以上、ステップＳ７）。
【００６５】
＜ステップＳ８＞
前記ステップＳ４において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、カー回転角が入射光偏光面の角度に依存すると判別した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、予め定めた動作モードに応じた処理を行う（ステップＳ８）。
【００６６】
ここで、予め定めた動作モードは、例えば、情報処理装置２０の第１測定制御手段３１および第１算出手段５１によって、回転偏光子法の測定を繰り返し行うことでＭＯスペクトルを算出するモードである回転偏光子法測定モードを挙げることができる。
また、磁気光学効果は、極カー効果、縦カー効果、線二色性の線形和なので、例えば、観測された磁気光学効果は極カー効果以外（縦カー効果もしくは線二色性）に起因するのかどうかを判定するモードや、磁気光学効果の起源は線二色性に起因するのかどうかを判定するモード等を設けてもよい。
本実施形態では、動作モードの一例として、極カー効果以外の磁気光学効果を識別する起源探索モード（磁気光学効果の起源探索モード）が予め定められているものとする。この起源探索モードは、例えば、情報処理装置２０の第１測定制御手段３１、第１算出手段５１および相関判別手段５２によって行うことができる。
【００６７】
［５．起源探索モード］
＜起源探索モードの判定原理＞
ここで、起源探索モードの一例を図５のフローチャートで示す。また、このフローチャートの各処理を説明する前に、その判定原理について図６を参照して説明する。
図６（ａ）は、試料に印加する磁場の方向と試料に入射する偏光の進行方向との位置関係を模式的に示す図であって、（ａ）は試料の面直方向に磁場を印加する配置を示している。図６（ａ）のように配置すれば、極カー効果が現れることを検出することが可能である。この図６（ａ）において、試料Ｆは膜状であってＸＹ平面上に置かれて、斜めから入射する偏光Ｌが試料Ｆの表面の点Ｏで反射する場合を例示した。このとき、磁場印加手段６によって、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）は、図示するように、磁化Ｍの向きが、ＸＹ平面の法線方向（Ｚ軸方向）に向くように制御された状態で測定が行われる。すなわち、図１に示す磁場印加手段６Ａが試料Ｆに対して面直磁場を印加する。
【００６８】
また、図６（ａ）に示す破線の面は、第１直線偏光板４における偏光面を表している。この例では、第１直線偏光板４における偏光面は、Ｘ軸と交差している。この破線で示す状態から、第１直線偏光板４における偏光面の角度を例えば９０°変化させると、第１直線偏光板４における偏光面がＹ軸と交差することとなる。このように、第１直線偏光板４における偏光面の角度を変化させることは、試料Ｆの磁化Ｍの向きを軸として第１直線偏光板４における偏光面を回転させることであり、偏光面のどの角度も磁化Ｍの向きに影響を与えない。つまり、カー効果を示すと仮定した角度φＫが、測定に用いた第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存しなければ、このときの磁気光学効果とは、極カー効果に起因するものであると考えられる。
【００６９】
図６（ｂ）および図６（ｂ）は試料の面内方向に磁場を印加する配置をそれぞれ示している。図６（ｂ）と図６（ｃ）に示す配置では、図２に示す磁場印加手段６Ｂが試料Ｆに対して面内磁場を印加する。また、図６（ｂ）のように配置すると、縦カー効果もしくは線二色性が現れることを検出することが可能である。一方、図６（ｃ）のように配置すると、縦カー効果が現れることを検出することはできない。
【００７０】
また、図６（ｂ）と図６（ａ）との違いは、磁場印加手段６Ｂによって、試料Ｆの磁化Ｍの向きが、ＸＹ平面の面内方向、かつＸ軸方向になるように制御された状態で測定が行われる点である。ここで、ＸＹ平面の面内方向、かつＸ軸方向とは、ＸＹ平面の面内方向であって光の入射面に平行な方向を示す。以下では、この方向を面内Ａ方向と呼ぶ。
【００７１】
また、図６（ｃ）と図６（ａ）との違いは、磁場印加手段６Ｂによって、試料Ｆの磁化Ｍの向きが、ＸＹ平面の面内方向、かつＹ軸方向（以下、面内Ｂ方向と呼ぶ）になるように制御された状態で測定が行われる点である。ここで、ＸＹ平面の面内方向、かつＹ軸方向とは、ＸＹ平面の面内方向であって光の入射面の法線方向を示す。以下では、この面内Ａ方向に直交する方向を面内Ｂ方向と呼ぶ。
【００７２】
図６（ｂ）において、破線で示す偏光面は、Ｘ軸と交差し、試料Ｆの磁化Ｍの向きと揃っているので、このとき観測される信号は、縦カー効果もしくは線二色性に起因するものである。破線で示す偏光面を回転させると、回転角に応じて、観測される信号が変化する。つまり、カー効果を示すと仮定した角度φＫが第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存するので、このときの磁気光学効果とは、縦カー効果もしくは線二色性に起因するものであると考えられる。
【００７３】
ところで、図６（ｂ）に示す状態から、第１直線偏光板４における偏光面の角度を９０°変化させると、実質的に図６（ｃ）に示す状態と等価になる。したがって、図６（ｂ）に示す状態から偏光面の角度を９０°変化させた状態で観測される信号は、縦カー効果に起因するものではない。つまり、観測信号において、カー効果を示すと仮定した角度φＫが、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存するときに、さらに図６（ｃ）に示す状態で測定を行った場合にも依然として角度φＫが偏光面の角度φ１に依存するときには、このときの磁気光学効果とは、線二色性に起因するものであると考えられる。
【００７４】
＜起源探索モードの動作の流れ＞
図５のフローチャートは、前記した判定原理にしたがって構築されている。磁気光学効果の起源探索モードの動作の流れについて図５を参照（適宜図１、図３、図４および図６参照）して説明する。この起源探索モードでは、まず、ステップＳ１１において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、磁場の印加方向を面内Ａ方向に設定する。
【００７５】
そして、ステップＳ１２において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、デジタルボルトメータ９で電圧値Ｖを測定し、第１算出手段５１によってカー回転角を算出する。ここでは、第１測定制御手段３１は、予め定めた磁場の大きさの範囲内で磁場の大きさを変えて測定を実行する。磁場の大きさの範囲は、縦カー効果が現れる程度の大きさとして定められる。
【００７６】
そして、ステップＳ１３において、前記ステップＳ４と同様にして、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、得られたカー回転角と入射光偏光面の角度との相関があるか否かを判別する。相関がある場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、相関判別手段５２は磁気光学効果が縦カー効果もしくは線二色性に起因すると判定し、簡易的な探索処理を終了する（ステップＳ１４）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果が縦カー効果もしくは線二色性に起因する旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力する。一方、ステップＳ１３において相関がない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、相関判別手段５２はエラー処理を実行する（ステップＳ１９）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果の起源が不明である旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。
【００７７】
そして、簡易的な探索処理のステップＳ１４に続くオプションとして、磁気光学効果の起源をより詳細に探索したい場合には、ステップＳ１５において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、磁場の印加方向を面内Ｂ方向に設定する。そして、ステップＳ１６において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、デジタルボルトメータ９で電圧値Ｖを測定し、第１算出手段５１によってカー回転角を算出する。
【００７８】
そして、ステップＳ１７において、前記ステップＳ１３と同様にして、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、得られたカー回転角と入射光偏光面の角度との相関があるか否かを判別する。相関がある場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、相関判別手段５２は、磁気光学効果が線二色性に起因すると判定する（ステップＳ１８）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果が線二色性に起因する旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。
【００７９】
一方、ステップＳ１７において相関がない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、相関判別手段５２はエラー処理を実行する（ステップＳ１９）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果の起源が不明である旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。これは、詳細な探索においては、ステップＳ１７においてＮｏの場合、磁気光学効果の原因が、極カー効果、縦カー効果、線二色性のうちの単独の原因ではないかもしれない可能性を否定できないからである。また、ステップＳ１７にてＮｏの場合に、相関判別手段５２は、エラー処理をせずに、ステップＳ１４の判定結果を再び図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。これは、簡易的な探索においては、ステップＳ１７においてＮｏの場合、縦カー効果もしくは線二色性に起因するとのステップＳ１４の判定結果に矛盾しないからである。なお、簡易的な探索で終了するか、詳細な探索まで行うかは、要求される測定時間や測定精度に応じて適宜設計変更可能である。
【００８０】
［６．ＭＯ信号の観測例］
図１に示す磁気光学スペクトル分光装置１を用いて、具体的にＧｄＦｅ薄膜を試料としてＭＯ信号を観測した結果について説明する。試料であるＧｄＦｅ薄膜は面直磁化膜であり、その面直方向に外部磁場Ｈextを印加すると磁化反転する。本実施形態の磁気光学スペクトル測定方法を用いて観測するＭＯ信号をθＫと表記する。ここで、Ｋはカー回転角を示す添字である。このθＫは、磁気光学効果による回転角度を表し、理論的には、前記した式（１）においてカー効果を示すと仮定した角度φＫに対応する。
【００８１】
＜ＭＯ信号の測定原理＞
ＭＯ信号θＫは、試料の磁気的特性に起因する信号成分（これをΔθＫ（Ｍ）と表記する）と、試料の非磁性的な信号成分（これをΔθＮＭと表記する）との重ね合わせである。ここで、Ｍは試料の磁気的特性、ＮＭは非磁気的特性を示す。つまり、試料の磁気的特性を考慮した場合、例えば磁化反転したときに印加されていた外部磁場の向きをＭとしたときにＭＯ信号θＫ（Ｍ）は、式（２）で表すことができる。
【００８２】
θＫ（Ｍ）＝ΔθＫ（Ｍ）＋ΔθＮＭ … 式（２）
【００８３】
測定で得たい情報は、試料の磁気的特性に起因する信号成分ΔθＫ（Ｍ）であり、以下の関係等を用いて決定することができる。ここで、試料が磁化反転する前に印加されていた外部磁場の向きを−Ｍと表記すると、試料が磁化反転する前の状態では、試料が磁化反転した後の状態とは反対向きに磁化が回転するので、式（２）の右辺第１項ΔθＫ（Ｍ）には式（３）の関係がある。
【００８４】
ΔθＫ（Ｍ）＝−ΔθＫ（−Ｍ） … 式（３）
【００８５】
試料に印加する外部磁場の向きを磁化反転前の状態（−Ｍ）としたときには、式（２）と同様にして、式（４）の関係が得られる。また、式（３）の関係を用いると、式（４）は式（５）に書き換えられる。さらに式（２）から式（５）の辺々を差し引くと式（６）が得られる。これを整理すると、測定で得たい情報である、ＭＯ信号θＫ中の磁気的特性に起因する信号成分ΔθＫ（Ｍ）は、式（７ａ）で表される。
【００８６】
θＫ（−Ｍ）＝ΔθＫ（−Ｍ）＋ΔθＮＭ … 式（４）
θＫ（−Ｍ）＝−ΔθＫ（Ｍ）＋ΔθＮＭ … 式（５）
θＫ（Ｍ）−θＫ（−Ｍ）＝２ΔθＫ（Ｍ） … 式（６）
ΔθＫ（Ｍ）＝（θＫ（Ｍ）−θＫ（−Ｍ））／２ … 式（７ａ）
【００８７】
そこで、試料が磁化反転したときに印加している外部磁場の向きをＭとしたときに式（３）の左辺θＫ（Ｍ）をＭＯ信号として観測し、試料が磁化反転する前に印加していた外部磁場の向きを−Ｍとしたときに式（３）の右辺θＫ（−Ｍ）をＭＯ信号として観測した。なお、以下では、観測信号であるＭＯ信号についてはＫを省略して単にθ（Ｍ）あるいはθ（−Ｍ）と表記し、求めたい情報についてはＭを省略して単にΔθＫと表記する。つまり、式（７ａ）を式（７ｂ）のように書き換える。
【００８８】
ΔθＫ＝（θ（Ｍ）−θ（−Ｍ））／２ … 式（７ｂ）
【００８９】
＜回転偏光子法を用いたＭＯ信号の観測＞
≪電圧信号のφ２依存性≫
ＧｄＦｅ薄膜を試料として回転偏光子法を用いたＭＯ信号の観測例を図７に示す。図７のグラフにおいて、横軸は第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を示し、縦軸はデジタルボルトメータ９で観測した電圧信号（電圧値Ｖ）を任意単位（arbitrary units：ａ．ｕ．）で示したものである。
【００９０】
このグラフにおいて無数の丸印は、電圧値Ｖ（φ１，φ２）の実験結果であって、角度φ２別のＭＯ信号θ（Ｍ）あるいはθ（−Ｍ）を示している。また、コサイン関数状の実線は、解析結果であって、第１算出手段５１が実験結果を前記式（１）に基づいてフィッティングにより得た結果である。図７に示すように、観測されたＶ（φ１、φ２）は、前記式（１）を用いて非常によく再現され、カー効果を示すと仮定した角度φＫの値が直接決定できた。ここでは、前記式（２）以降のＭＯ信号の測定原理に則って角度φＫのことを回転角θＫと表記する。ここでは、あえてＭの表記を省略する。回転角θＫは、算出されたカー回転角絶対値に対応する。
【００９１】
≪θＫの外部磁場依存性≫
ＧｄＦｅ薄膜を試料として回転偏光子法を用いたＭＯ信号から算出された回転角の一例を図８に示す。図８のグラフにおいて、横軸は磁場印加手段６Ａで試料に印加した外部磁場を示す。なお、磁場の単位については、１［Ｏｅ］＝７９．５７７［Ａ／ｍ］で換算可能である。また、図８のグラフの縦軸は第１算出手段５１で算出した回転角θＫを°（degree：deg.）で示す。なお、縦軸に示す回転角は、正しく校正された値である。
【００９２】
この実験では、分光器３で分光した光の波長を５００〜７００ｎｍの範囲で５０ｎｍのピッチで変化させて回転偏光子法を適用した。図８のグラフにおいては、このうち、光の波長を５００ｎｍとして観測した回転角θＫの磁場依存性を丸印で示すと共に、光の波長を７００ｎｍとして観測した回転角θＫの磁場依存性を四角印で示す。また、磁場印加手段６Ａは、試料に対して、負の磁場から正の磁場へと増加させて印加した。図８のグラフに示すように、０ｋＯｅから０．５ｋＯｅへ向けて、磁化反転に伴って、回転角θＫの顕著な変化が見られた。
【００９３】
そこで、次に、前記式（７ｂ）の表式に則って回転角θＫにおいてあえて省略していたＭの表記を付加して、図８のグラフにおいて、試料が磁化反転する前の状態に対応する、−２．０ｋＯｅから０．０ｋＯｅまでの信号をθＫ（−Ｍ）と表記すると共に、試料が磁化反転した後の状態に対応する、０．５ｋＯｅから２．０ｋＯｅまでの信号をθＫ（Ｍ）と表記することとした。
【００９４】
≪θＫ（Ｍ）とθＫ（−Ｍ）の波長依存性≫
そして、図８のグラフにおいて光の波長を５００ｎｍ，７００ｎｍとして、観測した回転角θＫの磁場依存性のそれぞれを線形関数でフィッティングした後、その切片をそれぞれθＫ（−Ｍ）、θＫ（Ｍ）とした結果を図９に示す。図９のグラフにおいて、横軸は分光器３で分光した光の波長を示し、縦軸は図８のグラフと同様な回転角θＫ（−Ｍ）、θＫ（Ｍ）を示す。図９のグラフにおいて、回転角θＫ（−Ｍ）を四角印で示し、回転角θＫ（Ｍ）を丸印で示す。これらの結果は、前記式（７ｂ）の右辺に示すＭＯ信号θ（−Ｍ），θ（Ｍ）に対応する。また、これらの結果は、各直線偏光板４，７の角度を適宜変えて求めた結果である。そして、図９のグラフに示す実験結果を、式（７ｂ）に代入して決定した結果であるΔθＫを図１０に示す。
【００９５】
≪ΔθＫの波長依存性≫
図１０のグラフにおいて、横軸は図９と同様に光の波長を示し、縦軸は、求めたい情報であって、ＭＯ信号のうち試料の磁気的特性に起因する回転角ΔθＫを示す。図１０のグラフにおいて、回転角ΔθＫをドットで示し、ドットの上下の線は誤差の標準偏差の範囲を示す。このように、回転偏光子法を用いることで、ΔθＫの波長依存性が決定された。回転偏光子法の測定は時間がかかるが、ＭＯ信号の絶対値すなわちΔθＫの絶対値を正確に決定できるメリットがある。グラフの波長別のドットで表された回転角ΔθＫの値が、第１算出手段５１の演算結果であるカー回転角絶対値４３に対応する。
【００９６】
≪ΔθＫのφ１依存性≫
図１０のグラフにおいて、波長を５００ｎｍとして観測した回転角ΔθＫの測定結果と、そのときの第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１との関係を図１１に示す。図１１において、横軸は第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を示し、縦軸は回転角ΔθＫを示す。図１１のグラフにおいて、回転角ΔθＫをドットで示し、ドットの上下の線は誤差の標準偏差の範囲を示す。図１１に見られるように、回転角ΔθＫは、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存しない。このことは、この試料で観測されるＭＯ信号が極カー効果に支配されていることを示唆し、また、試料が面直磁化膜であることと矛盾しない。したがって、本実施形態の測定方法では、演算手段５０の相関判別手段５２が、観測されたＭＯ信号が極カー効果に起因するものであると判定してから、偏光変調法を用いた測定を行う。
【００９７】
なお、図１１のグラフのようにＭＯ信号が極カー効果に支配されている場合には、角度φ１毎の回転角ΔθＫを繋げると、ほぼ横軸に平行な直線が得られる。一方、ＭＯ信号が縦カー効果や線二色性に支配されている場合に、同様なグラフを作成すると、回転角がφ1に依存するグラフとなる。したがって、ＭＯ信号が極カー効果に支配されているか否かは、観測されたカー回転角と第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１との関係をグラフ化すると一目瞭然となる。
【００９８】
＜偏光変調法を用いたＭＯスペクトルの観測＞
≪ΔθＫの波長依存性≫
次に、回転偏光子法で観測したＧｄＦｅ薄膜を用いて、同条件で偏光変調法を用いることで、ＭＯスペクトルを観測した。ここでは、試料の磁化の向きを揃えるため、磁場印加手段６Ａで試料に１ｋＯｅの外部磁場を印加して測定を行った。測定結果を、図１２に示す。図１２のグラフは、図１０のグラフと同様なグラフであって、横軸は光の波長を示し、縦軸は回転角ΔθＫを示す。ただし、図１２のグラフにおいて、回転角ΔθＫの値は校正されたものではないので任意単位（ａ．ｕ．）で示す。偏光変調法では、ＭＯスペクトルが効率的に測定できるので多くの波長での信号が取得できるが、ＭＯ信号の絶対値を決定することが難しい。
【００９９】
本実施形態の測定方法では、ＭＯ信号の絶対値を規格化するために、演算手段５０の第３算出手段５４が、図１０のグラフに対応して記憶手段４０に記憶されたカー回転角絶対値４３を、図１２のグラフに対応して記憶手段４０に記憶されたカー回転角スペクトル４４に適合させる換算値を求める。カー回転角スペクトル４４を校正した結果をＭＯスペクトルとして図１３に示す。
【０１００】
図１３のグラフにおいて、実線は偏光変調法で観測したΔθＫの波長依存性を示し、四角印は回転偏光子法で観測したΔθＫの波長依存性を示す。本実施形態の測定方法によれば、回転偏光子法で決定したＭＯ信号を用いて、ＭＯ信号の絶対値を規格化し、絶対値が校正されたＭＯスペクトルが取得できた。また、ＭＯ信号が極カー効果に支配されていることが、直接決定できた。
【０１０１】
本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１によれば、回転偏光子法を用いる測定系と、偏光変調法を用いる測定系とを切り替え可能に構成され、回転偏光子法を用いた少なくとも１つの所定波長でのＭＯ信号観測と、偏光変調法によるＭＯスペクトル測定とを全自動で実現することができるので、磁気光学効果として観測される信号の測定時間を低減することができる。
【０１０２】
また、本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１および測定方法によれば、偏光変調法により得たＭＯスペクトルを、回転偏光子法で決定したＭＯ信号で校正することで、ＭＯスペクトルを精度よく簡単に取得することができる。
【０１０３】
また、本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１および測定方法によれば、回転偏光子法で決定したＭＯ信号が極カー効果に起因することを確かめてから、偏光変調法により得たＭＯスペクトルを解析するので、従来とは異なって、２つの測定法を用いて校正されたＭＯスペクトルは、縦カー効果および線二色性ではなく極カー効果によるカー回転角を表すことが確認できる。また、たとえ、回転偏光子法で決定したＭＯ信号が極カー効果に起因することを確かめられなくても、縦カー効果または線二色性によるものか起源を探索することもできる。
【０１０４】
また、本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１および測定方法によれば、ＭＯディスクのような情報ストレージ、安定的な光通信に必要不可欠なファラデー素子、さらには、ホログラムを用いた３次元ディスプレイなど、磁気光学効果が使用されているさまざまな応用技術において磁性材料のＭＯ効果を正しく効率的に詳しく調べることで、それらの研究開発の促進が期待できる。
【０１０５】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態では、試料Ｆで反射した反射光を第２直線偏光板７に通して光検出手段８で観測するものとしたが、試料Ｆを透過した透過光を第２直線偏光板７に通して光検出手段８で観測するものとしても同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
また、本実施形態では、面直磁化膜の試料を想定し、ステップＳ１にて、磁場印加手段６Ａによって、試料Ｆの面直方向に所定の大きさの磁場を印加することとしたが、面内磁化膜の試料を用いてもよいし、ステップＳ１にて印加する磁場の向きは、面内磁場でも同様に測定できる。
【０１０７】
また、本実施形態の測定方法では、回転偏光子法による測定、カー回転角の算出、およびカー回転角と入射光偏光面の角度との相関の判定を終えてから偏光変調法を用いる測定を行うこととしたが、回転偏光子法による測定と、偏光変調法を用いる測定とを終えてから、演算処理および判定処理を行うようにしてもよい。
【０１０８】
また、例えば、磁気光学スペクトル分光装置の制御装置は、一般的なコンピュータを、前記した制御手段３０および演算手段５０として機能させるプログラムにより動作させることで実現することができる。このプログラムは、通信回線を介して配布することも可能であるし、ＤＶＤやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に書き込んで配布することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、ＭＯディスクのような情報ストレージ、安定的な光通信に必要不可欠なファラデー素子、さらには、ホログラムを用いた３次元ディスプレイなど、磁気光学効果が使用されているさまざまな応用技術に利用できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 磁気光学スペクトル分光装置
２ 光源
３ 分光器
４ 第１直線偏光板
５ 光弾性変調器
６ 磁場印加手段
７ 第２直線偏光板
８ 光検出手段
９ デジタルボルトメータ
１０ ロックインアンプ
２０ 情報処理装置
３０ 制御手段
３１ 第１測定制御手段
３２ 第２測定制御手段
４０ 記憶手段
４１ 回転偏光子法測定値（回転偏光子法を用いた測定値）
４２ 偏光変調法測定値（偏光変調法を用いた測定値）
４３ カー回転角絶対値（カー回転角の絶対値）
４４ カー回転角スペクトル（カー回転角のスペクトル）
４５ ＭＯスペクトル（スペクトルの絶対値）
５０ 演算手段
５１ 第１算出手段
５２ 相関判別手段
５３ 第２算出手段
５４ 第３算出手段
Ｆ 試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気光学分光法に係り、特に磁気光学スペクトル測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光は、電場と磁場が振動する波である。電場と磁場が一方向に揃えられて振動する光を直線偏光といい、電場の振動方向を偏光面という。磁場中に存在する物質に直線偏光を照射すると、光は物質の持つ旋光性により偏光面が回転する。これを磁気光学効果という。磁気光学効果は、光磁気ディスクや光スイッチなどに応用されており、さまざまな材料における研究が進められている。加えて、近年のスピントロニクス研究の急速な進歩により、磁性体材料の磁気光学スペクトルを高速、高精度、そして安価に観測する手法の確立が求められている。
【０００３】
磁気光学効果の測定方法としては、例えば、回転偏光子法や偏光変調法が知られている（特許文献１参照）。回転偏光子法と偏光変調法には、以下に示す利点と欠点がある。回転偏光子法は、観測された磁気光学信号（magneto-optical信号：以下、ＭＯ信号という）の絶対値が決定できるが、測定に時間がかかる。一方、偏光変調法は、ＭＯスペクトルが効率よく測定できるが、ＭＯ信号の絶対値が決定できない。これまで磁気光学効果の波長依存性、いわゆる磁気光学スペクトルは、主に、偏光変調法により観測されてきた。この偏光変調法による測定方法は、既に非特許文献１において詳しく解説されており、測定装置も市販されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９４２９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐藤勝昭著、「光と磁気」、朝倉出版、2001年11月20日、p.90−115
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、ＭＯスペクトルを測定するために偏光変調法を用いた市販の測定装置は、製品として出荷される前に工場において予め校正されているので、測定現場においてＭＯ信号の絶対値が直接決定できるとされている。つまり、この従来の測定装置は、測定現場で得られた測定結果を、工場で一回校正したパラメータを使って校正して、ＭＯ信号の絶対値を得ている。ところが、現場の実験条件や光弾性変調器の特性変化などにより校正条件が変化する可能性がある。したがって、校正条件に合わせて測定毎に現場で校正を毎回行うことが理想的であり、磁気光学分光計を用いる研究分野では、測定のたびに磁気光学分光計を校正し直すことが要望されている。しかしながら、従来の測定装置は、測定のたびに校正し直すことができないため、データの信頼性に疑問が残る。
【０００７】
また、試料の反射光で観測されるＭＯ信号は、原理的には、極カー効果、縦カー効果および線二色性の線形和であるが、多くの研究では、反射光から観測される信号が極カー効果により支配されていると仮定している。そのため、偏光変調法を用いた市販の極カー効果測定装置は、磁気光学効果が極カー効果だけに起因するものと仮定して構成されており、入射光が試料表面に対して斜めに照射されるときには必ずしも正しくない。多くの測定装置では、試料に光が斜めに照射されているので、観測されるデータには誤りが含まれる可能性がある。
【０００８】
そこで、回転偏光子法と偏光変調法とが、利点と欠点を相互に補完することに着目して双方を組み合わせる手法が考えられる。つまり、偏光変調法でＭＯスペクトルを観測し、その後に、回転偏光子法でＭＯ信号の校正を行えば、正しいＭＯスペクトルが得られる。しかしながら、回転偏光子法を用いた測定装置と、偏光変調法を用いた測定装置とは異なるため、測定に手間がかかった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、磁気光学効果として観測される信号の絶対値を校正できる磁気光学スペクトル分光装置、磁気光学スペクトル測定方法およびプログラムを提供することを課題とする。
また、本発明は、磁気光学効果として観測される信号を効率よく測定できる磁気光学スペクトル分光装置、磁気光学スペクトル測定方法およびプログラムを提供することを他の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本願発明者らは、回転偏光子法と偏光変調法の測定装置および測定方法について種々検討を行った。これらの測定装置の違いは、光学測定系に設置される偏光板の角度と、光弾性変調器の有無なので、自動角度調整機能付き偏光子ホルダで偏光板の角度をコンピュータ制御すると共に、光弾性変調器の変調機能のオン／オフをコンピュータ制御することを１つの測定装置で実現できることを見出した。また、大要、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）の手順で回転偏光子法と偏光変調法とを１つの測定装置で実現することで、測定効率を飛躍的に向上させることができることを見出した。
（Ａ１）回転偏光子法を用いて、ＭＯ信号の絶対値を決定する。
（Ａ２）回転偏光子法を用いて、ＭＯ信号の入射光偏光面に対する変化を観測し、その振る舞いからＭＯ信号の起源を決定する。
（Ａ３）偏光変調法を用いてＭＯスペクトルを観測する。
【００１１】
そこで、本発明のうち請求項１に記載の磁気光学スペクトル分光装置は、試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、前記分光器で分光される所定波長の光における波長の切り替えを含む動作を予め設定されたタイミングで制御する制御手段と、前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプでそれぞれ測定された電圧値を記憶する記憶手段と、前記記憶された電圧値に基づいて前記試料の磁気光学特性としてカー回転角を算出する演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置において、前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、前記制御手段が、第１測定制御手段と、第２測定制御手段とを備え、前記演算手段が、第１算出手段と、相関判別手段と、第２算出手段と、第３算出手段とを備えることとした。なお、偏光変調法を用いる測定系の配置は公知である。
【００１２】
かかる構成によれば、磁気光学スペクトル分光装置において、制御手段は、第１測定制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。そして、第２測定制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。そして、磁気光学スペクトル分光装置において、演算手段は、第１算出手段によって、前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、演算手段は、相関判別手段によって、前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。
【００１３】
ここで、磁気光学効果の１つである極カー効果は、その原理から、入射光偏光面の角度に依存しないので相関が無いが、縦カー効果と線二色性は共に依存するため相関がある。したがって、磁気光学スペクトル分光装置において、前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、観測された磁気光学効果は極カー効果に起因するので、演算手段は、第２算出手段によって、前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する。そして、演算手段は、第３算出手段によって、前記第２算出手段で算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出手段によって算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する。
【００１４】
また、請求項２に記載の磁気光学スペクトル分光装置は、請求項１に記載の磁気光学スペクトル分光装置において、前記磁場印加手段が、前記試料の面直方向に磁場を印加する面直磁場印加手段と、前記試料の面内方向に磁場を印加する面内磁場印加手段とを備え、前記演算手段の前記相関判別手段が、前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定することが好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、試料に対して面直方向に磁場を印加した場合の測定値から算出されたカー回転角の絶対値と、当該測定における入射光偏光面の角度との相関があると判別した場合に、試料に対して面内方向に磁場を印加した場合の測定値に基づいて、同様に相関の有無を調べることができる。ここで、縦カー効果は、試料に照射される光の進行ベクトルが面内方向に対する射影ベクトルと磁化ベクトルとの内積に比例することが知られている。また、試料の面直方向に磁場を印加して試料の磁化の向きを制御しながら測定した偏光の回転角が、当該測定における入射光偏光面の角度に依存する場合、それは極カー効果以外の磁気光学効果に起因すると考えられる。したがって、磁気光学スペクトル分光装置によれば、原理的に縦カー効果が現れるような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定した測定値に基づいて相関の有無を調べるので、相関がある場合には、カー回転角が極カー効果ではなく、縦カー効果もしくは線二色性に起因することを判定できる。よって、試料から観測される磁気光学信号によって、極カー効果に起因したスペクトルが得られない場合でも、対象の試料に観測される磁気光学効果が縦カー効果もしくは線二色性に起因することが分かり、なんらかの手段で縦カー効果もしくは線二色性に起因したスペクトルを求めることが可能となる。
【００１６】
また、請求項３に記載の磁気光学スペクトル分光装置は、請求項２に記載の磁気光学スペクトル分光装置において、前記演算手段の前記相関判別手段が、前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面の法線方向に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記縦カー効果の寄与が含まれているとの判定を覆し前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定することが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、原理的に縦カー効果が現れるような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定した測定値に基づいて相関があると判別した場合に、試料の面内方向であって光の入射面の法線方向に磁場を印加した場合の測定値に基づいて、同様に相関の有無を調べることができる。ここで、線二色性は、磁化の面内磁化の大きさと入射光偏光面の角度との相対的な関係に比例することが知られている。そして、原理的に縦カー効果が現れるような印加磁場の配置において得られた信号が縦カー効果もしくは線二色性に起因すると推定されたときに、さらに、原理的に縦カー効果が現れないような配置で磁場を印加して試料の磁化の向きを制御しながら測定した信号においても、カー回転角の絶対値が入射光偏光面の角度になお依存してしまう場合には、原理的には、このときのカー回転角は縦カー効果に起因するとは言えず、残りの可能性として、カー回転角が線二色性に起因していると考えられる。したがって、磁気光学スペクトル分光装置によれば、カー回転角が線二色性に起因することを判定できる。よって、試料から観測される磁気光学信号によって、極カー効果に起因したスペクトルが得られない場合でも、対象の試料に観測される磁気光学効果が線二色性に起因することが分かり、なんらかの手段で線二色性に起因したスペクトルを求めることが可能となる。
【００１８】
また、前記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の磁気光学スペクトル測定方法は、試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、制御手段と、記憶手段と、演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置における磁気光学スペクトル測定方法であって、前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、第１測定制御ステップと、第１算出ステップと、相関判別ステップと、第２測定制御ステップと、第２算出ステップと、第３算出ステップと、を含んで実行することとした。
【００１９】
かかる手順によれば、磁気光学スペクトル測定方法は、第１測定制御ステップにて、前記制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして、前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。この回転偏光子法を用いた測定では、最低１種類の波長を用いればよい。そして、第１算出ステップにて、前記演算手段によって、前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、相関判別ステップにて、前記演算手段によって、前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。ここで、前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、第２測定制御ステップにて、前記制御手段によって、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する。そして、第２算出ステップにて、前記演算手段によって、前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する。さらに、第３算出ステップにて、前記演算手段によって、前記第２算出ステップで算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出ステップにて算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する。
【００２０】
これにより、磁気光学スペクトル測定方法においては、相関判別ステップによって、所定波長におけるカー回転角の絶対値と、入射光偏光面の角度との相関が無いと判別することで、試料から観測されたカー回転角が極カー効果に起因することを判定した上で偏光変調法を用いた測定を行うことができる。したがって、磁気光学スペクトル測定方法によれば、試料の極カー効果に起因するカー回転角のスペクトルとして、校正された磁気光学特性のスペクトルを測定することができる。
また、磁気光学スペクトル測定方法においては、第３算出ステップにて、偏光変調法によって比較的短い時間で測定したカー回転角のスペクトルに対して、回転偏光子法によって正確に測定したカー回転角の絶対値を用いた換算値を一様に掛ける演算を行うだけで、カー回転角のスペクトルを校正するので、校正された磁気光学特性のスペクトルを短時間で測定することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の磁気光学スペクトル測定方法は、請求項４に記載の磁気光学スペクトル測定方法において、前記相関判別ステップにて、前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関があると判定された場合、第３測定ステップと、第４算出ステップと、第２相関判別ステップと、起源判定ステップと、を含んで実行することが好ましい。ここで、相関判別ステップにて相関があると判定された場合、偏光変調法による第２測定制御ステップは行われないので、このような場合にも磁気光学特性のスペクトルを算出する必要がある場合、磁気光学スペクトル分光装置において予め定めた動作モードとして、回転偏光子法による第１測定制御ステップを繰り返し行う動作モードによって磁気光学特性のスペクトルを求めることができる。また、相関判別ステップにて相関があると判定された場合に行う第３測定ステップ、第４算出ステップ、第２相関判別ステップおよび起源判定ステップは、このような動作モードの１つであって、磁気光学効果の起源を探索するモードとして設定される。
【００２２】
かかる手順によれば、磁気光学スペクトル測定方法は、第３測定ステップにて、前記制御手段によって、回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面に平行な方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値を測定する。そして、第４算出ステップにて、前記演算手段によって、前記第３測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、第２相関判別ステップにて、前記演算手段によって、前記第３測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。この第２相関判別ステップにて相関があると判別された場合、起源判定ステップにて、前記演算手段によって、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定する。これにより、磁気光学スペクトル測定方法によれば、相関判別ステップにて、カー回転角の絶対値と入射光偏光面の角度との相関があると判定されて原理的に極カー効果には起因しないと判定された場合、新たな第３測定ステップにて、原理的に縦カー効果が現れるような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定し、この測定値に基づいて相関の有無を再度調べるので、相関がある場合には、カー回転角が縦カー効果もしくは線二色性に起因することを判定できる。
【００２３】
また、請求項６に記載の磁気光学スペクトル測定方法は、請求項５に記載の磁気光学スペクトル測定方法において、前記起源判定ステップに続いて、さらに、第４測定ステップと、第５算出ステップと、第３相関判別ステップと、第２起源判定ステップと、を含んで実行することが好ましい。
【００２４】
かかる手順によれば、磁気光学スペクトル測定方法は、第４測定ステップにて、前記制御手段によって、回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面の法線方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値をそれぞれ測定する。そして、第５算出ステップにて、前記演算手段によって、前記第４測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する。そして、第３相関判別ステップにて、前記演算手段によって、前記第４測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する。この第３相関判別ステップにて相関があると判別された場合、第２起源判定ステップにて、前記演算手段によって、前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定する。これにより、磁気光学スペクトル測定方法によれば、起源判定ステップにて、第３測定ステップにて測定された測定値から算出されたカー回転角が縦カー効果もしくは線二色性に起因することが判定された場合、新たな第４測定ステップにて、原理的に縦カー効果が現れないような配置で試料の磁化の向きを制御しながら測定し、この測定値に基づいて相関の有無を再度調べるので、相関がある場合には、カー回転角が線二色性に起因することを判定できる。
【００２５】
また、請求項７に記載のプログラムは、請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気光学スペクトル測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとした。このように構成されることにより、このプログラムをインストールされたコンピュータは、このプログラムに基づいた各機能を実現することができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１、請求項４または請求項７に記載の発明によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、試料の極カー効果に起因する磁気光学効果として観測される信号であるカー回転角の絶対値を校正した磁気光学スペクトルを測定することができる。また、磁気光学スペクトル分光装置は、偏光変調法によって比較的短い時間で測定したカー回転角のスペクトルに対して、回転偏光子法によって正確に測定したカー回転角の絶対値を用いた換算値を一様に掛ける演算を行うので、磁気光学効果として観測される信号を効率よく測定できる。したがって、ＭＯ信号の起源が決定できると共に、ＭＯスペクトルの測定とＭＯ信号の校正が簡単に実現できる。
【００２７】
請求項２または請求項５に記載の発明によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、ＭＯ信号の起源として、カー回転角が極カー効果に起因するのか、または、極カー効果以外すなわち縦カー効果もしくは線二色性に起因するのか見分けることができる。したがって、試料の磁気光学信号が縦カー効果もしくは線二色性に起因する場合には偏光変調法以外の適した測定方法により、当該試料の磁気光学スペクトルを求めることができる。
【００２８】
請求項３または請求項６に記載の発明によれば、磁気光学スペクトル分光装置は、ＭＯ信号の起源として、カー回転角が極カー効果、縦カー効果および線二色性のいずれに起因するのか見分けることができる。したがって、試料の磁気光学信号が線二色性に起因する場合には偏光変調法以外の適した測定方法により、当該試料の磁気光学スペクトルを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置において面直磁場印加配置とした構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置において面内磁場印加配置とした構成を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す情報処理装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る磁気光学スペクトル分光装置の動作モードの一例を示すフローチャートである。
【図６】試料に印加する磁場の方向と試料に入射する偏光の進行方向との位置関係を模式的に示す図であって、（ａ）は試料の面直方向に磁場を印加する配置、（ｂ）は試料の面内Ａ方向（偏光の入射面に平行）に磁場を印加する配置、（ｃ）は試料の面内Ｂ方向（偏光の入射面の法線方向）に磁場を印加する配置、をそれぞれ示している。
【図７】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の回転機構付き第２直線偏光板の回転角度と、デジタルボルトメータで観測した電圧信号との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の試料に印加した磁場と、観測されたＭＯ信号から得た偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の試料に照射した偏光の波長と、観測されたＭＯ信号から得た偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の試料に照射した偏光の波長と、ＭＯ信号から計算で求めた磁気的特性による偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る測定例であって、回転偏光子法を用いた場合の回転機構付き第１直線偏光板の回転角度と、ＭＯ信号から計算で求めた磁気的特性による偏光面の回転角との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る測定例であって、偏光変調法を用いた場合に観測されたＭＯ信号から計算で求めた磁気的特性による偏光面の回転角のスペクトルを示すグラフである。
【図１３】本発明に係る測定例であって、図１２に示す回転角のスペクトルを校正した磁気光学スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
［１．磁気光学スペクトル分光装置の構成の概要］
磁気光学スペクトル分光装置１は、試料の磁気光学特性のスペクトルを測定するものであって、図１に示すように、光源２と、分光器３と、第１直線偏光板４と、光弾性変調器５と、磁場印加手段６と、第２直線偏光板７と、光検出手段８と、デジタルボルトメータ９と、ロックインアンプ１０と、情報処理装置２０とを備えている。
【００３１】
情報処理装置２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、メモリやハードディスク等の記憶装置と、外部との間で各種情報の送受信を行うインタフェース装置とを備えた一般的なパーソナルコンピュータ等から構成され、制御手段３０と、記憶手段４０と、演算手段５０とを備えている。
【００３２】
制御手段３０は、ＣＰＵやメモリから構成され、分光器３で分光される所定波長の光における波長の切り替えを含む動作を予め設定されたタイミングで制御するものである。
記憶手段４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリやハードディスク等の記憶装置から構成され、デジタルボルトメータ９およびロックインアンプ１０でそれぞれ測定された電圧値（回転偏光子法測定値４１，偏光変調法測定値４２）を記憶するものである。
演算手段５０は、ＣＰＵやメモリから構成され、記憶手段４０に記憶された電圧値に基づいて試料の磁気光学特性としてカー回転角を算出するものである。
【００３３】
ここで、光源２、分光器３、第１直線偏光板４、光弾性変調器５、磁場印加手段６、第２直線偏光板７、光検出手段８、デジタルボルトメータ９、およびロックインアンプ１０は、従来公知の偏光変調法を用いるときの測定系の配置となるように配置されている。すなわち、この配置によって、光源２から出射されて分光器３によって分光された所定波長の光は、第１直線偏光板４に入射し、この第１直線偏光板４を通過した偏光は、光弾性変調器５に入射する。この光弾性変調器５によって変調された円偏光は、磁場印加手段６によって磁場が印加された試料Ｆに照射される。試料Ｆで反射した反射光は、第２直線偏光板７に入射し、第２直線偏光板７を通過した試料の反射光は、光検出手段８によって、電気信号として検出される。光検出手段８が検出する電気信号はデジタルボルトメータ９およびロックインアンプ１０に入力して、電圧値として測定される。なお、試料Ｆを透過した透過光を、別の直線偏光板に入射し、この直線偏光板を通過した試料の透過光を光検出手段によって電気信号として検出するようにしてもよい。
【００３４】
本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１は、制御手段３０が、従来公知の偏光変調法の測定系と、従来公知の回転偏光子法の測定系とを切り替える点と、演算手段５０が、後記するように両測定法の演算機能に加えて、磁気光学効果の起源を判定する機能を備えている点が従来の測定装置とは異なっている。また、偏光変調法の測定系と、回転偏光子法の測定系とを切り替えるために、各直線偏光板４，７が、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板である点が従来の測定系とは異なっている。
【００３５】
［２．磁気光学スペクトル分光装置の測定系の各部の詳細］
光源２は、各直線偏光板４，７に利用できる範囲の波長の光を放射するものであれば特に限定されないが、例えば、キセノンランプ等のハロゲンランプを用いることができる。
分光器３は、光源２からの光を分光するものであって、特に限定されないが、例えば、回折格子式の分光器を用いることができる。分光器３は、制御手段３０からの制御信号に基づいて、分光する光の波長の値を切り替えることができるように構成されている。なお、さらに高次光遮断フィルタ等を用いてもよい。
【００３６】
第１直線偏光板４は、分光器３で分光された光を直線偏光とするものであって、試料Ｆの入射光側に配置される。また、第２直線偏光板７は、試料Ｆで反射した光を直線偏光とするものであ。各直線偏光板４，７は、例えば、一般的な直線偏光板を、自動角度調整機能付き偏光子ホルダに装着して成る。
自動角度調整機能付き偏光子ホルダは、図示は省略するが、例えば、直線偏光板の外周を保持する枠状の基板と、基板を回転させるピニオンギア等を含む回転軸と、制御手段３０からの制御信号に基づいて回転軸を駆動する回転駆動手段と、基板の回転角度を検出するロータリエンコーダとを備える。なお、各直線偏光板４，７は同じものであってもよい。
【００３７】
以下では、第１直線偏光板４における偏光面である入射光偏光面の角度をφ１と表記し、第２直線偏光板７において偏光面の角度をφ２と表記する。なお、角度φ１、φ２は、光の進行方向を軸とした軸周りの角度を示す。
回転偏光子法を用いた測定においては、角度φ１，φ２は、例えば、０〜１８０°の範囲で変化させる値を示す。
偏光変調法を用いた測定においては、角度φ１を４５°に固定、角度φ２を０°に固定する。例えば第１直線偏光板４の偏光面における角度φ１を４５°に固定すると、第１直線偏光板４を通過した光は、後段の光弾性変調器５に対して４５°傾いた直線偏光となる。また、角度φ２を０°に固定すると、第２直線偏光板７を通過した光は、後段の光検出手段８に対して傾いていない直線偏光となる。
なお、本実施形態では、図１に示すように、第１直線偏光板４を通過した光は、集光レンズ１１により集光して光弾性変調器５に照射できるように構成した。
【００３８】
光弾性変調器５は、試料Ｆに照射される光のパスの途中に配置され、入射光を予め定められた変調周波数で交互に左回り円偏光と右回り円偏光に切り替えて出力するものである。光弾性変調器５は、等方性の透明光学材料と圧電素子を備え、制御手段３０からの制御信号に基づいて、偏光変調機能をオン状態とオフ状態とに切り替えることができるように構成されている。この光弾性変調器５の変調周波数の２倍の値の信号を参照信号としてロックインアンプ１０に入力する。なお、光弾性変調器５の変調周波数は、例えば、５０ｋＨｚとすることができる。
【００３９】
磁場印加手段６は、試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、例えば、電磁石を備え、制御手段３０からの制御信号に基づいて、印加磁場のオン／オフの切り替えや印加磁場の大きさの切り替えができるように構成されている。この磁場印加手段６から試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の向きを変化させることができる。図１に示す例では、磁場印加手段６Ａが、試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設されている。また、図２に示す例では、磁場印加手段６Ｂが、試料Ｆに対して面内磁場を印加できるように配設されている。本実施形態では、磁場印加手段６は、電磁石の配置を切り替えるための図示しない駆動手段等を備えて、制御手段３０からの制御信号が示す動作モードに応じて、磁場印加手段６Ａと磁場印加手段６Ｂとを切り替え可能に構成されているものとして説明する。
【００４０】
光検出手段８は、試料Ｆで反射して第２直線偏光板７を通過した光を検出するものであり、例えば、光電子増倍管や、一般的なフォトダイオードのような半導体光検出器から構成される。光検出手段８が検出した反射光（電気信号）は、デジタルボルトメータ９およびロックインアンプ１０に入力される。
【００４１】
デジタルボルトメータ（ボルトメータ）９は、インプット（ＩＮ）が光検出手段８に接続され、アウトプット（ＯＵＴ）が情報処理装置２０のインプット（ＩＮ）に接続されている。デジタルボルトメータ９は、デジタル処理ができる一般的な電圧計である。デジタルボルトメータ９が検出する電圧値を以下ではＶと表記する。この電圧値Ｖは、回転偏光子法を用いる測定系において、各直線偏光板４，７における偏光面の角度別のそれぞれの測定値を示す。
【００４２】
ロックインアンプ１０は、インプット（ＩＮ）が光検出手段８に接続され、リファレンス（ＲＥＦ）が光弾性変調器５に接続され、アウトプット（ＯＵＴ）が情報処理装置２０のインプット（ＩＮ２）に接続されている。このロックインアンプ１０は、光検出手段８から出力される電気信号から、光弾性変調器５より入力する参照信号（変調周波数の２倍の信号）と等しい周波数成分の電圧値を検出する。ロックインアンプ１０が検出する電圧値を以下ではΔＶと表記する。偏光変調法を用いる測定系において、ΔＶ／Ｖのそれぞれの演算結果が、偏光変調法を用いた測定値を示す。
【００４３】
［３．磁気光学スペクトル分光装置の情報処理装置の各部の詳細］
図３は、図１に示す情報処理装置の構成例を示すブロック図である。
制御手段３０は、回転偏光子法を用いた所定波長でのＭＯ信号観測と、偏光変調法によるＭＯスペクトル測定とを全自動で実現するために、第１測定制御手段３１と、第２測定制御手段３２とを備えている。
第１測定制御手段３１は、光弾性変調器５の偏光変調機能をオフの状態にして各直線偏光板４，７において偏光面の角度φ１，φ２をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いてボルトメータ９により検出される電圧値を測定するための制御を行い、偏光面の角度別のそれぞれの測定値を記憶手段４０に記録するものである。
【００４４】
回転偏光子法を用いる測定系では、光弾性変調器５の偏光変調機能がオフの状態なので、参照信号がロックインアンプ１０に出力されず、ロックインアンプ１０は、実質的に機能せず、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖのみが情報処理装置２０にて利用されることとなる。また、光弾性変調器５は、偏光変調機能がオフの状態であるが、入射光を変調することなくそのまま通過させて試料Ｆに照射する。この回転偏光子法を用いた各直線偏光板４，７における偏光面の角度別のそれぞれの測定値は、記憶手段４０において、回転偏光子法測定値４１として記憶される。
【００４５】
回転偏光子法の測定方法の詳細な手順については後記するが、各直線偏光板４，７において偏光面の角度φ１，φ２を予め定めたピッチ（Δφ）で均等に変化させる。なお、ピッチΔφとその測定回数は、所望の測定精度と測定時間とを考慮して適宜設定すればよい。例えば、細かく測定するときにはピッチΔφを１，２°、粗く測定するときにはピッチΔφを１５，３０°のようにしてもよい。
【００４６】
また、回転偏光子法を用いた測定では、光の波長として１つの所定波長を用いればよいが、波長を変更して複数種類の波長を用いることが好ましい。波長の値として、例えば可視光の範囲から選択する場合、１つならば例えば５００ｎｍや７００ｎｍ、２つならばその両方を選択すればよい。波長の種類を増やすほど測定時間が長くなるので、予め何種類の波長を用いるか適宜設定しておく。
各直線偏光板４，７における偏光面の角度の測定点にもよるが、回転偏光子法において１種類の波長を用いたときに、一例として１５〜２０分ほどの測定時間が必要である。これに対して、偏光変調法では、各直線偏光板４，７を固定しているので、一例として３０分ほどで磁気光学信号のスペクトルを測定できる。したがって、測定時間の短縮を図るためには、測定に用いる波長の種類は５以下であることが好ましい。
【００４７】
第２測定制御手段３２は、光弾性変調器５の偏光変調機能をオンの状態、かつ、各直線偏光板４，７を所定角度に固定し、分光器３で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いてボルトメータ９およびロックインアンプ１０によりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行い、それぞれの測定値を記憶手段４０に記録するものである。偏光変調法を用いる測定系では、光弾性変調器５の偏光変調機能がオンの状態なので、参照信号がロックインアンプ１０に出力され、ロックインアンプ１０で測定された電圧値ΔＶと、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖとが情報処理装置２０にて利用されることとなる。また、光弾性変調器５は、偏光変調機能がオンの状態なので、入射光を変調して試料Ｆに照射する。この偏光変調法を用いて波長別にそれぞれ測定された測定値は、記憶手段４０において、偏光変調法測定値４２として記憶される。
【００４８】
ここで、各直線偏光板４，７の偏光面における角度として、角度φ１を４５°に固定、角度φ２を０°に固定する。また、偏光変調法を用いた測定では、光の波長として例えば可視光の範囲から選択する場合、青（約４５０ｎｍ）〜赤（約７５０ｎｍ）の範囲で予め定めたピッチで均等に変化させる。ピッチは、所望の測定精度と測定時間とを考慮して適宜設定すればよい。ピッチは、例えば１ｎｍとしてもよい。
【００４９】
演算手段５０は、第１算出手段５１と、相関判別手段５２と、第２算出手段５３と、第３算出手段５４と、を備えている。
第１算出手段５１は、記憶手段４０において偏光面の角度別のそれぞれの測定値として記憶された回転偏光子法測定値４１に基づいて、所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれの測定値に対応して算出する。算出方法の詳細については後記するが、この算出値は、記憶手段４０において、カー回転角絶対値４３として記憶される。
【００５０】
相関判別手段５２は、記憶手段４０に記憶されたカー回転角絶対値４３と、記憶手段４０に記憶された回転偏光子法測定値４１とに基づいて、カー回転角絶対値４３と、入射光偏光面の角度φ１との相関の有無を判別する。相関判別手段５２は、相関が無いと判別した場合、その旨を第２算出手段５３に通知する。一方、相関があると判別した場合、情報処理装置２０は、後記する予め設定された動作モードに応じた処理を実行する。
【００５１】
ここで、カー回転角絶対値４３と入射光偏光面の角度φ１との相関があるとは、例えば入射光偏光面の角度φ１が増加するにしたがってカー回転角も増加する場合を指す。また、別の観点からは、横軸が入射光偏光面の角度φ１、縦軸がカー回転角を示すように測定値を可視化した場合、相関がある場合には右肩上がりのグラフが得られ、相関が無い場合には横軸に略平行なグラフが得られることになる。
【００５２】
第２算出手段５３は、相関判別手段５２においてカー回転角絶対値４３と入射光偏光面の角度φ１との相関が無いと判定された場合、記憶手段４０に記憶されている波長別にそれぞれ測定された偏光変調法測定値４２に基づいて試料のカー回転角のスペクトルを算出するものである。算出方法の詳細については後記するが、この算出値は、記憶手段４０において、カー回転角スペクトル４４として記憶される。
【００５３】
第３算出手段５４は、記憶手段４０に記憶されたカー回転角スペクトル４４におけるカー回転角の値を、記憶手段４０に記憶されたカー回転角絶対値４３に適合させる換算値を求め、カー回転角スペクトル４４におけるカー回転角の値に対して換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する。算出方法の詳細については後記するが、この算出値は、記憶手段４０において、ＭＯスペクトル４５として記憶されると共に、図示しない液晶ディスプレイ等の出力装置に表示される。
【００５４】
［４．磁気光学スペクトル分光装置の動作の流れ］
次に、磁気光学スペクトル分光装置１の動作の流れについて図４を参照（適宜図１および図３参照）して説明する。一例として、面直磁化膜の試料を想定する。
＜ステップＳ１＞
ステップＳ１にて、磁場印加手段６Ａによって、試料Ｆの面直方向に所定の大きさの磁場を印加する。このステップＳ１は、後記する予め設定された動作モードの説明のためにステップＳ２から形式的に分離しただけで、実際にはステップＳ２の中に含まれている。なお、後記する予め設定された動作モードでは、試料に印加する磁場の方向を変化させるモードとして説明する。
【００５５】
＜ステップＳ２＞
ステップＳ２において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、回転偏光子法を用いる測定系にて、試料の反射光から検出する電圧値Ｖを測定する。すなわち、試料Ｆに所定波長の光を照射するときに、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖを、各直線偏光板４，７における偏光面の角度別に記録する。
【００５６】
このステップＳ２では、より詳細には、次のように動作する。すなわち、ステップＳ２において、第１測定制御手段３１は、まず、光弾性変調器５の偏光変調機能をオフの状態とする。また、各直線偏光板４，７を回転させて所定の角度となるように位置を調整する。そして、光源２から得られる光を分光器３に通すことで、スペクトル幅の狭い単色光を取り出す。そして、分光器３で分光された光を第１直線偏光板４に通して直線偏光とする。そして、第１直線偏光板４の透過光を試料Ｆに照射し、その反射光を第２直線偏光板７に通して、光検出手段８で観測する。そして、光検出手段８から得られる電圧信号をデジタルボルトメータ９で観測し、得られる電圧値を情報処理装置２０で記録する。
【００５７】
≪回転偏光子法の測定方法≫
後記する処理でＭＯ信号を決定するために、この回転偏光子法の測定方法は、以下の（Ｂ１）〜（Ｂ７）の手順で実現することができる。
（Ｂ１）第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を初期設定値φ１０にセットする。
また、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を初期設定値φ２０にセットする。
（Ｂ２）この状態において、第２直線偏光板７だけを回転させるときの０回目とカウントして、デジタルボルトメータ９が観測する電圧値Ｖｎの初期値Ｖ０を記録する。
（Ｂ３）第１直線偏光板４における角度φ１を現在値に維持すると共に、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を現在値から所定ピッチΔφ２だけ増加させて、角度（φ２０＋Δφ２）にセットする。
（Ｂ４）各直線偏光板４，７において角度φ１０かつ角度（φ２０＋Δφ２）にそれぞれセットされたＢ３の状態において、第２直線偏光板７だけを回転させるときの１回目とカウントして、デジタルボルトメータ９が観測する電圧値Ｖ１を記録する。
（Ｂ５）以下同様に、第２直線偏光板７だけを回転させるときのｎ回目（ｎは自然数）とカウントしたときに、第１直線偏光板４における角度φ１を現在値に維持すると共に、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２をφ２０＋ｎΔφにセットした後に、デジタルボルトメータ９が観測する電圧値Ｖｎ（φ１，φ２）を記録する。なお、測定回数とΔφは、求める測定精度と測定時間を考慮して決める。
（Ｂ６）測定を通して、電圧値Ｖｎ（φ１，φ２）と、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２との関係が得られる（ｎ＝１，２，…）。
（Ｂ７）第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を、φ１＋ｎΔφ１（ｎは自然数）に置き換えて、（Ｂ１）〜（Ｂ６）を繰り返す。
これにより、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１毎に、電圧値Ｖｎ（φ１，φ２）が記録される。これら記録された多数の電圧値を以下では単にＶ（φ１，φ２）と表記する。
【００５８】
＜ステップＳ３＞
次に、ステップＳ３において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の第１算出手段５１によって、回転角度別に得られた電圧値に基づいて、ＭＯ信号としてカー回転角の絶対値を、それぞれの電圧値に対応して算出する。
第１算出手段５１は、ステップＳ２において電気信号として測定された電圧値Ｖ（φ１，φ２）を解析して、カー回転角を求める。
一例として試料Ｆが角度φＫのカー効果を示すと仮定したときには、回転偏光子法の原理によって、理論的には検出電圧値はＶ０ｃｏｓ２（φ１−φ２＋φＫ）となる。測定値は、この理論値と等しくなるはずであるから、次の方程式が成り立つ。
Ｖ（φ１，φ２）＝Ｖ０ｃｏｓ２（φ１−φ２＋φＫ） … 式（１）
そこで、第１算出手段５１は、観測される電圧値Ｖ（φ，φ２）を式（１）を用いて数値解析する。解析から得られる電圧値Ｖの位相情報と、測定に用いた角度φ１および角度φ２の値から、カー効果を示すと仮定した角度φＫの値が直接決定できる。なお、具体例については後記する。
【００５９】
＜ステップＳ４＞
次に、ステップＳ４において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、得られたカー回転角と入射光偏光面の角度との相関があるか否かを判別する。ここで、入射光偏光面の角度とは、測定に用いた第１直線偏光板４における角度φ１であり、相関判別手段５２は、算出したカー効果を示すと仮定した角度φＫが、測定に用いた角度φ１に依存するか否かを判別する。
【００６０】
＜ステップＳ５＞
前記ステップＳ４において、カー回転角が入射光偏光面の角度φ１に依存しないと判別した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、磁気光学効果は極カー効果に起因するので、磁気光学スペクトル分光装置１は、第２測定制御手段３２によって、偏光変調法を用いる測定系にて、試料の反射光から検出する電圧値Ｖ，ΔＶを測定する（ステップＳ５）。すなわち、各直線偏光板４，７の位置を固定した上で試料Ｆに偏光を照射したときに、デジタルボルトメータ９で測定された電圧値Ｖと、ロックインアンプ１０で測定された電圧値ΔＶとを光の波長別に記録する。なお、カー回転角が入射光偏光面の角度φ１に依存しない場合、磁気光学効果は極カー効果に起因する理由は後記する。
【００６１】
このステップＳ５では、より詳細には、次のように動作する。すなわち、ステップＳ５において、第２測定制御手段３２は、まず、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を４５°、第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を０°とし、光弾性変調器５の偏光変調機能をオンの状態とする。そして、光源２から得られる光を分光器３に通すことで、スペクトル幅の狭い単色光を取り出す。そして、分光器３で分光された光を第１直線偏光板４に通して、光弾性変調器５に対して４５°傾いた直線偏光とする。そして、第１直線偏光板４の透過光を光弾性変調器５に通すことで、右回り偏光と左回り偏光で高速変調する。このときの変調周波数をｆ１とする。光弾性変調器５の変調周期とロックインアンプ１０とを同期させるため、ロックインアンプ１０の参照信号として、変調周波数ｆ１の２倍の周波数の信号を入力する。なお、ここではカー効果を求めるために、参照信号を変調周波数ｆ１の２倍の周波数の信号としたが、円二色性を求める場合には、参照信号を変調周波数ｆ１と同じ周波数の信号とすればよい。そして、光弾性変調器５を通過した偏光を試料Ｆに照射し、その反射光を第２直線偏光板７に通して、光検出手段８で観測する。そして、光検出手段８から得られる電圧信号をデジタルボルトメータ９およびロックインアンプでそれぞれ観測し、得られる電圧値（Ｖ、ΔＶ）を情報処理装置２０で記録する。
【００６２】
≪偏光変調法の測定方法≫
ＭＯスペクトルを測定するために、偏光変調法の測定方法は、例えば以下の（Ｃ１）〜（Ｃ７）の手順で実現することができる。なお、この偏光変調法の測定方法は、非特許文献１に詳しく示されている。
（Ｃ１）分光器３の設定波長と、光弾性変調器５の設定波長とを、初期波長λ０にセットする。
（Ｃ２）光弾性変調器５において、設定波長をセットされた波長（初期波長λ０）、変調モードを１／４波長、変調周波数をｆ１とすると共に、ロックインアンプ１０において、参照周波数を２ｆ１とする。なお、以下では、光弾性変調器５において設定波長をセットされた波長に順次切り替えるが、変調モードおよび変調周波数は固定し、ロックインアンプ１０の参照周波数も固定しておく。
（Ｃ３）Ｃ２の状態において、設定波長を変化させるときの０回目とカウントして、初期波長λ０の光が試料Ｆに照射されたときに、ロックインアンプ１０を用いて電圧値ΔＶ０を測定すると共に、デジタルボルトメータ９を用いて電圧値Ｖ０を測定する。
（Ｃ４）分光器３と光弾性変調器５の設定波長をλ１＝（λ０＋Δλ）にセットする。
（Ｃ５）Ｃ４の状態で、設定波長を変化させるときの１回目とカウントして、ロックインアンプ１０とデジタルボルトメータ９を用いて各電圧値ΔＶ１，Ｖ１を測定する。
（Ｃ６）以下同様に、設定波長を変化させるときのｎ回目（ｎは自然数）とカウントしたときに、分光器３と光弾性変調器５の設定波長をλｎ＝（λ０＋ｎΔλ）にセットした後に、ロックインアンプ１０とデジタルボルトメータ９を用いて、各電圧値ΔＶｎ，Ｖｎを測定する。
（Ｃ７）測定を通して、電圧値（ΔＶｎ、Ｖｎ）と波長の関係が得られる。
【００６３】
＜ステップＳ６＞
次に、ステップＳ６において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の第２算出手段５３によって、波長別に得られた電圧値からカー回転角のスペクトルを算出する。第２算出手段５３は、ステップＳ５において電気信号としてそれぞれ得られたデータ（ΔＶｎ、Ｖｎ）を解析して、カー回転角スペクトル４４を求める。ここで、カー回転角は、ΔＶ／Ｖに比例する。なお、比例定数は未定で、回転角の絶対値はここでは定まらない。
【００６４】
＜ステップＳ７＞
そこで、ステップＳ７において、演算手段５０の第３算出手段５４は、回転角の絶対値を定めるために、第１算出手段５１によって算出されたカー回転角絶対値４３を、第２算出手段５３で算出されたカー回転角スペクトル４４に適合させる換算値を求める。第３算出手段５４は、少なくとも１つの波長について得られているカー回転角絶対値４３を、カー回転角スペクトル４４において同じ波長の回転角で規格化することで換算値を求める。カー回転角絶対値４３において複数の波長を用いて複数の換算値を求めたときには、例えばその平均を最終的な換算値とする。そして、第３算出手段５４は、算出スペクトル（カー回転角スペクトル４４）に換算値を掛けて、校正されたＭＯスペクトルを算出する（以上、ステップＳ７）。
【００６５】
＜ステップＳ８＞
前記ステップＳ４において、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、カー回転角が入射光偏光面の角度に依存すると判別した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、予め定めた動作モードに応じた処理を行う（ステップＳ８）。
【００６６】
ここで、予め定めた動作モードは、例えば、情報処理装置２０の第１測定制御手段３１および第１算出手段５１によって、回転偏光子法の測定を繰り返し行うことでＭＯスペクトルを算出するモードである回転偏光子法測定モードを挙げることができる。
また、磁気光学効果は、極カー効果、縦カー効果、線二色性の線形和なので、例えば、観測された磁気光学効果は極カー効果以外（縦カー効果もしくは線二色性）に起因するのかどうかを判定するモードや、磁気光学効果の起源は線二色性に起因するのかどうかを判定するモード等を設けてもよい。
本実施形態では、動作モードの一例として、極カー効果以外の磁気光学効果を識別する起源探索モード（磁気光学効果の起源探索モード）が予め定められているものとする。この起源探索モードは、例えば、情報処理装置２０の第１測定制御手段３１、第１算出手段５１および相関判別手段５２によって行うことができる。
【００６７】
［５．起源探索モード］
＜起源探索モードの判定原理＞
ここで、起源探索モードの一例を図５のフローチャートで示す。また、このフローチャートの各処理を説明する前に、その判定原理について図６を参照して説明する。
図６（ａ）は、試料に印加する磁場の方向と試料に入射する偏光の進行方向との位置関係を模式的に示す図であって、（ａ）は試料の面直方向に磁場を印加する配置を示している。図６（ａ）のように配置すれば、極カー効果が現れることを検出することが可能である。この図６（ａ）において、試料Ｆは膜状であってＸＹ平面上に置かれて、斜めから入射する偏光Ｌが試料Ｆの表面の点Ｏで反射する場合を例示した。このとき、磁場印加手段６によって、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）は、図示するように、磁化Ｍの向きが、ＸＹ平面の法線方向（Ｚ軸方向）に向くように制御された状態で測定が行われる。すなわち、図１に示す磁場印加手段６Ａが試料Ｆに対して面直磁場を印加する。
【００６８】
また、図６（ａ）に示す破線の面は、第１直線偏光板４における偏光面を表している。この例では、第１直線偏光板４における偏光面は、Ｘ軸と交差している。この破線で示す状態から、第１直線偏光板４における偏光面の角度を例えば９０°変化させると、第１直線偏光板４における偏光面がＹ軸と交差することとなる。このように、第１直線偏光板４における偏光面の角度を変化させることは、試料Ｆの磁化Ｍの向きを軸として第１直線偏光板４における偏光面を回転させることであり、偏光面のどの角度も磁化Ｍの向きに影響を与えない。つまり、カー効果を示すと仮定した角度φＫが、測定に用いた第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存しなければ、このときの磁気光学効果とは、極カー効果に起因するものであると考えられる。
【００６９】
図６（ｂ）および図６（ｂ）は試料の面内方向に磁場を印加する配置をそれぞれ示している。図６（ｂ）と図６（ｃ）に示す配置では、図２に示す磁場印加手段６Ｂが試料Ｆに対して面内磁場を印加する。また、図６（ｂ）のように配置すると、縦カー効果もしくは線二色性が現れることを検出することが可能である。一方、図６（ｃ）のように配置すると、縦カー効果が現れることを検出することはできない。
【００７０】
また、図６（ｂ）と図６（ａ）との違いは、磁場印加手段６Ｂによって、試料Ｆの磁化Ｍの向きが、ＸＹ平面の面内方向、かつＸ軸方向になるように制御された状態で測定が行われる点である。ここで、ＸＹ平面の面内方向、かつＸ軸方向とは、ＸＹ平面の面内方向であって光の入射面に平行な方向を示す。以下では、この方向を面内Ａ方向と呼ぶ。
【００７１】
また、図６（ｃ）と図６（ａ）との違いは、磁場印加手段６Ｂによって、試料Ｆの磁化Ｍの向きが、ＸＹ平面の面内方向、かつＹ軸方向（以下、面内Ｂ方向と呼ぶ）になるように制御された状態で測定が行われる点である。ここで、ＸＹ平面の面内方向、かつＹ軸方向とは、ＸＹ平面の面内方向であって光の入射面の法線方向を示す。以下では、この面内Ａ方向に直交する方向を面内Ｂ方向と呼ぶ。
【００７２】
図６（ｂ）において、破線で示す偏光面は、Ｘ軸と交差し、試料Ｆの磁化Ｍの向きと揃っているので、このとき観測される信号は、縦カー効果もしくは線二色性に起因するものである。破線で示す偏光面を回転させると、回転角に応じて、観測される信号が変化する。つまり、カー効果を示すと仮定した角度φＫが第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存するので、このときの磁気光学効果とは、縦カー効果もしくは線二色性に起因するものであると考えられる。
【００７３】
ところで、図６（ｂ）に示す状態から、第１直線偏光板４における偏光面の角度を９０°変化させると、実質的に図６（ｃ）に示す状態と等価になる。したがって、図６（ｂ）に示す状態から偏光面の角度を９０°変化させた状態で観測される信号は、縦カー効果に起因するものではない。つまり、観測信号において、カー効果を示すと仮定した角度φＫが、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存するときに、さらに図６（ｃ）に示す状態で測定を行った場合にも依然として角度φＫが偏光面の角度φ１に依存するときには、このときの磁気光学効果とは、線二色性に起因するものであると考えられる。
【００７４】
＜起源探索モードの動作の流れ＞
図５のフローチャートは、前記した判定原理にしたがって構築されている。磁気光学効果の起源探索モードの動作の流れについて図５を参照（適宜図１、図３、図４および図６参照）して説明する。この起源探索モードでは、まず、ステップＳ１１において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、磁場の印加方向を面内Ａ方向に設定する。
【００７５】
そして、ステップＳ１２において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、デジタルボルトメータ９で電圧値Ｖを測定し、第１算出手段５１によってカー回転角を算出する。ここでは、第１測定制御手段３１は、予め定めた磁場の大きさの範囲内で磁場の大きさを変えて測定を実行する。磁場の大きさの範囲は、縦カー効果が現れる程度の大きさとして定められる。
【００７６】
そして、ステップＳ１３において、前記ステップＳ４と同様にして、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、得られたカー回転角と入射光偏光面の角度との相関があるか否かを判別する。相関がある場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、相関判別手段５２は磁気光学効果が縦カー効果もしくは線二色性に起因すると判定し、簡易的な探索処理を終了する（ステップＳ１４）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果が縦カー効果もしくは線二色性に起因する旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力する。一方、ステップＳ１３において相関がない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、相関判別手段５２はエラー処理を実行する（ステップＳ１９）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果の起源が不明である旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。
【００７７】
そして、簡易的な探索処理のステップＳ１４に続くオプションとして、磁気光学効果の起源をより詳細に探索したい場合には、ステップＳ１５において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、磁場の印加方向を面内Ｂ方向に設定する。そして、ステップＳ１６において、磁気光学スペクトル分光装置１は、第１測定制御手段３１によって、デジタルボルトメータ９で電圧値Ｖを測定し、第１算出手段５１によってカー回転角を算出する。
【００７８】
そして、ステップＳ１７において、前記ステップＳ１３と同様にして、磁気光学スペクトル分光装置１は、演算手段５０の相関判別手段５２によって、得られたカー回転角と入射光偏光面の角度との相関があるか否かを判別する。相関がある場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、相関判別手段５２は、磁気光学効果が線二色性に起因すると判定する（ステップＳ１８）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果が線二色性に起因する旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。
【００７９】
一方、ステップＳ１７において相関がない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、相関判別手段５２はエラー処理を実行する（ステップＳ１９）。このとき、相関判別手段５２は、磁気光学効果の起源が不明である旨を示すメッセージを図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。これは、詳細な探索においては、ステップＳ１７においてＮｏの場合、磁気光学効果の原因が、極カー効果、縦カー効果、線二色性のうちの単独の原因ではないかもしれない可能性を否定できないからである。また、ステップＳ１７にてＮｏの場合に、相関判別手段５２は、エラー処理をせずに、ステップＳ１４の判定結果を再び図示しない出力手段に出力するようにしてもよい。これは、簡易的な探索においては、ステップＳ１７においてＮｏの場合、縦カー効果もしくは線二色性に起因するとのステップＳ１４の判定結果に矛盾しないからである。なお、簡易的な探索で終了するか、詳細な探索まで行うかは、要求される測定時間や測定精度に応じて適宜設計変更可能である。
【００８０】
［６．ＭＯ信号の観測例］
図１に示す磁気光学スペクトル分光装置１を用いて、具体的にＧｄＦｅ薄膜を試料としてＭＯ信号を観測した結果について説明する。試料であるＧｄＦｅ薄膜は面直磁化膜であり、その面直方向に外部磁場Ｈextを印加すると磁化反転する。本実施形態の磁気光学スペクトル測定方法を用いて観測するＭＯ信号をθＫと表記する。ここで、Ｋはカー回転角を示す添字である。このθＫは、磁気光学効果による回転角度を表し、理論的には、前記した式（１）においてカー効果を示すと仮定した角度φＫに対応する。
【００８１】
＜ＭＯ信号の測定原理＞
ＭＯ信号θＫは、試料の磁気的特性に起因する信号成分（これをΔθＫ（Ｍ）と表記する）と、試料の非磁性的な信号成分（これをΔθＮＭと表記する）との重ね合わせである。ここで、Ｍは試料の磁気的特性、ＮＭは非磁気的特性を示す。つまり、試料の磁気的特性を考慮した場合、例えば磁化反転したときに印加されていた外部磁場の向きをＭとしたときにＭＯ信号θＫ（Ｍ）は、式（２）で表すことができる。
【００８２】
θＫ（Ｍ）＝ΔθＫ（Ｍ）＋ΔθＮＭ … 式（２）
【００８３】
測定で得たい情報は、試料の磁気的特性に起因する信号成分ΔθＫ（Ｍ）であり、以下の関係等を用いて決定することができる。ここで、試料が磁化反転する前に印加されていた外部磁場の向きを−Ｍと表記すると、試料が磁化反転する前の状態では、試料が磁化反転した後の状態とは反対向きに磁化が回転するので、式（２）の右辺第１項ΔθＫ（Ｍ）には式（３）の関係がある。
【００８４】
ΔθＫ（Ｍ）＝−ΔθＫ（−Ｍ） … 式（３）
【００８５】
試料に印加する外部磁場の向きを磁化反転前の状態（−Ｍ）としたときには、式（２）と同様にして、式（４）の関係が得られる。また、式（３）の関係を用いると、式（４）は式（５）に書き換えられる。さらに式（２）から式（５）の辺々を差し引くと式（６）が得られる。これを整理すると、測定で得たい情報である、ＭＯ信号θＫ中の磁気的特性に起因する信号成分ΔθＫ（Ｍ）は、式（７ａ）で表される。
【００８６】
θＫ（−Ｍ）＝ΔθＫ（−Ｍ）＋ΔθＮＭ … 式（４）
θＫ（−Ｍ）＝−ΔθＫ（Ｍ）＋ΔθＮＭ … 式（５）
θＫ（Ｍ）−θＫ（−Ｍ）＝２ΔθＫ（Ｍ） … 式（６）
ΔθＫ（Ｍ）＝（θＫ（Ｍ）−θＫ（−Ｍ））／２ … 式（７ａ）
【００８７】
そこで、試料が磁化反転したときに印加している外部磁場の向きをＭとしたときに式（３）の左辺θＫ（Ｍ）をＭＯ信号として観測し、試料が磁化反転する前に印加していた外部磁場の向きを−Ｍとしたときに式（３）の右辺θＫ（−Ｍ）をＭＯ信号として観測した。なお、以下では、観測信号であるＭＯ信号についてはＫを省略して単にθ（Ｍ）あるいはθ（−Ｍ）と表記し、求めたい情報についてはＭを省略して単にΔθＫと表記する。つまり、式（７ａ）を式（７ｂ）のように書き換える。
【００８８】
ΔθＫ＝（θ（Ｍ）−θ（−Ｍ））／２ … 式（７ｂ）
【００８９】
＜回転偏光子法を用いたＭＯ信号の観測＞
≪電圧信号のφ２依存性≫
ＧｄＦｅ薄膜を試料として回転偏光子法を用いたＭＯ信号の観測例を図７に示す。図７のグラフにおいて、横軸は第２直線偏光板７における偏光面の角度φ２を示し、縦軸はデジタルボルトメータ９で観測した電圧信号（電圧値Ｖ）を任意単位（arbitrary units：ａ．ｕ．）で示したものである。
【００９０】
このグラフにおいて無数の丸印は、電圧値Ｖ（φ１，φ２）の実験結果であって、角度φ２別のＭＯ信号θ（Ｍ）あるいはθ（−Ｍ）を示している。また、コサイン関数状の実線は、解析結果であって、第１算出手段５１が実験結果を前記式（１）に基づいてフィッティングにより得た結果である。図７に示すように、観測されたＶ（φ１、φ２）は、前記式（１）を用いて非常によく再現され、カー効果を示すと仮定した角度φＫの値が直接決定できた。ここでは、前記式（２）以降のＭＯ信号の測定原理に則って角度φＫのことを回転角θＫと表記する。ここでは、あえてＭの表記を省略する。回転角θＫは、算出されたカー回転角絶対値に対応する。
【００９１】
≪θＫの外部磁場依存性≫
ＧｄＦｅ薄膜を試料として回転偏光子法を用いたＭＯ信号から算出された回転角の一例を図８に示す。図８のグラフにおいて、横軸は磁場印加手段６Ａで試料に印加した外部磁場を示す。なお、磁場の単位については、１［Ｏｅ］＝７９．５７７［Ａ／ｍ］で換算可能である。また、図８のグラフの縦軸は第１算出手段５１で算出した回転角θＫを°（degree：deg.）で示す。なお、縦軸に示す回転角は、正しく校正された値である。
【００９２】
この実験では、分光器３で分光した光の波長を５００〜７００ｎｍの範囲で５０ｎｍのピッチで変化させて回転偏光子法を適用した。図８のグラフにおいては、このうち、光の波長を５００ｎｍとして観測した回転角θＫの磁場依存性を丸印で示すと共に、光の波長を７００ｎｍとして観測した回転角θＫの磁場依存性を四角印で示す。また、磁場印加手段６Ａは、試料に対して、負の磁場から正の磁場へと増加させて印加した。図８のグラフに示すように、０ｋＯｅから０．５ｋＯｅへ向けて、磁化反転に伴って、回転角θＫの顕著な変化が見られた。
【００９３】
そこで、次に、前記式（７ｂ）の表式に則って回転角θＫにおいてあえて省略していたＭの表記を付加して、図８のグラフにおいて、試料が磁化反転する前の状態に対応する、−２．０ｋＯｅから０．０ｋＯｅまでの信号をθＫ（−Ｍ）と表記すると共に、試料が磁化反転した後の状態に対応する、０．５ｋＯｅから２．０ｋＯｅまでの信号をθＫ（Ｍ）と表記することとした。
【００９４】
≪θＫ（Ｍ）とθＫ（−Ｍ）の波長依存性≫
そして、図８のグラフにおいて光の波長を５００ｎｍ，７００ｎｍとして、観測した回転角θＫの磁場依存性のそれぞれを線形関数でフィッティングした後、その切片をそれぞれθＫ（−Ｍ）、θＫ（Ｍ）とした結果を図９に示す。図９のグラフにおいて、横軸は分光器３で分光した光の波長を示し、縦軸は図８のグラフと同様な回転角θＫ（−Ｍ）、θＫ（Ｍ）を示す。図９のグラフにおいて、回転角θＫ（−Ｍ）を四角印で示し、回転角θＫ（Ｍ）を丸印で示す。これらの結果は、前記式（７ｂ）の右辺に示すＭＯ信号θ（−Ｍ），θ（Ｍ）に対応する。また、これらの結果は、各直線偏光板４，７の角度を適宜変えて求めた結果である。そして、図９のグラフに示す実験結果を、式（７ｂ）に代入して決定した結果であるΔθＫを図１０に示す。
【００９５】
≪ΔθＫの波長依存性≫
図１０のグラフにおいて、横軸は図９と同様に光の波長を示し、縦軸は、求めたい情報であって、ＭＯ信号のうち試料の磁気的特性に起因する回転角ΔθＫを示す。図１０のグラフにおいて、回転角ΔθＫをドットで示し、ドットの上下の線は誤差の標準偏差の範囲を示す。このように、回転偏光子法を用いることで、ΔθＫの波長依存性が決定された。回転偏光子法の測定は時間がかかるが、ＭＯ信号の絶対値すなわちΔθＫの絶対値を正確に決定できるメリットがある。グラフの波長別のドットで表された回転角ΔθＫの値が、第１算出手段５１の演算結果であるカー回転角絶対値４３に対応する。
【００９６】
≪ΔθＫのφ１依存性≫
図１０のグラフにおいて、波長を５００ｎｍとして観測した回転角ΔθＫの測定結果と、そのときの第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１との関係を図１１に示す。図１１において、横軸は第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１を示し、縦軸は回転角ΔθＫを示す。図１１のグラフにおいて、回転角ΔθＫをドットで示し、ドットの上下の線は誤差の標準偏差の範囲を示す。図１１に見られるように、回転角ΔθＫは、第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１に依存しない。このことは、この試料で観測されるＭＯ信号が極カー効果に支配されていることを示唆し、また、試料が面直磁化膜であることと矛盾しない。したがって、本実施形態の測定方法では、演算手段５０の相関判別手段５２が、観測されたＭＯ信号が極カー効果に起因するものであると判定してから、偏光変調法を用いた測定を行う。
【００９７】
なお、図１１のグラフのようにＭＯ信号が極カー効果に支配されている場合には、角度φ１毎の回転角ΔθＫを繋げると、ほぼ横軸に平行な直線が得られる。一方、ＭＯ信号が縦カー効果や線二色性に支配されている場合に、同様なグラフを作成すると、回転角がφ1に依存するグラフとなる。したがって、ＭＯ信号が極カー効果に支配されているか否かは、観測されたカー回転角と第１直線偏光板４における偏光面の角度φ１との関係をグラフ化すると一目瞭然となる。
【００９８】
＜偏光変調法を用いたＭＯスペクトルの観測＞
≪ΔθＫの波長依存性≫
次に、回転偏光子法で観測したＧｄＦｅ薄膜を用いて、同条件で偏光変調法を用いることで、ＭＯスペクトルを観測した。ここでは、試料の磁化の向きを揃えるため、磁場印加手段６Ａで試料に１ｋＯｅの外部磁場を印加して測定を行った。測定結果を、図１２に示す。図１２のグラフは、図１０のグラフと同様なグラフであって、横軸は光の波長を示し、縦軸は回転角ΔθＫを示す。ただし、図１２のグラフにおいて、回転角ΔθＫの値は校正されたものではないので任意単位（ａ．ｕ．）で示す。偏光変調法では、ＭＯスペクトルが効率的に測定できるので多くの波長での信号が取得できるが、ＭＯ信号の絶対値を決定することが難しい。
【００９９】
本実施形態の測定方法では、ＭＯ信号の絶対値を規格化するために、演算手段５０の第３算出手段５４が、図１０のグラフに対応して記憶手段４０に記憶されたカー回転角絶対値４３を、図１２のグラフに対応して記憶手段４０に記憶されたカー回転角スペクトル４４に適合させる換算値を求める。カー回転角スペクトル４４を校正した結果をＭＯスペクトルとして図１３に示す。
【０１００】
図１３のグラフにおいて、実線は偏光変調法で観測したΔθＫの波長依存性を示し、四角印は回転偏光子法で観測したΔθＫの波長依存性を示す。本実施形態の測定方法によれば、回転偏光子法で決定したＭＯ信号を用いて、ＭＯ信号の絶対値を規格化し、絶対値が校正されたＭＯスペクトルが取得できた。また、ＭＯ信号が極カー効果に支配されていることが、直接決定できた。
【０１０１】
本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１によれば、回転偏光子法を用いる測定系と、偏光変調法を用いる測定系とを切り替え可能に構成され、回転偏光子法を用いた少なくとも１つの所定波長でのＭＯ信号観測と、偏光変調法によるＭＯスペクトル測定とを全自動で実現することができるので、磁気光学効果として観測される信号の測定時間を低減することができる。
【０１０２】
また、本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１および測定方法によれば、偏光変調法により得たＭＯスペクトルを、回転偏光子法で決定したＭＯ信号で校正することで、ＭＯスペクトルを精度よく簡単に取得することができる。
【０１０３】
また、本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１および測定方法によれば、回転偏光子法で決定したＭＯ信号が極カー効果に起因することを確かめてから、偏光変調法により得たＭＯスペクトルを解析するので、従来とは異なって、２つの測定法を用いて校正されたＭＯスペクトルは、縦カー効果および線二色性ではなく極カー効果によるカー回転角を表すことが確認できる。また、たとえ、回転偏光子法で決定したＭＯ信号が極カー効果に起因することを確かめられなくても、縦カー効果または線二色性によるものか起源を探索することもできる。
【０１０４】
また、本実施形態の磁気光学スペクトル分光装置１および測定方法によれば、ＭＯディスクのような情報ストレージ、安定的な光通信に必要不可欠なファラデー素子、さらには、ホログラムを用いた３次元ディスプレイなど、磁気光学効果が使用されているさまざまな応用技術において磁性材料のＭＯ効果を正しく効率的に詳しく調べることで、それらの研究開発の促進が期待できる。
【０１０５】
以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態では、試料Ｆで反射した反射光を第２直線偏光板７に通して光検出手段８で観測するものとしたが、試料Ｆを透過した透過光を第２直線偏光板７に通して光検出手段８で観測するものとしても同様の効果を奏することができる。
【０１０６】
また、本実施形態では、面直磁化膜の試料を想定し、ステップＳ１にて、磁場印加手段６Ａによって、試料Ｆの面直方向に所定の大きさの磁場を印加することとしたが、面内磁化膜の試料を用いてもよいし、ステップＳ１にて印加する磁場の向きは、面内磁場でも同様に測定できる。
【０１０７】
また、本実施形態の測定方法では、回転偏光子法による測定、カー回転角の算出、およびカー回転角と入射光偏光面の角度との相関の判定を終えてから偏光変調法を用いる測定を行うこととしたが、回転偏光子法による測定と、偏光変調法を用いる測定とを終えてから、演算処理および判定処理を行うようにしてもよい。
【０１０８】
また、例えば、磁気光学スペクトル分光装置の制御装置は、一般的なコンピュータを、前記した制御手段３０および演算手段５０として機能させるプログラムにより動作させることで実現することができる。このプログラムは、通信回線を介して配布することも可能であるし、ＤＶＤやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に書き込んで配布することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、ＭＯディスクのような情報ストレージ、安定的な光通信に必要不可欠なファラデー素子、さらには、ホログラムを用いた３次元ディスプレイなど、磁気光学効果が使用されているさまざまな応用技術に利用できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 磁気光学スペクトル分光装置
２ 光源
３ 分光器
４ 第１直線偏光板
５ 光弾性変調器
６ 磁場印加手段
７ 第２直線偏光板
８ 光検出手段
９ デジタルボルトメータ
１０ ロックインアンプ
２０ 情報処理装置
３０ 制御手段
３１ 第１測定制御手段
３２ 第２測定制御手段
４０ 記憶手段
４１ 回転偏光子法測定値（回転偏光子法を用いた測定値）
４２ 偏光変調法測定値（偏光変調法を用いた測定値）
４３ カー回転角絶対値（カー回転角の絶対値）
４４ カー回転角スペクトル（カー回転角のスペクトル）
４５ ＭＯスペクトル（スペクトルの絶対値）
５０ 演算手段
５１ 第１算出手段
５２ 相関判別手段
５３ 第２算出手段
５４ 第３算出手段
Ｆ 試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、前記分光器で分光される所定波長の光における波長の切り替えを含む動作を予め設定されたタイミングで制御する制御手段と、前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプでそれぞれ測定された電圧値を記憶する記憶手段と、前記記憶された電圧値に基づいて前記試料の磁気光学特性としてカー回転角を算出する演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置において、
前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、
前記制御手段は、
前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第１測定制御手段と、
前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第２測定制御手段と、を備え、
前記演算手段は、
前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第１算出手段と、
前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する相関判別手段と、
前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する第２算出手段と、
前記第２算出手段で算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出手段によって算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する第３算出手段と、
を備えることを特徴とする磁気光学スペクトル分光装置。
【請求項２】
前記磁場印加手段は、
前記試料の面直方向に磁場を印加する面直磁場印加手段と、
前記試料の面内方向に磁場を印加する面内磁場印加手段とを備え、
前記演算手段の前記相関判別手段は、
前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定することを特徴とする請求項１に記載の磁気光学スペクトル分光装置。
【請求項３】
前記演算手段の前記相関判別手段は、
前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面の法線方向に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記縦カー効果の寄与が含まれているとの判定を覆し前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定することを特徴とする請求項２に記載の磁気光学スペクトル分光装置。
【請求項４】
試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、制御手段と、記憶手段と、演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置における磁気光学スペクトル測定方法であって、
前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、
前記制御手段によって、
前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして、前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第１測定制御ステップと、
前記演算手段によって、
前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第１算出ステップと、
前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する相関判別ステップと、
前記制御手段によって、
前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第２測定制御ステップと、
前記演算手段によって、
前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する第２算出ステップと、
前記第２算出ステップで算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出ステップにて算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する第３算出ステップと、
を含んで実行することを特徴とする磁気光学スペクトル測定方法。
【請求項５】
前記相関判別ステップにて、前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関があると判定された場合、前記制御手段によって、
回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面に平行な方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値を測定する第３測定ステップを実行すると共に、
前記演算手段によって、
前記第３測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第４算出ステップと、
前記第３測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する第２相関判別ステップと、
この第２相関判別ステップにて相関があると判別された場合、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定する起源判定ステップと、
を含んで実行することを特徴とする請求項４に記載の磁気光学スペクトル測定方法。
【請求項６】
前記起源判定ステップに続いて、さらに、前記制御手段によって、
回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面の法線方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値をそれぞれ測定する第４測定ステップを実行すると共に、
前記演算手段によって、
前記第４測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第５算出ステップと、
前記第４測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する第３相関判別ステップと、
この第３相関判別ステップにて相関があると判別された場合、前記縦カー効果の寄与が含まれているとの判定を覆し前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定する第２起源判定ステップと、
を含んで実行することを特徴とする請求項５に記載の磁気光学スペクトル測定方法。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気光学スペクトル測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１】
試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、前記分光器で分光される所定波長の光における波長の切り替えを含む動作を予め設定されたタイミングで制御する制御手段と、前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプでそれぞれ測定された電圧値を記憶する記憶手段と、前記記憶された電圧値に基づいて前記試料の磁気光学特性としてカー回転角を算出する演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置において、
前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、
前記制御手段は、
前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第１測定制御手段と、
前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第２測定制御手段と、を備え、
前記演算手段は、
前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第１算出手段と、
前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する相関判別手段と、
前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する第２算出手段と、
前記第２算出手段で算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出手段によって算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する第３算出手段と、
を備えることを特徴とする磁気光学スペクトル分光装置。
【請求項２】
前記磁場印加手段は、
前記試料の面直方向に磁場を印加する面直磁場印加手段と、
前記試料の面内方向に磁場を印加する面内磁場印加手段とを備え、
前記演算手段の前記相関判別手段は、
前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定することを特徴とする請求項１に記載の磁気光学スペクトル分光装置。
【請求項３】
前記演算手段の前記相関判別手段は、
前記試料の面内方向であって光の入射面に平行に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関がある場合には、前記試料の面内方向であって光の入射面の法線方向に磁場が印加されたときの測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無をさらに判別し、これらの間に相関がある場合、前記縦カー効果の寄与が含まれているとの判定を覆し前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定することを特徴とする請求項２に記載の磁気光学スペクトル分光装置。
【請求項４】
試料の磁気光学特性のスペクトルを測定する偏光変調法を用いる測定系として配置された光源と、分光器と、第１直線偏光板と、光弾性変調器と、磁場印加手段と、第２直線偏光板と、光検出手段と、ボルトメータと、ロックインアンプと、制御手段と、記憶手段と、演算手段とを備えた磁気光学スペクトル分光装置における磁気光学スペクトル測定方法であって、
前記各直線偏光板は、回転により偏光面の角度が所定値になるように調整可能な回転機構付き直線偏光板であり、
前記制御手段によって、
前記光弾性変調器の偏光変調機能をオフの状態にして、前記各直線偏光板において偏光面の角度をそれぞれ変化させる回転偏光子法を用いて前記ボルトメータにより検出される電圧値を測定するための制御を行い前記偏光面の角度別のそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第１測定制御ステップと、
前記演算手段によって、
前記記憶手段に記憶された前記回転偏光子法を用いた前記各直線偏光板における偏光面の角度別のそれぞれの測定値に基づいて前記所定波長におけるカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第１算出ステップと、
前記所定波長におけるカー回転角の絶対値と、前記第１直線偏光板における偏光面である入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する相関判別ステップと、
前記制御手段によって、
前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関が無いと判定された場合、前記光弾性変調器の偏光変調機能をオンの状態、かつ、前記各直線偏光板を所定角度に固定し、前記分光器で分光される光の波長を変化させる偏光変調法を用いて前記ボルトメータおよび前記ロックインアンプによりそれぞれ検出される電圧値を測定するための制御を行いそれぞれの測定値を前記記憶手段に記録する第２測定制御ステップと、
前記演算手段によって、
前記記憶手段に記憶された前記偏光変調法を用いた測定値に基づいて前記試料のカー回転角のスペクトルを算出する第２算出ステップと、
前記第２算出ステップで算出されたスペクトルにおけるカー回転角の値を、前記第１算出ステップにて算出されたカー回転角の絶対値に適合させる換算値を求め、前記スペクトルにおけるカー回転角の値に対して前記換算値をそれぞれ乗算することで、校正されたカー回転角のスペクトルを当該試料の磁気光学特性のスペクトルとして算出する第３算出ステップと、
を含んで実行することを特徴とする磁気光学スペクトル測定方法。
【請求項５】
前記相関判別ステップにて、前記試料の面直方向に磁場が印加されたときの前記カー回転角の絶対値と前記入射光偏光面の角度との相関があると判定された場合、前記制御手段によって、
回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面に平行な方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値を測定する第３測定ステップを実行すると共に、
前記演算手段によって、
前記第３測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第４算出ステップと、
前記第３測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する第２相関判別ステップと、
この第２相関判別ステップにて相関があると判別された場合、前記試料の磁気光学効果には縦カー効果もしくは線二色性の寄与が含まれていると判定する起源判定ステップと、
を含んで実行することを特徴とする請求項４に記載の磁気光学スペクトル測定方法。
【請求項６】
前記起源判定ステップに続いて、さらに、前記制御手段によって、
回転偏光子法を用いた測定において、前記試料に印加する磁場の方向を当該試料の面内であって光の入射面の法線方向に設定して前記ボルトメータにより電圧値をそれぞれ測定する第４測定ステップを実行すると共に、
前記演算手段によって、
前記第４測定ステップにて測定された測定値からカー回転角の絶対値をそれぞれ算出する第５算出ステップと、
前記第４測定ステップにて測定された測定値を用いて算出されたカー回転角の絶対値と、前記入射光偏光面の角度との相関の有無を判別する第３相関判別ステップと、
この第３相関判別ステップにて相関があると判別された場合、前記縦カー効果の寄与が含まれているとの判定を覆し前記試料の磁気光学効果には線二色性の寄与が含まれていると判定する第２起源判定ステップと、
を含んで実行することを特徴とする請求項５に記載の磁気光学スペクトル測定方法。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁気光学スペクトル測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１２２８３５（Ｐ２０１２−１２２８３５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３５５２（Ｐ２０１０−２７３５５２）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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