磁気光学特性測定装置および磁気光学特性測定方法
【課題】強磁性体の磁気光学特性を精度よく測定する技術を提供する。
【解決手段】磁気光学特性測定装置１は、高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザからなるレーザ光源２と、磁場印加手段９と、レーザ光をポンプ光とプローブ光に分離するビームスプリッタ３と、ポンプ光を遮断または透過させるチョッパ５と、プローブ光を左右の円偏光に切り替えて出力するＰＥＭ６と、ＰＥＭ６で変調されたプローブ光が試料Ｆで反射した光の強度を検出するＰＤ１０と、ＰＥＭ６の変調周波数を参照信号としてＰＤ１０が検出する光強度の変化を検出するロックインアンプ１２と、チョッピング周波数を参照信号として光強度変化検出信号を周波数変換してＭＯ信号を検出するロックインアンプ１３と、ＭＯ信号を用いて光パルス列の高繰り返し周期に試料Ｆの磁化の光励起歳差運動が共鳴するときの試料の磁気光学特性を算出する計算機１４とを備える。
【解決手段】磁気光学特性測定装置１は、高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザからなるレーザ光源２と、磁場印加手段９と、レーザ光をポンプ光とプローブ光に分離するビームスプリッタ３と、ポンプ光を遮断または透過させるチョッパ５と、プローブ光を左右の円偏光に切り替えて出力するＰＥＭ６と、ＰＥＭ６で変調されたプローブ光が試料Ｆで反射した光の強度を検出するＰＤ１０と、ＰＥＭ６の変調周波数を参照信号としてＰＤ１０が検出する光強度の変化を検出するロックインアンプ１２と、チョッピング周波数を参照信号として光強度変化検出信号を周波数変換してＭＯ信号を検出するロックインアンプ１３と、ＭＯ信号を用いて光パルス列の高繰り返し周期に試料Ｆの磁化の光励起歳差運動が共鳴するときの試料の磁気光学特性を算出する計算機１４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定する技術に係り、特に、強磁性体の異方性磁場等の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置および磁気光学特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）やスピンＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代表されるスピントロニクスデバイスは、スピン注入磁化反転という新技術に基づいて作製されている。スピン注入磁化反転は、デバイス中の磁化の向きを、スピンが揃った電子の流れ（電流）で制御するものである。このスピン注入磁化反転の技術分野においては、近年、理論と実験の両面から非常に多くの研究が行われており、磁化を制御するために必要な臨界電流Ｉｃを低減することが強く求められている。これが実現すれば、スピントロニクスデバイスにおいて、飛躍的な性能向上が期待され、応用の幅も広がる。
【０００３】
従来の理論研究から、臨界電流Ｉcの値を小さくするためには、異方性磁場Ｈaniの値が小さい磁性体や、ダンピングファクタと呼ばれるパラメータαの値が小さい磁性体を選べばよいという指針が得られる。ここで、異方性磁場Ｈaniは、磁性イオンの交換相互作用等に起因する有効的な内部磁場であり、ダンピングファクタαは、磁化の歳差運動の緩和過程を表す現象論的なパラメータである。しかしながら、異方性磁場Ｈaniやダンピングファクタαが物質によってどのように変化するのかについては、明らかにされてはいない。以上の理由により、様々な物質の異方性磁場Ｈani及びダンピングファクタαに関する研究が進められている。
【０００４】
近年、例えば、非特許文献１に示すように、超高速時間分解磁気光学分光法を用いて、異方性磁場Ｈaniやダンピングファクタαを決定する研究成果等が報告されている。これらの研究は、以下の原理に基づくものである。強磁性体に光を照射すると、温度上昇やキャリア濃度の変化により、磁気異方性が変化し、磁化（磁化ベクトル）が歳差運動を始めるという現象が生じる。そこで、これらの研究では、フェムト秒の時間分解磁気光学測定法を駆使して、磁化の歳差運動を観測し、理論モデルを用いた計算により観測データを解析して、異方性磁場Ｈaniとダンピングファクタαとを決定する。
【０００５】
また、常磁性体の化合物半導体に円偏光を照射すると、スピン偏極したキャリア（キャリアスピン）が生成することが知られている。そして、フォイクト配置（Voigt配置、フォークト配置ともいう）で、磁場を印加すると、キャリアスピンは、印加磁場の大きさを反映した周期で歳差運動を始める。この振る舞いは、およそ８０［ＭＨｚ］のパルス繰り返し周期のモードロックパルスレーザから出力されるパルス光を使用した超高速時間分解分光法により観測することができる。なお、フォイクト配置は、光の進行方向と直交する方向に磁界が印加されるような配置である。
【０００６】
そして、常磁性体のキャリアスピンの緩和時間よりもパルス光（レーザ光）の繰り返し周期の方が短い場合、複数のパルス光励起により注入されたスピンの歳差運動が互いに干渉する。その結果、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が、共鳴的に増幅する現象が生じる(非特許文献２参照)。この現象は、Resonant Spin Accumulation（ＲＳＡ）と称されている。
【０００７】
一方、強磁性体においてスピンの挙動は、常磁性体におけるスピンの挙動とは異なる。すなわち、強磁性体の場合には、互いに相互作用し合って一方向に配向した集団的な多数のスピンの挙動を考える必要がある。ただし、この場合にも、強磁性体に複数のパルス光を照射することで、常磁性体と同様に、スピンの歳差運動の干渉が起こることは、実験的に示され、理論的にもよく説明されている（非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Y. Hashimoto et al., ”Photoinduced Precession of Magnetization in Ferromagnetic (Ga,Mn)As”, Phys. Rev. Lett., 100, 067202(2008)
【非特許文献２】J. M. Kikkawa and D. D. Awschalom, ”Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs”, Phys. Rev. Lett. Vol.80, No.19, 4313(1998)
【非特許文献３】Y. Hashimoto et al., ”Coherent manipulation of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with successive optical pumping”, Appl. Phys. Lett., 93, 202506(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
磁場を印加した磁性体の試料に対して、高繰り返しレーザによって発生させたパルス列を照射し、高繰り返しレーザの繰り返し周期と、試料の磁化の歳差運動の周期とを一致させたときに検出される磁気光学信号には、このときの共鳴現象を反映するピークが観測される。しかしながら、このときに生じるピークの強度は通常極めて小さいという問題がある。そのため、共鳴現象を高精度に観測できる技術が要望されている。
【００１０】
そこで、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、磁気共鳴分光法において磁性体の試料の磁気光学特性を精度よく測定することができる技術を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の磁気光学特性測定装置は、強磁性体の試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、レーザ光源と、磁場印加手段と、ビームスプリッタと、チョッパと、光弾性変調器と、光量検出手段と、第１のロックインアンプと、第２のロックインアンプと、演算手段と、を備えることとした。
【００１２】
かかる構成によれば、磁気光学特性測定装置において、モードロックレーザからなるレーザ光源によって、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射し、磁場印加手段によって、前記試料に磁場を印加する。そして、磁気光学特性測定装置において、ビームスプリッタによって、レーザ光源からの光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する。ここで、ビームスプリッタは、ポンプ光の割合の方が大きくなるように分離する。ポンプ光は、試料を励起するものでありプローブ光より強度が大きいことが望まれる。また、プローブ光は、励起された試料の磁気光学特性を観測するための光である。そして、試料を励起するポンプ光の光路中に配置されたチョッパは、入射するポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させ、プローブ光の光路中に配置された光弾性変調器は、入射するプローブ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。そして、この場合、ポンプ光及びプローブ光が試料の同じ部位に到達する。ここで、チョッピング周波数、変調周波数、光パルス列の繰り返し周波数はこの順序で大きくし、その間には１ケタ以上の差があることが望ましい。
【００１３】
そして、かかる構成の磁気光学特性測定装置において、光量検出手段は、光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する。そして、第１のロックインアンプは、前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する。この第１のロックインアンプは、光強度信号すなわちプローブ光が示す円二色性を通して、ポンプ光によって励起された磁化歳差運動を光強度変化検出信号として検出する。そして、第２のロックインアンプは、前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する。この第２のロックインアンプは、光強度変化検出信号を通して、ポンプ光によって励起された磁化歳差運動として、ポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出する。このように、高繰り返し周期の光パルス列から分離されて試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光を用いると共に、参照信号の周波数の異なる２つのロックインアンプによってポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出するので、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを効率的に省くことができる。
【００１４】
そして、かかる構成の磁気光学特性測定装置において、演算手段は、光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの前記試料の前記磁気光学特性を算出する。この演算手段は、前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出する。磁気光学特性測定装置は、第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号から、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを省くことができるので、高繰り返しパルス光照射により誘起される磁気共鳴現象を高精度に測定することができる。
【００１５】
また、請求項２に記載の磁気光学特性測定装置は、請求項１に記載の磁気光学特性測定装置において、前記磁気特性測定装置が、前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備えることとした。
【００１６】
かかる構成によれば、磁気光学特性測定装置において、前記演算手段は、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出する。
【００１７】
これにより、磁気光学特性測定装置は、移動ステージ上の反射板を移動させて、ポンプ光とプローブ光との光路長差を変化させることで、試料に到達する時間差を遅延時間として設定することができる。ここで、遅延時間は光パルス列の繰り返し周期以下である。磁気光学特性測定装置は、移動ステージ上の反射板の位置が、遅延時間と、光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の位置において、試料の磁化の歳差運動が光パルス列の繰り返し周期に同期するときの外部磁場を試料に印加し、かつ、ポンプ光およびプローブ光を試料に照射したときに、演算手段によって、試料の磁気光学特性を算出する。この場合の移動ステージ上の反射板の位置は、共鳴条件を満たすので、この位置により、共鳴したときの磁場の最低値を求めることができる。したがって、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
【００１８】
また、前記目的を達成するために、請求項３に記載の磁気光学特性測定方法は、強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザからなるレーザ光源と、磁場印加手段と、ビームスプリッタと、チョッパと、光弾性変調器と、光量検出手段と、参照信号の周波数が異なる２つのロックインアンプと、当該試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を算出する演算手段とを備える磁気光学特性測定装置の磁気光学特性測定方法であって、以下の工程を含むこととした。
【００１９】
すなわち、磁気光学特性測定方法は、第１の工程として、前記レーザ光源によって、前記高繰り返し周期の光パルス列を発生し、第２の工程として、前記磁場印加手段によって、前記試料に磁場を印加する。なお、第１および第２の工程は並行に行う。そして、第３の工程として、前記ビームスプリッタによって、前記光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する。第４の工程として、前記チョッパによって、前記ポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させる。第５の工程として、前記光弾性変調器によって、前記プローブ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。なお、第４および第５の工程は並行に行う。第６の工程として、前記光量検出手段によって、前記光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する。第７の工程として、第１のロックインアンプによって、前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する。第８の工程として、第２のロックインアンプによって、前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する。第９の工程として、前記演算手段によって、前記光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの当該試料の前記磁気光学特性を算出する。この演算手段は、前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出する。
【００２０】
また、請求項４に記載の磁気光学特性測定方法は、請求項３に記載の磁気光学特性測定方法において、前記磁気特性測定装置は、前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備え、前記演算手段が、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出することとした。
【００２１】
かかる手順によれば、磁気光学特性測定装置は、移動ステージ上の反射板の位置が、遅延時間と、光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の位置において、試料の磁化の歳差運動が光パルス列の繰り返し周期に同期するときの外部磁場を試料に印加し、かつ、ポンプ光およびプローブ光を試料に照射したときに、演算手段によって、試料の磁気光学特性を算出する。この場合の移動ステージ上の反射板の位置は、共鳴条件を満たすので、この位置により、共鳴したときの磁場の最低値を求めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１または請求項３に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置において、高繰り返し周期の光パルス列から分離されて試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光を用いると共に、参照信号の周波数の異なる２つのロックインアンプによってポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出するので、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを効率的に省くことができる。したがって、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを省くことができるので、高繰り返しパルス光照射により誘起される磁気共鳴現象を高精度に測定することができる。
【００２３】
請求項２または請求項４に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気光学特性測定装置の構成図である。
【図２】本発明における磁化の歳差運動を示す概念図であって、（ａ）は平衡状態、（ｂ）はパルス光の照射直後、（ｃ）はパルス光の照射後に磁化が向く方向をそれぞれ示している。
【図３】本発明において、２本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化の歳差運動を説明するための概念図であり、（ａ）は、１本目のパルス光を照射後の磁化の振る舞い、（ｂ１）は、共鳴条件での１本目の照射による磁化の歳差運動の終了時点、（ｃ１）は、共鳴条件での２本目の照射による磁化の歳差運動をそれぞれ示し、（ｂ２）は、非共鳴条件での１本目の照射途中の磁化の振る舞い、（ｃ２）は、非共鳴条件での２本目の照射後の磁化の振る舞いをそれぞれ示す。
【図４】本発明において、光パルス列を試料に照射したときの計算結果を示す図であり、（ａ）は有効内部磁場の傾き角の時間変化を示し、（ｂ）〜（ｄ）はダンピングファクタαを0.01として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフを示したものであって、（ｂ）はδＭx、（ｃ）はδＭy、（ｄ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図５】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭyのｒ依存性、（ｂ）はδＭzのｒ依存性をそれぞれ示している。
【図６】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを0として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図７】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを1/4として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図８】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを1/3として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図９】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを1/2として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１０】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを0として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１１】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを1/4として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１２】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを1/3として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１３】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを1/2として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１４】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを0として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１５】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを1/4として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１６】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを1/3として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１７】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを1/2として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る磁気光学特性測定装置の構成図である。
【図１９】本発明の第２実施形態に係る磁気光学特性測定装置の計算機の構成例を示すブロック図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る磁気光学特性測定装置による磁気光学特性測定方法の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面を参照して本発明の磁気光学特性測定装置および磁気光学特性測定方法を実施するための実施形態について詳細に説明する。以下では、説明の都合上、第１実施形態として、１．磁気光学特性測定装置の構成、２．磁気光学特性測定の流れ、３．理論モデル、４．計算機シミュレーションによる具体例の各章について説明し、次いで、第２実施形態として、５．磁気光学特性測定装置の構成、６．磁気光学特性測定装置の計算機の構成例、７．磁気光学特性測定動作の流れの各章を説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
［１．磁気光学特性測定装置の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気光学特性測定装置の構成図である。
磁気光学特性測定装置１は、所定の繰り返し周期ｔrepのレーザ光を強磁性体の試料Ｆに照射することで、当該試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffもしくは異方性磁場Ｈaniを含む磁気光学特性を測定するものである。
【００２７】
磁気光学特性測定装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、ビームスプリッタ３と、反射板４と、チョッパ５と、ＰＥＭ（光弾性変調器）６と、集光レンズ７と、基板８と、磁場印加手段９と、ＰＤ（光量検出手段）１０と、光遮蔽板１１と、ロックインアンプ（第１のロックインアンプ）１２と、ロックインアンプ（第２のロックインアンプ）１３と、計算機（演算手段）１４と、チョッパ制御手段１５と、ＰＥＭ制御手段１６と、磁場制御手段１７とを備えている。
【００２８】
レーザ光源２は、強磁性体の試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期ＴMに同期可能な繰り返し周期ｔrepの光パルス列を発生し試料Ｆに照射するものであり、モードロックレーザからなる。ここで、レーザ光源２の繰り返し周波数ｆL（＝１／ｔrep）は、磁気光学特性測定対象の試料に応じて、例えば、100［ＭＨｚ］から１［ＴＨｚ］の範囲で予め設定しておく。また、レーザ光源２の繰り返し周期ｔrepは、試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMよりも小さいことが好ましい。
【００２９】
本実施形態では、レーザ光源２の一例として、繰り返し周波数ｆLが例えば３〜５［ＧＨｚ］のモードロックレーザを使用するものとして説明する。なお、この場合、レーザ光源２は、３［ＧＨｚ］の一定の繰り返し周波数のパルスレーザを出力する専用装置としてもよいし、繰り返し周波数を３［ＧＨｚ］で出力するモードと、５［ＧＨｚ］で出力するモードとを切り替えることのできる汎用装置としてもよい。
【００３０】
ビームスプリッタ３は、レーザ光源２からの光パルス列を、試料Ｆにそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離するものである。ビームスプリッタ３は、ポンプ光の割合が多くなるように分離する。ポンプ光とプローブ光とを分離する割合は、所望の条件に応じて、例えば、９：１〜100：１等の範囲で適宜変更するようにしてもよい。なお、偏光素子として、直線偏光板をさらに備える構成としてもよい。
【００３１】
この光学系において、ビームスプリッタ３で分離して方向を変えて、反射板４で反射したポンプ光はチョッパ５を介して試料Ｆに入射する。また、ビームスプリッタ３で分離して直進するプローブ光はＰＥＭ６を介して試料Ｆの同じ部位に入射する。また、本実施形態では、図１に示すように、ポンプ光およびプローブ光は、集光レンズ７によりそれぞれ集光して試料Ｆに照射できるように構成した。
【００３２】
チョッパ５は、試料Ｆに照射されるポンプ光のパス（光路）の途中に配置され、入射するポンプ光を予め定められたチョッピング周波数ｆcで交互に遮断または透過させるものである。チョッパ５は、例えば複数の羽根が円形に配置されたタイプの光チョッパや、周方向に透明部と遮光部とが交互に配置された回転ディスクタイプの光チョッパ等から構成されている。
【００３３】
チョッパ制御手段１５は、チョッパ５を回転させるコントローラであり、チョッパ５の繰返し周波数ｆcの信号をロックインアンプ１３に入力する。この繰返し周波数ｆcは、例えば、500［Ｈｚ］とすることができる。
【００３４】
ＰＥＭ（Photo Elastic Modulator：光弾性変調器）６は、試料Ｆに照射されるプローブ光のパスの途中に配置され、入射するプローブ光を予め定められた変調周波数ｆp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。ＰＥＭ６は、等方性の透明光学材料と圧電素子で構成されている。ＰＥＭ６で変調されたプローブ光は円二色性を示すこととなる。
【００３５】
ＰＥＭ制御手段１６は、ＰＥＭ６を振動させるコントローラであり、ＰＥＭ６の変調周波数ｆPの信号をロックインアンプ１２に入力する。この変調周波数ｆPは、例えば、50［ｋＨｚ］とすることができる。チョッパの繰返し周波数をｆc、ＰＥＭ６の変調周波数をｆP、レーザ光の繰返し周波数をｆLとすると、これら各周波数の関係は、ｆc≪ｆP≪ｆLを満たすようにする。
【００３６】
基板８は、例えば、数〜数十［ｎｍ］程度の薄い膜状の試料Ｆを固定するために設けられた試料台であり、試料Ｆを固定することができれば、そのサイズ、形状、材質等が限定されるものではない。例えば、試料Ｆを基板８上にスパッタリング法等により積層する場合には、シリコン（Ｓｉ）やガラス等の一般的な基板材料を用いることができる。このとき、基板８の厚さや大きさは数［ｍｍ］程度とすることができる。
【００３７】
磁場印加手段９は、基板８に固定された試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、例えば、電磁石で構成される。この磁場印加手段９から試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の歳差運動の周期を変化させることができる。本実施形態では、磁場印加手段９で印加する磁場（外部磁場Ｈext）の方向を、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの方向と平行であるものとした。つまり、一例として、試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffの方向が面直方向である場合には、図１に示すように、磁場印加手段９は、試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設される。なお、試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの大きさ（値）の変化に応じて、試料Ｆにおける有効内部磁場Ｈeffの大きさは変化し、外部磁場Ｈextが試料Ｆに印加されていない場合には、有効内部磁場Ｈeffの大きさは異方性磁場Ｈaniの大きさと等しくなる。磁場印加手段９が印加する磁場の大きさは、磁場制御手段１７によって制御される。磁場制御手段１７は、計算機１４からの指令により磁場の大きさを変化させる。
【００３８】
ＰＤ（光量検出手段）１０は、ＰＥＭ６で変調されたプローブ光が試料Ｆで反射した反射光を受光した光強度を検出するものであり、例えば、一般的なフォトダイオードから構成される。本実施形態では、ポンプ光およびプローブ光が試料Ｆで反射した反射光のうち、プローブ光のみをＰＤ１０が受光するために、ＰＤ１０の前段に、光遮蔽板１１が設けられている。光遮蔽板１１はポンプ光の反射光を遮り、プローブ光の反射光だけが透過できるようにする。ＰＤ１０が検出した反射光の光強度信号（電気信号）は、ロックインアンプ１２に入力される。
【００３９】
ロックインアンプ（第１のロックインアンプ）１２は、インプット（IN1）がＰＤ１０に接続され、リファレンス（REF1）がＰＥＭ制御手段１６に接続され、アウトプット（OUT1）がロックインアンプ１３のインプット（IN2）に接続されている。ロックインアンプ１２は、ＰＥＭ制御手段１６から入力する参照信号（変調周波数ｆpの信号）を用いて、ＰＤ１０から出力される光強度信号（電気信号）の変化を検出した光強度変化検出信号をロックインアンプ１３に出力するものである。このロックインアンプ１２における積算時間ｔ1は、チョッパの繰返し周波数をｆc、ＰＥＭ６の変調周波数をｆPとした場合に、１／ｆp＜ｔ1＜１／ｆcとなるようにする。
【００４０】
ロックインアンプ（第２のロックインアンプ）１３は、インプット（IN2）がロックインアンプ１２のアウトプット（OUT1）に接続され、リファレンス（REF2）がチョッパ制御手段１５に接続され、アウトプット（OUT2）が計算機１４に接続されている。ロックインアンプ１３は、チョッパ制御手段１５から入力する参照信号（チョッピング周波数ｆcの信号）を用いて、ロックインアンプ１２から出力される光強度変化検出信号を周波数変換して、試料Ｆからの反射光の偏光成分（磁気光学信号）を検出するものである。ロックインアンプ１３は、ポンプ光によって励起された磁化歳差運動として、チョッパ５によってポンプ光が試料Ｆに照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出する。ロックインアンプ１３は、この検出した磁気光学信号（magneto-optical信号：以下、ＭＯ信号という）を計算機１４に出力する。ロックインアンプ１３における積算時間ｔ２は、チョッパの繰返し周波数をｆcとすると、ｔ２＞１／ｆcとなるようにする。
【００４１】
計算機（演算手段）１４は、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepに、試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期ＴMを同期させた共鳴条件を満たすときの試料Ｆの磁気光学特性を算出するものであり、例えば、一般的なパーソナルコンピュータ等から構成される。計算機１４は、共鳴条件として、試料Ｆに印加した磁場Ｈextと、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepと、ロックインアンプ１３で検出したＭＯ信号と、ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいた後記する理論モデルを用いて解析することで、試料Ｆの磁気光学特性を算出する。計算機１４は、試料Ｆの磁気光学特性として、例えば、有効内部磁場Ｈeffの値やパラメータα（以下、ダンピングファクタαという）の値を決定する。
【００４２】
［２．磁気光学特性測定の流れ］
磁気光学特性測定装置１による磁気光学特性測定の流れについて図１を参照して説明する。本実施形態の磁気光学特性測定方法は、以下の第１ないし第９の工程を含んで実行するものである。予め、磁気光学特性測定装置１を図１のように配置し、基板８に試料Ｆを固定する。まず、第１の工程として、レーザ光源２によって、高繰り返し周期ｔrepの光パルス列を発生し、第２の工程として、磁場印加手段９によって、試料Ｆに磁場Ｈextを印加する。なお、第１および第２の工程は並行に行う。
【００４３】
そして、第３の工程として、ビームスプリッタ３によって、光パルス列を試料Ｆにそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する。第４の工程として、チョッパ５によって、ポンプ光をチョッピング周波数ｆcで交互に遮断または透過させ、第５の工程として、ＰＥＭ６によって、プローブ光を変調周波数ｆp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。なお、第４および第５の工程は並行に行う。
【００４４】
そして、第６の工程として、ＰＤ１０によって、ＰＥＭ６で変調されたプローブ光が試料Ｆで反射した反射光を受光した光強度を検出する。第７の工程として、ロックインアンプ１２によって、ＰＥＭ６の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、ＰＤ１０が検出する光強度信号を入力して、参照信号により光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する。第８の工程として、ロックインアンプ１３によって、チョッパ５のチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、光強度変化検出信号を入力して、参照信号により光強度変化検出信号を周波数変換して検出したＭＯ信号を出力する。
【００４５】
そして、第９の工程として、計算機１４によって、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepに、試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期ＴMを同期させた共鳴条件を満たすときの当該試料の磁気光学特性を算出する。この計算機１４は、共鳴条件として、試料に印加した磁場Ｈextと、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepと、ロックインアンプ１３で検出したＭＯ信号Θと、ポンプ光とプローブ光との遅延時間ｔintとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料の磁気光学特性を算出する。
【００４６】
［３．理論モデル］
この章では、３．１磁化の歳差運動、３．２磁化の歳差運動の干渉、３．３ＭＯ信号の各節について順次説明することとする。
＜３．１ 磁化の歳差運動＞
まず、理論モデルの前提として、磁化の歳差運動について説明する。理論モデルを説明するための概念図を図２に示す。図２では、薄い膜状の試料Ｆが固定される平面をｘｙ平面、その平面の法線方向をｚ軸として示した。つまり、レーザ光源２から照射されるパルス光の照射方向は、ｚ軸方向である。また、図２（ａ）に示す平衡状態においては、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）と有効内部磁場ベクトルＨeff（以下、単に有効内部磁場Ｈeffという）は、図示するようにｘ軸方向に向いているものとする。
【００４７】
つまり、磁化Ｍは、式（１）で表され、同様に、有効内部磁場Ｈeffは式（２）で表される。なお、式（１）に示すＭsは磁化のｘ成分の大きさ（飽和磁化）を表し、式（２）に示すＨ0は有効内部磁場のｘ成分の大きさを表している。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この平衡状態において、光を磁性体に照射すると、物質の温度上昇やキャリア濃度の変化により磁気異方性が変化する。ここでは、図２（ｂ）に示すように、レーザ光源２から試料Ｆに照射されるパルス光の照射直後に、パルス光に起因した磁気異方性の変化が生じて、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に向かって角度θだけ傾くと仮定する。したがって、パルス光の照射直後においては、有効内部磁場を示す関係式は、前記した式（２）から式（３）へと書き換えられる。また、このとき、スピンには、磁化Ｍと異方性磁場Ｈaniを含む平面に対して垂直な方向に、式（４）で表されるトルクＦがかかる。なお、式（４）において、記号「×」は外積を表し、γは磁気回転比を表す。
【００５０】
【数２】
【００５１】
したがって、式（４）で表されるトルクＦにより磁化Ｍは歳差運動を始めることになる。パルス光の照射後において、磁化Ｍの歳差運動は、図２（ｃ）に示すように、有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする円運動を示す。磁化Ｍの歳差運動の時間変化は、ＬＬＧ方程式と呼ばれる式（５）を用いてよく再現できる（非特許文献１参照）。
【００５２】
【数３】
【００５３】
パルス光照射により誘起された磁化Ｍの歳差運動は、時間の経過にしたがって小さくなる。これをダンピングといい、その挙動は、式（５）に示すダンピングファクタα（Gilbert減衰定数）を用いて表現される。仮にダンピングファクタαを０とすると、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMは、式（６）を用いて求められる。式（６）において、ｆMは歳差運動の振動数（１／ＴM）、ｈはプランク定数、μBはボーア磁子、ｇはｇ因子をそれぞれ示している。
【００５４】
【数４】
【００５５】
磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／ｆM）は、式（６）に示す定数部分を無視すると、ｇ因子と有効内部磁場Ｈeffの値に依存していることが分かる。また、周期ＴMは、試料Ｆの種類や実験条件などに強く依存し、おおよそピコ秒からサブナノ秒であることが、これまでの実験を通して確かめられている（非特許文献１参照）。
【００５６】
＜３．２ 磁化の歳差運動の干渉＞
ここで、磁化Ｍの歳差運動の干渉を説明するために、２本の連続したパルス光を磁性体に照射することを想定する。また、磁性体の磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／ｆM）と、レーザの繰り返し周期ｔrep（＝１／ｆL）とが同期するときに磁性体に生じている有効内部磁場Ｈeffのことを、「共鳴が起こる磁場Ｈres」と表記し、式（７）で表すこととする。また、これを共鳴条件と呼ぶことにする。このとき、共鳴が起こる磁場Ｈresは、式（８）のように表される。
【００５７】
【数５】
【００５８】
式（８）において、繰返し周波数ｆLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、0.1785［Ｔ］と見積もられる。
【００５９】
式（８）は、前記した式（６）に類似しているが、例えば５［ＧＨｚ］のように固定されたレーザの繰り返し周波数ｆL（＝１／ｔrep）と、それに伴ってある所定値に固定された有効内部磁場Ｈeff（共鳴が起こる磁場Ｈres）との関係式である。
【００６０】
一方、前記した式（６）は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／ｆM）と、有効内部磁場Ｈeffとの関係式であり、いずれも変動する。そのため、磁化Ｍの挙動は、この変更可能なパラメータとしての有効内部磁場Ｈeffを変化させることで制御可能である。
【００６１】
ここで、２本の連続したパルス光を照射した場合の磁化Ｍの概念図を、図３を参照して説明する。図３（ａ）、図３（ｂ１）、及び、図３（ｃ１）には、共鳴条件である式（７）の場合における２本の連続したパルス光を照射した場合の磁化Ｍの歳差運動の振る舞いを示す。また、図３（ａ）、図３（ｂ２）、及び、図３（ｃ２）には、共鳴条件からずれた場合、ここでは、前記した式（７）の関係を満たさない場合としてＨeff＝Ｈres／２となる条件での磁化Ｍの歳差運動の振る舞いを示す。
【００６２】
前記した式（７）の関係を満たす共鳴条件の場合の磁化Ｍの振る舞いは、図３（ａ）において、１本目のパルス光を照射後、磁化Ｍは有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする歳差運動を始める。そして、図３（ｂ１）に示すように、磁化Ｍは有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする歳差運動を行い一周する。次に、共鳴条件、すなわち、Ｈeff＝Ｈresにおいて、２本目のパルス光を照射すると、磁化Ｍと有効内部磁場Ｈeffとがなす角度は、図３（ｃ１）に示すように、１本目のパルス光による歳差運動（図３（ａ））の場合の角度の２倍になり、歳差運動の振幅も２倍となる。
【００６３】
また、共鳴条件からずれた場合、Ｈeff＝Ｈres／２においての磁化Ｍの振る舞いは、図３（ａ）の状態から、図３（ｂ２）に示すように、磁化Ｍは有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする歳差運動を始めるが、半周した後に歳差運動を停止する。そして、共鳴条件からずれた条件（非共鳴条件）では、２本目のパルス光を照射すると、図３（ｃ２）に示すように、磁化Ｍと有効内部磁場Ｈeffは平行となり、磁化Ｍの歳差運動はなくなる。
【００６４】
＜３．３ＭＯ信号＞
≪３．３．１．シミュレーション条件≫
有効内部磁場Ｈeffの向きは格子温度に依存する。このため、光照射により試料の格子温度が上昇すると、有効内部磁場Ｈeffの向きも傾く。ポンプ光パルスを１つ試料に照射すると、有効内部磁場Ｈeffの向きが５マイクロラジアンだけ傾き、この変化は10ナノ秒で緩和すると仮定する。つまり、格子温度の緩和時間を10ナノ秒に設定した。ここでは、有効内部磁場Ｈeffの傾き角度の時間変化をθ（ｔ）とする。高繰り返しパルスレーザ光の繰返し周期を５ＧＨｚとすると、繰り返し時間ｔrepが200ピコ秒でポンプ光が試料に照射される。この条件のときには、ポンプ光照射による傾き角度θの変化が緩和する前に次のポンプ光が照射されるため、傾き角度θの変化の蓄積が起こる。また、このとき、光照射後の格子温度を反映する傾き角度は、式（９）で表される。
【００６５】
【数６】
【００６６】
ここで、δ（ａ)は、a＜Oの場合にが０となり、a≧０の場合には１となるステップ関数である。ｔintは、ポンプ光とプローブ光との遅延時間を示し、ｎは、ポンプ光またはプローブ光が何本目のものであるかを示す整数である（ｎ＝０，１，２，…）。なお、式（９）において５μは５マイクロラジアンを示し、10nsは10ナノ秒を示す
【００６７】
式（９）に示す傾き角度θ（ｔ)をシミュレーションにより計算した結果を図４（ａ)に示す。図４（ａ）のグラフの横軸は、ポンプ光が照射され始めてからの通算の経過時間を示し、縦軸は傾き角度θを示す。図４（ａ)に示すように、ポンプ光照射による傾き角度θの増大と、格子温度の冷却による傾き角度θの減少とのために、ポンプ光が照射され始めて通算で50ナノ秒（50×103［ｐｓ］）以上経過した時点ではおおよそ準平衡状態になっている。この準平衡状態では、傾き角度θは、およそ250ミリラジアン（250×10-6［rad.］）となっている。
【００６８】
そこで、以下の計算では、ポンプ光が照射され始めてから100ナノ秒（100×103［ｐｓ］）以降に照射された光によって観測されるＭＯ信号Θを計算した。ここでは、計算時間や計算機性能の制約とため、上限を200ナノ秒（200×103［ｐｓ］）として、図４（ａ)に示す100〜200ナノ秒までの傾き角度θ（ｔ）の現象についてＭＯ信号Θを計算した。つまり、この条件では、500本の連続したポンプ光照射に続いて、501〜1000本までの連続したポンプ光により蓄積される傾き角度θの変化を観測した。
【００６９】
≪３．３．２．ＭＯ信号の具体例１≫
簡便のため、まず最初に、プローブ光がポンプ光に対して十分弱いと仮定する（ケース１）。この場合、プローブ光照射により傾き角度θは変化せず、かつ、ポンプ光とプローブ光とが同時に試料Ｆに照射されると考えられる。このときのＭＯ信号は、式（１０ａ）〜式（１０ｅ）で表される。
【００７０】
【数７】
【００７１】
式（１０ａ）〜式（１０ｅ）において、ｎはポンプ光が何本目のものであるかを示す整数である（ｎ＝501，…）。また、式（１０ｂ）に示すΘx、Θy、Θzは、試料の種類や温度などの実験条件に依存し、観測されるＭＯ信号Θの偏光依存性や波長依存性などから評価する重みを表している。また、δＭxn、δＭyn、δＭznは、直接観測するものではなく、式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）により計算で求めるものである。
【００７２】
式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）の右辺において、ｔrepは、パルスの繰り返し周期（１／ｆL）を示し、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ本目のポンプ光を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示し、Ｍsは飽和磁化を示す。
【００７３】
また、式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）の左辺にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、ｎ本目のポンプ光による磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の変化を表している。ここで、非特許文献２の手法にならって、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化の線形和であるものとして、以下の式（１１ａ）〜式（１１ｃ）にそれぞれ示すように、ｎで識別される複数本の連続して出力されるポンプ光によって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算する。
【００７４】
【数８】
【００７５】
図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）を前記した式（５）のＬＬＧ方程式に代入して、ダンピングファクタαを0.01として、式（１１ａ）〜式（１１ｃ）により、異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを求めた。このときの結果を、図４（ｂ）〜図４（ｄ）にそれぞれ示す。図４（ｂ）〜図４（ｄ）のグラフの横軸は、試料の有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は信号強度を示す。縦軸のメモリは、他のグラフとの比較のために付した任意単位（a.u.）の数値であるが、この数値の絶対値が大きいほど高精度の測定ができることを表す。これにより、δＭxについては、δＭy、δＭzに比べて強度が３桁ほど小さいことが分かる。なお、式（１１ａ）〜式（１１ｃ）の計算では、図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）において、ｎ＝501〜1000のシグマをとり、分母のｎは500とした。
【００７６】
図４（ｂ）〜図４（ｄ）にそれぞれ示すように、異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを示す波形には、有効内部磁場Ｈeffの値が、次の式（１２）に示す磁化歳差運動とレーザの繰り返し周波数が共鳴する条件を満たす場合においてピークが現れている。
【００７７】
【数９】
【００７８】
ここで、Ｎは自然数、Ｈresは前記した式（７）で与えられる共鳴が起こる磁場である。Ｎ＝１の場合、式（１２）は前記した式（７）と等価である。例えば、繰返し周波数ｆLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、0.1785［Ｔ］であったので、Ｎ＝２の場合、磁場Ｈeffの値は、0.357［Ｔ］となる。これは、他の条件を維持しつつ外部磁場の大きさだけを変化させることで実現できる。
【００７９】
≪３．３．３．外部磁場とＭＯ信号との関係≫
外部磁場Ｈext中にある強磁性体の有効内部磁場Ｈeffは、式（１３）で記述される。この式（１３）において、Ｈdemは反磁場を示す。ここでは、ＨaniがＨdemに比べて十分大きいものと仮定しＨdem＝０とした式（１４）を用いることとする。このとき、異方性磁場Ｈaniは、式（１５）より求められる。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
共鳴が起こる磁場Ｈresは、前記した式（８）の関係式から、レーザの繰返し周期ｔrep（＝１／ｆL）によって決まる。そのため、有効内部磁場Ｈeffの値が、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいとき、すなわち、共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを式（１４）および式（１５）は示唆している。なお、本実施形態では、外部磁場Ｈextの方向と、異方性磁場Ｈaniの方向とを平行であるものとして取り扱うことで、式（１５）においてベクトルである磁場をスカラーとして取り扱うこととする。
【００８２】
共鳴条件を満たす外部磁場Ｈextを決定することは、ＭＯ信号を外部磁場Ｈextに対して系統的に観測することで実現できる。つまり、試料Ｆに所定値の外部磁場Ｈextを印加した状態で、連続パルスを照射したときに、ロックインアンプ１３でＭＯ信号を検出し、計算機１４で解析した結果、共鳴条件を満たさなければ、外部磁場Ｈextの値を変更して同様な操作を繰り返せばよい。
【００８３】
≪３．３．４．ＭＯ信号の具体例２≫
次に、ポンプ光とプローブ光が試料に照射される遅延時間ｔintを考慮した場合のＭＯ信号Θを説明する（ケース２）。このときのＭＯ信号では、前記した式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、次の式（１６）〜式（１８）に書き換えて表される。
【００８４】
【数１１】
【００８５】
式（１６）〜式（１８）の右辺において、Ｍxn（ｎｔrep＋ｔint）、Ｍyn（ｎｔrep＋ｔint）、Ｍzn（ｎｔrep＋ｔint）は、ｎ本目のポンプ光の次のプローブ光を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示す。
【００８６】
ここで、前記した式（１２）に示す外部磁場による共鳴条件を満たす場合において、さらに、ポンプ光とプローブ光との遅延時間ｔintを、次の式（１９）により、レーザ繰り返し周期ｔrepに関連付けることとした。
【００８７】
【数１２】
【００８８】
以下では、このｒを遅延パラメータと呼称する。ここで、遅延パラメータｒが自然数の逆数または０の場合には、磁化歳差運動とレーザの繰り返し周波数が共鳴する条件を満たす。遅延パラメータｒが自然数の逆数または０であれば、例えばレーザ繰り返し周期ｔrepを固定値としたときに、遅延時間ｔintを変数として所望の値に設定してもよいし、逆に、遅延時間ｔintを固定値としたときに、レーザ繰り返し周期ｔrepを変数として所望の値に設定してもよい。ここで遅延パラメータｒ＝０の場合とは、遅延時間ｔintが０の場合、すなわちプローブ光とポンプ光とが重なる場合（ケース１）を表す。よって、前記した式（１６）〜式（１８）においてｔintが０の場合には前記した式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）と等価となる。
【００８９】
図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）を前記した式（５）のＬＬＧ方程式に代入して、ダンピングファクタαを0.01として、式（１６）〜式（１９）により、異方性磁場の変化δＭy、δＭzを求めた。遅延パラメータｒを0または1/2としたときの結果を、図５（ａ）〜図５（ｂ）にそれぞれ示す。
【００９０】
図５（ａ）〜図５（ｂ）のグラフは、図４（ｃ）〜図４（ｄ）と同様なグラフであり、遅延パラメータｒを０としたときの結果を実線で、ｒを1/2としたときの結果を破線でそれぞれ示す。なお、δＭxについては、δＭy、δＭzに比べて強度が３桁ほど小さいので、図示を省略した。また、式（１７）〜式（１８）の計算では、図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）において、ｎ＝501〜1000のシグマをとり、分母のｎは500とした。図５（ａ）〜図５（ｂ）にそれぞれ示すように、異方性磁場の変化δＭy、δＭzを示す波形は、遅延パラメータｒの値に強く依存する。
【００９１】
このように観測される信号は、ポンプ光とプローブ光の間の遅延時間ｔint（つまり遅延パラメータｒ）に依存するので、ポンプ光とプローブ光のどちらかの光のパスに、ポンプ光とプローブ光との光路長差を可変する移動ステージを設置して遅延時間を制御することが望ましい。移動ステージを設置した形態については第２実施形態として後記する。
【００９２】
［４．計算機シミュレーションによる具体例］
＜ｒ＝0、α＝0.1＞
図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）を前記した式（５）のＬＬＧ方程式に代入して、ダンピングファクタαを0.1として、遅延パラメータｒが０の場合を条件として、前記した式（１６）〜式（１８）で示される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭz（観測されるＭＯ信号Θに相当）の計算機シミュレーションにより求めた結果を、図６（ａ）〜図６（ｃ）にそれぞれ示す。図６（ａ）〜図６（ｃ）のグラフは、図４（ｂ）〜図４（ｄ）と同様なグラフであるが、ダンピングファクタαの値が異なっているため、異方性磁場の変化δＭy、δＭzを示す波形は異なっている。
【００９３】
＜ｒ＝1/4、α＝0.1＞
遅延パラメータｒを1/4に変更して、同様に求めた計算結果を、図７（ａ）〜図７（ｃ）にそれぞれ示す。
【００９４】
＜ｒ＝1/3、α＝0.1＞
遅延パラメータｒを1/3に変更して、同様に求めた計算結果を、図８（ａ）〜図８（ｃ）にそれぞれ示す。
【００９５】
＜ｒ＝1/2、α＝0.1＞
遅延パラメータｒを1/2に変更して、同様に求めた計算結果を、図９（ａ）〜図９（ｃ）にそれぞれ示す。
【００９６】
図６〜図９を一度に参照すると、ダンピングファクタαを0.1に固定して遅延パラメータｒを0、1/4、1/3、1/2に変化させた場合のδＭx、δＭy、δＭzの信号波形を比較することができる。
【００９７】
図１０〜図１３に、ダンピングファクタαを0.01に固定して遅延パラメータｒを0、1/4、1/3、1/2に変化させた場合のδＭx、δＭy、δＭzの信号波形をそれぞれ示す。
【００９８】
図１４〜図１７に、ダンピングファクタαを0.001に固定して遅延パラメータｒを0、1/4、1/3、1/2に変化させた場合のδＭx、δＭy、δＭzの信号波形をそれぞれ示す。
【００９９】
前記した式（６）は、簡便のため、ダンピングファクタαを０として導いたが、実際のダンピングファクタαは、強磁性金属でも強磁性半導体でも、0.1〜0.001のオーダーにあることが知られている。そのため、図６〜図１７に示す計算機シミュレーションの結果では、αを0.1〜0.001の範囲で変更して計算した。
【０１００】
図６〜図１７に示す計算結果から、遅延パラメータｒ（遅延時間ｔint）を制御して測定を行うことが重要であると結論付けられる。また、計算結果は、ダンピングファクタαの値にも強く依存する。このことから、観測された信号を前記した理論モデルを用いて解析することで、ダンピングファクタαの値を決定することができる。
【０１０１】
図６〜図１７に示す計算機シミュレーションの結果は、実際の実験系において外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどの影響がない理想的な状態で計算したものである。つまり、実際の測定系でＭＯ信号Θを測定したときに（δＭx、δＭy、δＭzの波形を測定したときに）、ノイズなどの影響がほとんど除去された場合、図６〜図１７に示すようなピークを持った波形が観測されることになる。
【０１０２】
なお、ｒ＝０の条件は、ポンプ光とプローブ光とが試料に同時に当たる現象を意味しており、実際の測定系では、ポンプ光とプローブ光とが試料に同時に当たっているタイミングを検出する手段を別に設けることが好ましい。このように遅延パラメータｒを先に算出および決定する代わりに、遅延パラメータｒを単にフィッティングパラメータとして捉え直して、実際の測定系でＭＯ信号Θを測定し（δＭx、δＭy、δＭzの波形を測定し）、測定された波形のピークの高さや線幅等の形状から、遅延パラメータｒを求めることも可能である。この場合には、実際の測定系において、ポンプ光とプローブ光とが試料に同時に当たっているタイミングを検出する手段を別に設ける必要がない。
【０１０３】
第１実施形態の磁気光学特性測定装置１によれば、ポンプアンドプローブ法とダブルロックイン法を、高繰り返しレーザを用いた磁気共鳴分光法に適用し、参照信号の周波数の異なる２つのロックインアンプ１２，１３によってポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出するので、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを効率的に省くことができる。したがって、高繰り返しレーザの繰り返し周期と磁化歳差運動の周期とが一致するときに共鳴現象を反映して観測される極めて小さいピークの強度を精度よく検出し、高繰り返しパルス光照射により誘起される磁気共鳴現象を高精度に測定することができる。
【０１０４】
（第２実施形態）
［５．磁気光学特性測定装置の構成］
図１８に示すように、第２実施形態の磁気光学特性測定装置１Ｂは、一例として、ポンプ光のパスに、ポンプ光とプローブ光との光路長差を可変する移動ステージを設置した形態であって、移動ステージ３０と、ステージ駆動手段３１とを備え、計算機１４Ｂは移動ステージ３０を動かす機能を有している。なお、図１に示した磁気光学特性測定装置１と同じ構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【０１０５】
移動ステージ３０上には、反射板３２が配設されている。反射板３２は、ビームスプリッタ３で分離したポンプ光を反射するものである。反射板３２で反射したポンプ光は、反射板４Ｂを介してチョッパ５に入射する。
【０１０６】
ステージ駆動手段３１は、計算機１４Ｂの制御のもと、移動ステージ３０を、ビームスプリッタ３で分離したポンプ光の進行方向に移動させるものである。ステージ駆動手段３１は、例えば、移動ステージ３０の図示しないスライダが配置される基台と、スライダを線形移動させる移動機構と、この移動機構を駆動するモータとを備えて構成される。ステージ駆動手段３１が移動ステージ３０を移動させることで、反射板３２も移動し、ポンプ光の光路長を変化させることができる。また、ステージ駆動手段３１の基台には、例えば、遅延パラメータｒに対応した目盛りを設けておくことができる。ステージ駆動手段３１は、遅延パラメータｒを示す指令値に応じて、例えば図示しないモータを回転させて移動ステージ３０を移動させる。なお、遅延パラメータｒを示す指令値は、例えばモータの回転数あるいは回転角、電流値、電圧値等に対応している。
【０１０７】
［６．磁気光学特性測定装置の計算機の構成例］
次に、磁気光学特性測定装置１Ｂの計算機１４Ｂの構成例について図１９を参照（適宜図１８参照）して説明する。ここでは、計算機１４Ｂは、共鳴磁場取得部４１と、外部磁場制御部４２と、レーザ光源制御部４３と、移動ステージ制御部４４と、ＭＯ信号取得部４５と、ＭＯ信号蓄積部４６と、共鳴条件取得部４７と、異方性磁場算出部４８と、フィッティングデータ記憶部４９と、減衰パラメータ算出部５０とを備えることとした。
【０１０８】
共鳴磁場取得部４１は、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動を、パルスの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）に同期させるために試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの値を共鳴磁場として取得するものである。共鳴磁場取得部４１は、取得した外部磁場Ｈextの値を外部磁場制御部４２と異方性磁場算出部４８とに出力する。なお、試料に対して外部磁場Ｈextの値を複数取得するようにしてもよい。
【０１０９】
外部磁場制御部４２は、磁場印加手段９を制御して、磁場のオン／オフを切り替えたり、共鳴磁場取得部４１から取得した外部磁場Ｈextの値の磁場を試料Ｆに印加させたりするものである。レーザ光源制御部４３は、レーザ光源２を制御して、パルスレーザのオン／オフを切り替えるものである。
【０１１０】
移動ステージ制御部４４は、ステージ駆動手段３１を制御して、予め遅延パラメータｒに対応付けている目盛り位置に、移動ステージ３０を順次移動させるものである。ＭＯ信号取得部４５は、ロックインアンプ１３からＭＯ信号Θを取得し、ＭＯ信号蓄積部４６に格納する。ＭＯ信号蓄積部４６は、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、ＭＯ信号蓄積部４６は、共鳴磁場取得部４１で取得した外部磁場Ｈextの値も記憶する。
【０１１１】
共鳴条件取得部４７は、レーザ光源制御部４３および移動ステージ制御部４４を統括すると共に、ＭＯ信号蓄積部４６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、各データを比較することにより、現在の移動ステージ３０の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定するものである。この共鳴条件取得部４７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となったと判定したときに、その旨を異方性磁場算出部４８に通知する。また、このとき、現在の移動ステージ３０の位置に対応する遅延パラメータｒを異方性磁場算出部４８に出力する。共鳴条件取得部４７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小ではないと判定したときに、レーザ光源制御部４３および移動ステージ制御部４４と協働して、判定を繰り返す。
【０１１２】
異方性磁場算出部４８は、レーザ繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）の値に基づいて、前記した式（８）により、共鳴が起こる磁場Ｈresを算出する。異方性磁場算出部４８は、算出した共鳴が起こる磁場Ｈresと、共鳴磁場取得部４１から取得した外部磁場Ｈextの情報とを用いて、前記した式（１５）により、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。異方性磁場算出部４８は、前記した式（１４）により、有効内部磁場Ｈeffの値を決定する。異方性磁場算出部４８は、算出した異方性磁場Ｈaniを図示しないディスプレイに表示すると共に、決定した有効内部磁場Ｈeffの値を減衰パラメータ算出部５０に出力する。なお、異方性磁場算出部４８は、取得した遅延パラメータｒを減衰パラメータ算出部５０に出力する。
【０１１３】
フィッティングデータ記憶部４９は、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、ＭＯ信号の磁場依存性およびα依存性のデータ（以下、フィッティングデータという）を記憶するものであって、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、有効内部磁場Ｈeffに対してＭＯ信号Θの絶対値が最小となるときの磁場の範囲に対して最適なダンピングファクタαの値を算出することが可能であれば、フィッティングデータは、予め変換テーブルとして備えるものでもよいし、演算に用いる所定の関数等の情報でもよい。
【０１１４】
減衰パラメータ算出部５０は、異方性磁場算出部４８から有効内部磁場Ｈeffの値を取得し、ＭＯ信号蓄積部４６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、フィッティングデータ記憶部４９に記憶されたフィッティングデータとフィッティングすることで、試料の磁気特性として、試料固有のダンピングファクタαの値を算出するものである。
減衰パラメータ算出部５０は、ＭＯ信号Θをフィッティングするときに、遅延パラメータｒを指標として用いてもよい。減衰パラメータ算出部５０は、ＭＯ信号Θをフィッティングすることで、遅延パラメータｒを算出することとしてもよい。
【０１１５】
［７．磁気光学特性測定の流れ］
次に、磁気光学特性測定装置１Ｂによる磁気光学特性測定の流れについて図２０を参照（適宜図１９参照）して説明する。磁気光学特性測定装置１Ｂは、計算機１４Ｂによって、共鳴条件（Ｎ＝Ｈeff／Ｈres）において試料Ｆに印加されていた外部磁場Ｈextの情報を予め取得しておく（ステップＳ１）。
【０１１６】
計算機１４Ｂは、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が、連続したポンプ光に共鳴するときの移動ステージ３０の位置を探索するステージ位置探索段階（ステップＳ２〜Ｓ７）と、ステージ位置が決定されたときに、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める磁場算出段階（ステップＳ８）とを実行する。なお、ここで、順次変更されるステージ位置つまり反射板３２の移動する位置は、遅延パラメータｒのそれぞれの値と対応付けられている。
【０１１７】
ステージ位置探索段階では、パルスレーザ光をビームスプリッタ３でポンプ光とプローブ光とに分離する。そして、ポンプ光のパスに挿入した移動ステージ３０上の反射板３２を用いてポンプ光とプローブ光との遅延時間ｔintを制御し、ポンプ光とプローブ光とを試料Ｆに重ねて照射する。
【０１１８】
このステージ位置探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、磁場印加手段９による処理（ステップＳ２）と、レーザ光源２による処理（ステップＳ３）と、ロックインアンプ１２，１３による処理（ステップＳ４）と、計算機１４Ｂによる処理（ステップＳ５，Ｓ６）とを協働して実行する。すなわち、ステップＳ２にて、磁場印加手段９は、予め取得した外部磁場Ｈextを試料Ｆに印加する。ステップＳ３にて、レーザ光源２は、連続した複数パルスのレーザ光をポンプ光およびプローブ光として出力する。ステップＳ４にて、ロックインアンプ１２，１３は、ポンプ光とプローブ光とを試料Ｆが反射した反射光のうち、プローブ光が示す磁気光学効果（偏光成分）を検出する。
【０１１９】
また、ステップＳ５にて、計算機１４Ｂは、ロックインアンプ１３で検出した偏光成分を、ＭＯ信号Θとして取得する。そして、ステップＳ６にて、計算機１４Ｂは、現在の移動ステージ３０上の反射板３２の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定することで所定条件が成立したか否かを判定する処理を実行する。ＭＯ信号Θの絶対値が最小となっていない場合に（ステップＳ６：Ｎｏ）、計算機１４Ｂは、移動ステージ３０上の反射板３２を、遅延パラメータｒの値を変更した位置に移動させる処理（ステップＳ７）を実行する。一方、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となった場合に（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、計算機１４Ｂは、この条件において検出したＭＯ信号Θおよび移動ステージ３０の位置と、取得した外部磁場の大きさＨextと、繰り返し周期ｔrepとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈani、有効内部磁場Ｈeff、ダンピングファクタαの値をそれぞれ求める。
【０１２０】
なお、前記した計算機シミュレーションにおいて、ｒの値を変化させながら測定することは、移動ステージ３０を動かしながら測定することに相当する。また、ｒの値は、移動ステージ３０の位置から一義的に決定できる。このため、移動ステージ３０を移動させながらＭＯ信号を観測すると、共鳴条件であるＨeff／Ｈresを示す自然数Ｎの値に依存して、ポンプ光によって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの振る舞いが観測される。
【０１２１】
第２実施形態の磁気光学特性測定装置１Ｂによれば、移動ステージ３０を移動させながら実際に観測したＭＯ信号の波形と、計算から導かれる理論的な信号の波形とを比較することで、異方性磁場Ｈaniが未知の試料であっても、Ｈeff／Ｈresの値を推定でき、その結果、異方性磁場Ｈaniの値を一意に決定することができる。また、磁気光学特性測定装置１Ｂによれば、ダンピンファクタαの値も決定することができる。
【０１２２】
以上、各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で様々に実施することができる。例えば、各実施形態では、磁場印加手段９を試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設したが、磁場印加手段９を試料Ｆに対して面内磁場を印加できるように配設してもよい。これにより、有効内部磁場Ｈeffの方向が面内方向である試料も測定対象とすることができる。なお、磁場印加手段が、面直磁場を印加するモードと、面内磁場を印加するモードに対応するように、両方の構成を備えるか、または、両方のモードを兼ねるように配置を切り替えることができるように構成するようにしてもよい。
【０１２３】
また、各実施形態では、プローブ光が試料Ｆで反射した反射光の光強度を検出するようにＰＤ１０を配設したが、これに代えて、プローブ光が試料Ｆを透過した透過光の光強度を検出できるようにＰＤ１０を配設してもよい。なお、この場合、試料Ｆを固定する基板８の中心位置を薄く形成するか、基板８の中心位置に穴を設けておき、透過光の経路とする。
【０１２４】
また、各実施形態では、プローブ光のパスの方がポンプ光のパスよりも短くなるように配設したが、これに代えて、ポンプ光のパスの方がプローブ光のパスよりも短くなるように配設してもよい。なお、この場合、ポンプ光のパスにチョッパ５、プローブ光のパスにＰＥＭ６を設けることに変わりはないが、ＰＤ１０がプローブ光のみを受光できるように光遮蔽板１１等の配置を変更する。
【０１２５】
また、第２実施形態では、ポンプ光のパスを可変できるように移動ステージ３０を配設したが、これに代えて、プローブ光のパスを可変できるように移動ステージ３０を配設してもよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１，１Ｂ 磁気光学特性測定装置
２ レーザ光源
３ ビームスプリッタ
４，４Ｂ 反射板
５ チョッパ
６ ＰＥＭ（光弾性変調器）
７ 集光レンズ
８ 基板
９ 磁場印加手段
１０ ＰＤ（光量検出手段）
１１ 光遮蔽板
１２ ロックインアンプ（第１のロックインアンプ）
１３ ロックインアンプ（第２のロックインアンプ）
１４，１４Ｂ 計算機
１５ チョッパ制御手段
１６ ＰＥＭ制御手段
１７ 磁場制御手段
３０ 移動ステージ
３１ ステージ駆動手段
３２ 反射板
４１ 共鳴磁場取得部
４２ 外部磁場制御部
４３ レーザ光源制御部
４４ 移動ステージ制御部
４５ ＭＯ信号取得部
４６ ＭＯ信号蓄積部
４７ 共鳴条件取得部
４８ 異方性磁場算出部
４９ フィッティングデータ記憶部
５０ 減衰パラメータ算出部
Ｆ 試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁気特性を測定する技術に係り、特に、強磁性体の異方性磁場等の磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置および磁気光学特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）やスピンＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代表されるスピントロニクスデバイスは、スピン注入磁化反転という新技術に基づいて作製されている。スピン注入磁化反転は、デバイス中の磁化の向きを、スピンが揃った電子の流れ（電流）で制御するものである。このスピン注入磁化反転の技術分野においては、近年、理論と実験の両面から非常に多くの研究が行われており、磁化を制御するために必要な臨界電流Ｉｃを低減することが強く求められている。これが実現すれば、スピントロニクスデバイスにおいて、飛躍的な性能向上が期待され、応用の幅も広がる。
【０００３】
従来の理論研究から、臨界電流Ｉcの値を小さくするためには、異方性磁場Ｈaniの値が小さい磁性体や、ダンピングファクタと呼ばれるパラメータαの値が小さい磁性体を選べばよいという指針が得られる。ここで、異方性磁場Ｈaniは、磁性イオンの交換相互作用等に起因する有効的な内部磁場であり、ダンピングファクタαは、磁化の歳差運動の緩和過程を表す現象論的なパラメータである。しかしながら、異方性磁場Ｈaniやダンピングファクタαが物質によってどのように変化するのかについては、明らかにされてはいない。以上の理由により、様々な物質の異方性磁場Ｈani及びダンピングファクタαに関する研究が進められている。
【０００４】
近年、例えば、非特許文献１に示すように、超高速時間分解磁気光学分光法を用いて、異方性磁場Ｈaniやダンピングファクタαを決定する研究成果等が報告されている。これらの研究は、以下の原理に基づくものである。強磁性体に光を照射すると、温度上昇やキャリア濃度の変化により、磁気異方性が変化し、磁化（磁化ベクトル）が歳差運動を始めるという現象が生じる。そこで、これらの研究では、フェムト秒の時間分解磁気光学測定法を駆使して、磁化の歳差運動を観測し、理論モデルを用いた計算により観測データを解析して、異方性磁場Ｈaniとダンピングファクタαとを決定する。
【０００５】
また、常磁性体の化合物半導体に円偏光を照射すると、スピン偏極したキャリア（キャリアスピン）が生成することが知られている。そして、フォイクト配置（Voigt配置、フォークト配置ともいう）で、磁場を印加すると、キャリアスピンは、印加磁場の大きさを反映した周期で歳差運動を始める。この振る舞いは、およそ８０［ＭＨｚ］のパルス繰り返し周期のモードロックパルスレーザから出力されるパルス光を使用した超高速時間分解分光法により観測することができる。なお、フォイクト配置は、光の進行方向と直交する方向に磁界が印加されるような配置である。
【０００６】
そして、常磁性体のキャリアスピンの緩和時間よりもパルス光（レーザ光）の繰り返し周期の方が短い場合、複数のパルス光励起により注入されたスピンの歳差運動が互いに干渉する。その結果、パルス光の繰り返し周期が、キャリアスピンの歳差運動の周期の整数倍になるときに、キャリアスピンの歳差運動の振幅が、共鳴的に増幅する現象が生じる(非特許文献２参照)。この現象は、Resonant Spin Accumulation（ＲＳＡ）と称されている。
【０００７】
一方、強磁性体においてスピンの挙動は、常磁性体におけるスピンの挙動とは異なる。すなわち、強磁性体の場合には、互いに相互作用し合って一方向に配向した集団的な多数のスピンの挙動を考える必要がある。ただし、この場合にも、強磁性体に複数のパルス光を照射することで、常磁性体と同様に、スピンの歳差運動の干渉が起こることは、実験的に示され、理論的にもよく説明されている（非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Y. Hashimoto et al., ”Photoinduced Precession of Magnetization in Ferromagnetic (Ga,Mn)As”, Phys. Rev. Lett., 100, 067202(2008)
【非特許文献２】J. M. Kikkawa and D. D. Awschalom, ”Resonant Spin Amplification in n-Type GaAs”, Phys. Rev. Lett. Vol.80, No.19, 4313(1998)
【非特許文献３】Y. Hashimoto et al., ”Coherent manipulation of magnetization precession in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with successive optical pumping”, Appl. Phys. Lett., 93, 202506(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
磁場を印加した磁性体の試料に対して、高繰り返しレーザによって発生させたパルス列を照射し、高繰り返しレーザの繰り返し周期と、試料の磁化の歳差運動の周期とを一致させたときに検出される磁気光学信号には、このときの共鳴現象を反映するピークが観測される。しかしながら、このときに生じるピークの強度は通常極めて小さいという問題がある。そのため、共鳴現象を高精度に観測できる技術が要望されている。
【００１０】
そこで、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、磁気共鳴分光法において磁性体の試料の磁気光学特性を精度よく測定することができる技術を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の磁気光学特性測定装置は、強磁性体の試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、レーザ光源と、磁場印加手段と、ビームスプリッタと、チョッパと、光弾性変調器と、光量検出手段と、第１のロックインアンプと、第２のロックインアンプと、演算手段と、を備えることとした。
【００１２】
かかる構成によれば、磁気光学特性測定装置において、モードロックレーザからなるレーザ光源によって、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射し、磁場印加手段によって、前記試料に磁場を印加する。そして、磁気光学特性測定装置において、ビームスプリッタによって、レーザ光源からの光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する。ここで、ビームスプリッタは、ポンプ光の割合の方が大きくなるように分離する。ポンプ光は、試料を励起するものでありプローブ光より強度が大きいことが望まれる。また、プローブ光は、励起された試料の磁気光学特性を観測するための光である。そして、試料を励起するポンプ光の光路中に配置されたチョッパは、入射するポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させ、プローブ光の光路中に配置された光弾性変調器は、入射するプローブ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。そして、この場合、ポンプ光及びプローブ光が試料の同じ部位に到達する。ここで、チョッピング周波数、変調周波数、光パルス列の繰り返し周波数はこの順序で大きくし、その間には１ケタ以上の差があることが望ましい。
【００１３】
そして、かかる構成の磁気光学特性測定装置において、光量検出手段は、光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する。そして、第１のロックインアンプは、前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する。この第１のロックインアンプは、光強度信号すなわちプローブ光が示す円二色性を通して、ポンプ光によって励起された磁化歳差運動を光強度変化検出信号として検出する。そして、第２のロックインアンプは、前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する。この第２のロックインアンプは、光強度変化検出信号を通して、ポンプ光によって励起された磁化歳差運動として、ポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出する。このように、高繰り返し周期の光パルス列から分離されて試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光を用いると共に、参照信号の周波数の異なる２つのロックインアンプによってポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出するので、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを効率的に省くことができる。
【００１４】
そして、かかる構成の磁気光学特性測定装置において、演算手段は、光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの前記試料の前記磁気光学特性を算出する。この演算手段は、前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出する。磁気光学特性測定装置は、第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号から、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを省くことができるので、高繰り返しパルス光照射により誘起される磁気共鳴現象を高精度に測定することができる。
【００１５】
また、請求項２に記載の磁気光学特性測定装置は、請求項１に記載の磁気光学特性測定装置において、前記磁気特性測定装置が、前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備えることとした。
【００１６】
かかる構成によれば、磁気光学特性測定装置において、前記演算手段は、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出する。
【００１７】
これにより、磁気光学特性測定装置は、移動ステージ上の反射板を移動させて、ポンプ光とプローブ光との光路長差を変化させることで、試料に到達する時間差を遅延時間として設定することができる。ここで、遅延時間は光パルス列の繰り返し周期以下である。磁気光学特性測定装置は、移動ステージ上の反射板の位置が、遅延時間と、光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の位置において、試料の磁化の歳差運動が光パルス列の繰り返し周期に同期するときの外部磁場を試料に印加し、かつ、ポンプ光およびプローブ光を試料に照射したときに、演算手段によって、試料の磁気光学特性を算出する。この場合の移動ステージ上の反射板の位置は、共鳴条件を満たすので、この位置により、共鳴したときの磁場の最低値を求めることができる。したがって、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
【００１８】
また、前記目的を達成するために、請求項３に記載の磁気光学特性測定方法は、強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザからなるレーザ光源と、磁場印加手段と、ビームスプリッタと、チョッパと、光弾性変調器と、光量検出手段と、参照信号の周波数が異なる２つのロックインアンプと、当該試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を算出する演算手段とを備える磁気光学特性測定装置の磁気光学特性測定方法であって、以下の工程を含むこととした。
【００１９】
すなわち、磁気光学特性測定方法は、第１の工程として、前記レーザ光源によって、前記高繰り返し周期の光パルス列を発生し、第２の工程として、前記磁場印加手段によって、前記試料に磁場を印加する。なお、第１および第２の工程は並行に行う。そして、第３の工程として、前記ビームスプリッタによって、前記光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する。第４の工程として、前記チョッパによって、前記ポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させる。第５の工程として、前記光弾性変調器によって、前記プローブ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。なお、第４および第５の工程は並行に行う。第６の工程として、前記光量検出手段によって、前記光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する。第７の工程として、第１のロックインアンプによって、前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する。第８の工程として、第２のロックインアンプによって、前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する。第９の工程として、前記演算手段によって、前記光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの当該試料の前記磁気光学特性を算出する。この演算手段は、前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出する。
【００２０】
また、請求項４に記載の磁気光学特性測定方法は、請求項３に記載の磁気光学特性測定方法において、前記磁気特性測定装置は、前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備え、前記演算手段が、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出することとした。
【００２１】
かかる手順によれば、磁気光学特性測定装置は、移動ステージ上の反射板の位置が、遅延時間と、光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の位置において、試料の磁化の歳差運動が光パルス列の繰り返し周期に同期するときの外部磁場を試料に印加し、かつ、ポンプ光およびプローブ光を試料に照射したときに、演算手段によって、試料の磁気光学特性を算出する。この場合の移動ステージ上の反射板の位置は、共鳴条件を満たすので、この位置により、共鳴したときの磁場の最低値を求めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１または請求項３に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置において、高繰り返し周期の光パルス列から分離されて試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光を用いると共に、参照信号の周波数の異なる２つのロックインアンプによってポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出するので、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを効率的に省くことができる。したがって、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを省くことができるので、高繰り返しパルス光照射により誘起される磁気共鳴現象を高精度に測定することができる。
【００２３】
請求項２または請求項４に記載の発明によれば、磁気光学特性測定装置は、強磁性体の試料の磁気異方性を一意に特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気光学特性測定装置の構成図である。
【図２】本発明における磁化の歳差運動を示す概念図であって、（ａ）は平衡状態、（ｂ）はパルス光の照射直後、（ｃ）はパルス光の照射後に磁化が向く方向をそれぞれ示している。
【図３】本発明において、２本連続したパルス光を試料に照射した場合の磁化の歳差運動を説明するための概念図であり、（ａ）は、１本目のパルス光を照射後の磁化の振る舞い、（ｂ１）は、共鳴条件での１本目の照射による磁化の歳差運動の終了時点、（ｃ１）は、共鳴条件での２本目の照射による磁化の歳差運動をそれぞれ示し、（ｂ２）は、非共鳴条件での１本目の照射途中の磁化の振る舞い、（ｃ２）は、非共鳴条件での２本目の照射後の磁化の振る舞いをそれぞれ示す。
【図４】本発明において、光パルス列を試料に照射したときの計算結果を示す図であり、（ａ）は有効内部磁場の傾き角の時間変化を示し、（ｂ）〜（ｄ）はダンピングファクタαを0.01として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフを示したものであって、（ｂ）はδＭx、（ｃ）はδＭy、（ｄ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図５】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭyのｒ依存性、（ｂ）はδＭzのｒ依存性をそれぞれ示している。
【図６】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを0として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図７】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを1/4として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図８】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを1/3として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図９】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.1、ｒを1/2として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１０】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを0として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１１】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを1/4として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１２】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを1/3として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１３】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.01、ｒを1/2として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１４】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを0として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１５】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを1/4として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１６】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを1/3として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１７】本発明において、光パルス列を試料に照射してダンピングファクタαを0.001、ｒを1/2として有効内部磁場に応じて計算したＭＯ信号の一例を示すグラフであり、（ａ）はδＭx、（ｂ）はδＭy、（ｃ）はδＭzをそれぞれ示している。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る磁気光学特性測定装置の構成図である。
【図１９】本発明の第２実施形態に係る磁気光学特性測定装置の計算機の構成例を示すブロック図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る磁気光学特性測定装置による磁気光学特性測定方法の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面を参照して本発明の磁気光学特性測定装置および磁気光学特性測定方法を実施するための実施形態について詳細に説明する。以下では、説明の都合上、第１実施形態として、１．磁気光学特性測定装置の構成、２．磁気光学特性測定の流れ、３．理論モデル、４．計算機シミュレーションによる具体例の各章について説明し、次いで、第２実施形態として、５．磁気光学特性測定装置の構成、６．磁気光学特性測定装置の計算機の構成例、７．磁気光学特性測定動作の流れの各章を説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
［１．磁気光学特性測定装置の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気光学特性測定装置の構成図である。
磁気光学特性測定装置１は、所定の繰り返し周期ｔrepのレーザ光を強磁性体の試料Ｆに照射することで、当該試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffもしくは異方性磁場Ｈaniを含む磁気光学特性を測定するものである。
【００２７】
磁気光学特性測定装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、ビームスプリッタ３と、反射板４と、チョッパ５と、ＰＥＭ（光弾性変調器）６と、集光レンズ７と、基板８と、磁場印加手段９と、ＰＤ（光量検出手段）１０と、光遮蔽板１１と、ロックインアンプ（第１のロックインアンプ）１２と、ロックインアンプ（第２のロックインアンプ）１３と、計算機（演算手段）１４と、チョッパ制御手段１５と、ＰＥＭ制御手段１６と、磁場制御手段１７とを備えている。
【００２８】
レーザ光源２は、強磁性体の試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期ＴMに同期可能な繰り返し周期ｔrepの光パルス列を発生し試料Ｆに照射するものであり、モードロックレーザからなる。ここで、レーザ光源２の繰り返し周波数ｆL（＝１／ｔrep）は、磁気光学特性測定対象の試料に応じて、例えば、100［ＭＨｚ］から１［ＴＨｚ］の範囲で予め設定しておく。また、レーザ光源２の繰り返し周期ｔrepは、試料Ｆの磁化の歳差運動の周期ＴMよりも小さいことが好ましい。
【００２９】
本実施形態では、レーザ光源２の一例として、繰り返し周波数ｆLが例えば３〜５［ＧＨｚ］のモードロックレーザを使用するものとして説明する。なお、この場合、レーザ光源２は、３［ＧＨｚ］の一定の繰り返し周波数のパルスレーザを出力する専用装置としてもよいし、繰り返し周波数を３［ＧＨｚ］で出力するモードと、５［ＧＨｚ］で出力するモードとを切り替えることのできる汎用装置としてもよい。
【００３０】
ビームスプリッタ３は、レーザ光源２からの光パルス列を、試料Ｆにそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離するものである。ビームスプリッタ３は、ポンプ光の割合が多くなるように分離する。ポンプ光とプローブ光とを分離する割合は、所望の条件に応じて、例えば、９：１〜100：１等の範囲で適宜変更するようにしてもよい。なお、偏光素子として、直線偏光板をさらに備える構成としてもよい。
【００３１】
この光学系において、ビームスプリッタ３で分離して方向を変えて、反射板４で反射したポンプ光はチョッパ５を介して試料Ｆに入射する。また、ビームスプリッタ３で分離して直進するプローブ光はＰＥＭ６を介して試料Ｆの同じ部位に入射する。また、本実施形態では、図１に示すように、ポンプ光およびプローブ光は、集光レンズ７によりそれぞれ集光して試料Ｆに照射できるように構成した。
【００３２】
チョッパ５は、試料Ｆに照射されるポンプ光のパス（光路）の途中に配置され、入射するポンプ光を予め定められたチョッピング周波数ｆcで交互に遮断または透過させるものである。チョッパ５は、例えば複数の羽根が円形に配置されたタイプの光チョッパや、周方向に透明部と遮光部とが交互に配置された回転ディスクタイプの光チョッパ等から構成されている。
【００３３】
チョッパ制御手段１５は、チョッパ５を回転させるコントローラであり、チョッパ５の繰返し周波数ｆcの信号をロックインアンプ１３に入力する。この繰返し周波数ｆcは、例えば、500［Ｈｚ］とすることができる。
【００３４】
ＰＥＭ（Photo Elastic Modulator：光弾性変調器）６は、試料Ｆに照射されるプローブ光のパスの途中に配置され、入射するプローブ光を予め定められた変調周波数ｆp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。ＰＥＭ６は、等方性の透明光学材料と圧電素子で構成されている。ＰＥＭ６で変調されたプローブ光は円二色性を示すこととなる。
【００３５】
ＰＥＭ制御手段１６は、ＰＥＭ６を振動させるコントローラであり、ＰＥＭ６の変調周波数ｆPの信号をロックインアンプ１２に入力する。この変調周波数ｆPは、例えば、50［ｋＨｚ］とすることができる。チョッパの繰返し周波数をｆc、ＰＥＭ６の変調周波数をｆP、レーザ光の繰返し周波数をｆLとすると、これら各周波数の関係は、ｆc≪ｆP≪ｆLを満たすようにする。
【００３６】
基板８は、例えば、数〜数十［ｎｍ］程度の薄い膜状の試料Ｆを固定するために設けられた試料台であり、試料Ｆを固定することができれば、そのサイズ、形状、材質等が限定されるものではない。例えば、試料Ｆを基板８上にスパッタリング法等により積層する場合には、シリコン（Ｓｉ）やガラス等の一般的な基板材料を用いることができる。このとき、基板８の厚さや大きさは数［ｍｍ］程度とすることができる。
【００３７】
磁場印加手段９は、基板８に固定された試料Ｆに所定の磁場を印加するものであり、例えば、電磁石で構成される。この磁場印加手段９から試料Ｆに磁場を印加することで、試料Ｆにおいて磁化の歳差運動の周期を変化させることができる。本実施形態では、磁場印加手段９で印加する磁場（外部磁場Ｈext）の方向を、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniの方向と平行であるものとした。つまり、一例として、試料Ｆの有効内部磁場Ｈeffの方向が面直方向である場合には、図１に示すように、磁場印加手段９は、試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設される。なお、試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの大きさ（値）の変化に応じて、試料Ｆにおける有効内部磁場Ｈeffの大きさは変化し、外部磁場Ｈextが試料Ｆに印加されていない場合には、有効内部磁場Ｈeffの大きさは異方性磁場Ｈaniの大きさと等しくなる。磁場印加手段９が印加する磁場の大きさは、磁場制御手段１７によって制御される。磁場制御手段１７は、計算機１４からの指令により磁場の大きさを変化させる。
【００３８】
ＰＤ（光量検出手段）１０は、ＰＥＭ６で変調されたプローブ光が試料Ｆで反射した反射光を受光した光強度を検出するものであり、例えば、一般的なフォトダイオードから構成される。本実施形態では、ポンプ光およびプローブ光が試料Ｆで反射した反射光のうち、プローブ光のみをＰＤ１０が受光するために、ＰＤ１０の前段に、光遮蔽板１１が設けられている。光遮蔽板１１はポンプ光の反射光を遮り、プローブ光の反射光だけが透過できるようにする。ＰＤ１０が検出した反射光の光強度信号（電気信号）は、ロックインアンプ１２に入力される。
【００３９】
ロックインアンプ（第１のロックインアンプ）１２は、インプット（IN1）がＰＤ１０に接続され、リファレンス（REF1）がＰＥＭ制御手段１６に接続され、アウトプット（OUT1）がロックインアンプ１３のインプット（IN2）に接続されている。ロックインアンプ１２は、ＰＥＭ制御手段１６から入力する参照信号（変調周波数ｆpの信号）を用いて、ＰＤ１０から出力される光強度信号（電気信号）の変化を検出した光強度変化検出信号をロックインアンプ１３に出力するものである。このロックインアンプ１２における積算時間ｔ1は、チョッパの繰返し周波数をｆc、ＰＥＭ６の変調周波数をｆPとした場合に、１／ｆp＜ｔ1＜１／ｆcとなるようにする。
【００４０】
ロックインアンプ（第２のロックインアンプ）１３は、インプット（IN2）がロックインアンプ１２のアウトプット（OUT1）に接続され、リファレンス（REF2）がチョッパ制御手段１５に接続され、アウトプット（OUT2）が計算機１４に接続されている。ロックインアンプ１３は、チョッパ制御手段１５から入力する参照信号（チョッピング周波数ｆcの信号）を用いて、ロックインアンプ１２から出力される光強度変化検出信号を周波数変換して、試料Ｆからの反射光の偏光成分（磁気光学信号）を検出するものである。ロックインアンプ１３は、ポンプ光によって励起された磁化歳差運動として、チョッパ５によってポンプ光が試料Ｆに照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出する。ロックインアンプ１３は、この検出した磁気光学信号（magneto-optical信号：以下、ＭＯ信号という）を計算機１４に出力する。ロックインアンプ１３における積算時間ｔ２は、チョッパの繰返し周波数をｆcとすると、ｔ２＞１／ｆcとなるようにする。
【００４１】
計算機（演算手段）１４は、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepに、試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期ＴMを同期させた共鳴条件を満たすときの試料Ｆの磁気光学特性を算出するものであり、例えば、一般的なパーソナルコンピュータ等から構成される。計算機１４は、共鳴条件として、試料Ｆに印加した磁場Ｈextと、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepと、ロックインアンプ１３で検出したＭＯ信号と、ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいた後記する理論モデルを用いて解析することで、試料Ｆの磁気光学特性を算出する。計算機１４は、試料Ｆの磁気光学特性として、例えば、有効内部磁場Ｈeffの値やパラメータα（以下、ダンピングファクタαという）の値を決定する。
【００４２】
［２．磁気光学特性測定の流れ］
磁気光学特性測定装置１による磁気光学特性測定の流れについて図１を参照して説明する。本実施形態の磁気光学特性測定方法は、以下の第１ないし第９の工程を含んで実行するものである。予め、磁気光学特性測定装置１を図１のように配置し、基板８に試料Ｆを固定する。まず、第１の工程として、レーザ光源２によって、高繰り返し周期ｔrepの光パルス列を発生し、第２の工程として、磁場印加手段９によって、試料Ｆに磁場Ｈextを印加する。なお、第１および第２の工程は並行に行う。
【００４３】
そして、第３の工程として、ビームスプリッタ３によって、光パルス列を試料Ｆにそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する。第４の工程として、チョッパ５によって、ポンプ光をチョッピング周波数ｆcで交互に遮断または透過させ、第５の工程として、ＰＥＭ６によって、プローブ光を変調周波数ｆp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。なお、第４および第５の工程は並行に行う。
【００４４】
そして、第６の工程として、ＰＤ１０によって、ＰＥＭ６で変調されたプローブ光が試料Ｆで反射した反射光を受光した光強度を検出する。第７の工程として、ロックインアンプ１２によって、ＰＥＭ６の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、ＰＤ１０が検出する光強度信号を入力して、参照信号により光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する。第８の工程として、ロックインアンプ１３によって、チョッパ５のチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、光強度変化検出信号を入力して、参照信号により光強度変化検出信号を周波数変換して検出したＭＯ信号を出力する。
【００４５】
そして、第９の工程として、計算機１４によって、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepに、試料Ｆの磁化の光励起歳差運動の周期ＴMを同期させた共鳴条件を満たすときの当該試料の磁気光学特性を算出する。この計算機１４は、共鳴条件として、試料に印加した磁場Ｈextと、光パルス列の高繰り返し周期ｔrepと、ロックインアンプ１３で検出したＭＯ信号Θと、ポンプ光とプローブ光との遅延時間ｔintとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料の磁気光学特性を算出する。
【００４６】
［３．理論モデル］
この章では、３．１磁化の歳差運動、３．２磁化の歳差運動の干渉、３．３ＭＯ信号の各節について順次説明することとする。
＜３．１ 磁化の歳差運動＞
まず、理論モデルの前提として、磁化の歳差運動について説明する。理論モデルを説明するための概念図を図２に示す。図２では、薄い膜状の試料Ｆが固定される平面をｘｙ平面、その平面の法線方向をｚ軸として示した。つまり、レーザ光源２から照射されるパルス光の照射方向は、ｚ軸方向である。また、図２（ａ）に示す平衡状態においては、試料Ｆの磁化ベクトルＭ（以下、単に磁化Ｍという）と有効内部磁場ベクトルＨeff（以下、単に有効内部磁場Ｈeffという）は、図示するようにｘ軸方向に向いているものとする。
【００４７】
つまり、磁化Ｍは、式（１）で表され、同様に、有効内部磁場Ｈeffは式（２）で表される。なお、式（１）に示すＭsは磁化のｘ成分の大きさ（飽和磁化）を表し、式（２）に示すＨ0は有効内部磁場のｘ成分の大きさを表している。
【００４８】
【数１】
【００４９】
この平衡状態において、光を磁性体に照射すると、物質の温度上昇やキャリア濃度の変化により磁気異方性が変化する。ここでは、図２（ｂ）に示すように、レーザ光源２から試料Ｆに照射されるパルス光の照射直後に、パルス光に起因した磁気異方性の変化が生じて、有効内部磁場Ｈeffがｚ軸方向に向かって角度θだけ傾くと仮定する。したがって、パルス光の照射直後においては、有効内部磁場を示す関係式は、前記した式（２）から式（３）へと書き換えられる。また、このとき、スピンには、磁化Ｍと異方性磁場Ｈaniを含む平面に対して垂直な方向に、式（４）で表されるトルクＦがかかる。なお、式（４）において、記号「×」は外積を表し、γは磁気回転比を表す。
【００５０】
【数２】
【００５１】
したがって、式（４）で表されるトルクＦにより磁化Ｍは歳差運動を始めることになる。パルス光の照射後において、磁化Ｍの歳差運動は、図２（ｃ）に示すように、有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする円運動を示す。磁化Ｍの歳差運動の時間変化は、ＬＬＧ方程式と呼ばれる式（５）を用いてよく再現できる（非特許文献１参照）。
【００５２】
【数３】
【００５３】
パルス光照射により誘起された磁化Ｍの歳差運動は、時間の経過にしたがって小さくなる。これをダンピングといい、その挙動は、式（５）に示すダンピングファクタα（Gilbert減衰定数）を用いて表現される。仮にダンピングファクタαを０とすると、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴMは、式（６）を用いて求められる。式（６）において、ｆMは歳差運動の振動数（１／ＴM）、ｈはプランク定数、μBはボーア磁子、ｇはｇ因子をそれぞれ示している。
【００５４】
【数４】
【００５５】
磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／ｆM）は、式（６）に示す定数部分を無視すると、ｇ因子と有効内部磁場Ｈeffの値に依存していることが分かる。また、周期ＴMは、試料Ｆの種類や実験条件などに強く依存し、おおよそピコ秒からサブナノ秒であることが、これまでの実験を通して確かめられている（非特許文献１参照）。
【００５６】
＜３．２ 磁化の歳差運動の干渉＞
ここで、磁化Ｍの歳差運動の干渉を説明するために、２本の連続したパルス光を磁性体に照射することを想定する。また、磁性体の磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／ｆM）と、レーザの繰り返し周期ｔrep（＝１／ｆL）とが同期するときに磁性体に生じている有効内部磁場Ｈeffのことを、「共鳴が起こる磁場Ｈres」と表記し、式（７）で表すこととする。また、これを共鳴条件と呼ぶことにする。このとき、共鳴が起こる磁場Ｈresは、式（８）のように表される。
【００５７】
【数５】
【００５８】
式（８）において、繰返し周波数ｆLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、0.1785［Ｔ］と見積もられる。
【００５９】
式（８）は、前記した式（６）に類似しているが、例えば５［ＧＨｚ］のように固定されたレーザの繰り返し周波数ｆL（＝１／ｔrep）と、それに伴ってある所定値に固定された有効内部磁場Ｈeff（共鳴が起こる磁場Ｈres）との関係式である。
【００６０】
一方、前記した式（６）は、磁化Ｍの歳差運動の周期ＴM（＝１／ｆM）と、有効内部磁場Ｈeffとの関係式であり、いずれも変動する。そのため、磁化Ｍの挙動は、この変更可能なパラメータとしての有効内部磁場Ｈeffを変化させることで制御可能である。
【００６１】
ここで、２本の連続したパルス光を照射した場合の磁化Ｍの概念図を、図３を参照して説明する。図３（ａ）、図３（ｂ１）、及び、図３（ｃ１）には、共鳴条件である式（７）の場合における２本の連続したパルス光を照射した場合の磁化Ｍの歳差運動の振る舞いを示す。また、図３（ａ）、図３（ｂ２）、及び、図３（ｃ２）には、共鳴条件からずれた場合、ここでは、前記した式（７）の関係を満たさない場合としてＨeff＝Ｈres／２となる条件での磁化Ｍの歳差運動の振る舞いを示す。
【００６２】
前記した式（７）の関係を満たす共鳴条件の場合の磁化Ｍの振る舞いは、図３（ａ）において、１本目のパルス光を照射後、磁化Ｍは有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする歳差運動を始める。そして、図３（ｂ１）に示すように、磁化Ｍは有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする歳差運動を行い一周する。次に、共鳴条件、すなわち、Ｈeff＝Ｈresにおいて、２本目のパルス光を照射すると、磁化Ｍと有効内部磁場Ｈeffとがなす角度は、図３（ｃ１）に示すように、１本目のパルス光による歳差運動（図３（ａ））の場合の角度の２倍になり、歳差運動の振幅も２倍となる。
【００６３】
また、共鳴条件からずれた場合、Ｈeff＝Ｈres／２においての磁化Ｍの振る舞いは、図３（ａ）の状態から、図３（ｂ２）に示すように、磁化Ｍは有効内部磁場Ｈeffを中心軸とする歳差運動を始めるが、半周した後に歳差運動を停止する。そして、共鳴条件からずれた条件（非共鳴条件）では、２本目のパルス光を照射すると、図３（ｃ２）に示すように、磁化Ｍと有効内部磁場Ｈeffは平行となり、磁化Ｍの歳差運動はなくなる。
【００６４】
＜３．３ＭＯ信号＞
≪３．３．１．シミュレーション条件≫
有効内部磁場Ｈeffの向きは格子温度に依存する。このため、光照射により試料の格子温度が上昇すると、有効内部磁場Ｈeffの向きも傾く。ポンプ光パルスを１つ試料に照射すると、有効内部磁場Ｈeffの向きが５マイクロラジアンだけ傾き、この変化は10ナノ秒で緩和すると仮定する。つまり、格子温度の緩和時間を10ナノ秒に設定した。ここでは、有効内部磁場Ｈeffの傾き角度の時間変化をθ（ｔ）とする。高繰り返しパルスレーザ光の繰返し周期を５ＧＨｚとすると、繰り返し時間ｔrepが200ピコ秒でポンプ光が試料に照射される。この条件のときには、ポンプ光照射による傾き角度θの変化が緩和する前に次のポンプ光が照射されるため、傾き角度θの変化の蓄積が起こる。また、このとき、光照射後の格子温度を反映する傾き角度は、式（９）で表される。
【００６５】
【数６】
【００６６】
ここで、δ（ａ)は、a＜Oの場合にが０となり、a≧０の場合には１となるステップ関数である。ｔintは、ポンプ光とプローブ光との遅延時間を示し、ｎは、ポンプ光またはプローブ光が何本目のものであるかを示す整数である（ｎ＝０，１，２，…）。なお、式（９）において５μは５マイクロラジアンを示し、10nsは10ナノ秒を示す
【００６７】
式（９）に示す傾き角度θ（ｔ)をシミュレーションにより計算した結果を図４（ａ)に示す。図４（ａ）のグラフの横軸は、ポンプ光が照射され始めてからの通算の経過時間を示し、縦軸は傾き角度θを示す。図４（ａ)に示すように、ポンプ光照射による傾き角度θの増大と、格子温度の冷却による傾き角度θの減少とのために、ポンプ光が照射され始めて通算で50ナノ秒（50×103［ｐｓ］）以上経過した時点ではおおよそ準平衡状態になっている。この準平衡状態では、傾き角度θは、およそ250ミリラジアン（250×10-6［rad.］）となっている。
【００６８】
そこで、以下の計算では、ポンプ光が照射され始めてから100ナノ秒（100×103［ｐｓ］）以降に照射された光によって観測されるＭＯ信号Θを計算した。ここでは、計算時間や計算機性能の制約とため、上限を200ナノ秒（200×103［ｐｓ］）として、図４（ａ)に示す100〜200ナノ秒までの傾き角度θ（ｔ）の現象についてＭＯ信号Θを計算した。つまり、この条件では、500本の連続したポンプ光照射に続いて、501〜1000本までの連続したポンプ光により蓄積される傾き角度θの変化を観測した。
【００６９】
≪３．３．２．ＭＯ信号の具体例１≫
簡便のため、まず最初に、プローブ光がポンプ光に対して十分弱いと仮定する（ケース１）。この場合、プローブ光照射により傾き角度θは変化せず、かつ、ポンプ光とプローブ光とが同時に試料Ｆに照射されると考えられる。このときのＭＯ信号は、式（１０ａ）〜式（１０ｅ）で表される。
【００７０】
【数７】
【００７１】
式（１０ａ）〜式（１０ｅ）において、ｎはポンプ光が何本目のものであるかを示す整数である（ｎ＝501，…）。また、式（１０ｂ）に示すΘx、Θy、Θzは、試料の種類や温度などの実験条件に依存し、観測されるＭＯ信号Θの偏光依存性や波長依存性などから評価する重みを表している。また、δＭxn、δＭyn、δＭznは、直接観測するものではなく、式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）により計算で求めるものである。
【００７２】
式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）の右辺において、ｔrepは、パルスの繰り返し周期（１／ｆL）を示し、Ｍxn（ｎｔrep）、Ｍyn（ｎｔrep）、Ｍzn（ｎｔrep）は、ｎ本目のポンプ光を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示し、Ｍsは飽和磁化を示す。
【００７３】
また、式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）の左辺にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、ｎ本目のポンプ光による磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の変化を表している。ここで、非特許文献２の手法にならって、連続するパルス光照射によって誘起される異方性磁場の変化が、個々のパルス光照射により誘起される異方性磁場の変化の線形和であるものとして、以下の式（１１ａ）〜式（１１ｃ）にそれぞれ示すように、ｎで識別される複数本の連続して出力されるポンプ光によって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを、ＭＯ信号の各成分に相当する量として計算する。
【００７４】
【数８】
【００７５】
図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）を前記した式（５）のＬＬＧ方程式に代入して、ダンピングファクタαを0.01として、式（１１ａ）〜式（１１ｃ）により、異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを求めた。このときの結果を、図４（ｂ）〜図４（ｄ）にそれぞれ示す。図４（ｂ）〜図４（ｄ）のグラフの横軸は、試料の有効内部磁場Ｈeffを示し、縦軸は信号強度を示す。縦軸のメモリは、他のグラフとの比較のために付した任意単位（a.u.）の数値であるが、この数値の絶対値が大きいほど高精度の測定ができることを表す。これにより、δＭxについては、δＭy、δＭzに比べて強度が３桁ほど小さいことが分かる。なお、式（１１ａ）〜式（１１ｃ）の計算では、図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）において、ｎ＝501〜1000のシグマをとり、分母のｎは500とした。
【００７６】
図４（ｂ）〜図４（ｄ）にそれぞれ示すように、異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzを示す波形には、有効内部磁場Ｈeffの値が、次の式（１２）に示す磁化歳差運動とレーザの繰り返し周波数が共鳴する条件を満たす場合においてピークが現れている。
【００７７】
【数９】
【００７８】
ここで、Ｎは自然数、Ｈresは前記した式（７）で与えられる共鳴が起こる磁場である。Ｎ＝１の場合、式（１２）は前記した式（７）と等価である。例えば、繰返し周波数ｆLの値を５［ＧＨｚ］、ｇ因子の値を「２」としたときに、共鳴が起こる磁場Ｈresの値は、0.1785［Ｔ］であったので、Ｎ＝２の場合、磁場Ｈeffの値は、0.357［Ｔ］となる。これは、他の条件を維持しつつ外部磁場の大きさだけを変化させることで実現できる。
【００７９】
≪３．３．３．外部磁場とＭＯ信号との関係≫
外部磁場Ｈext中にある強磁性体の有効内部磁場Ｈeffは、式（１３）で記述される。この式（１３）において、Ｈdemは反磁場を示す。ここでは、ＨaniがＨdemに比べて十分大きいものと仮定しＨdem＝０とした式（１４）を用いることとする。このとき、異方性磁場Ｈaniは、式（１５）より求められる。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
共鳴が起こる磁場Ｈresは、前記した式（８）の関係式から、レーザの繰返し周期ｔrep（＝１／ｆL）によって決まる。そのため、有効内部磁場Ｈeffの値が、共鳴が起こる磁場Ｈresの値と等しいとき、すなわち、共鳴条件を満たすときに、外部磁場Ｈextを決定できれば、異方性磁場Ｈaniが決定できることを式（１４）および式（１５）は示唆している。なお、本実施形態では、外部磁場Ｈextの方向と、異方性磁場Ｈaniの方向とを平行であるものとして取り扱うことで、式（１５）においてベクトルである磁場をスカラーとして取り扱うこととする。
【００８２】
共鳴条件を満たす外部磁場Ｈextを決定することは、ＭＯ信号を外部磁場Ｈextに対して系統的に観測することで実現できる。つまり、試料Ｆに所定値の外部磁場Ｈextを印加した状態で、連続パルスを照射したときに、ロックインアンプ１３でＭＯ信号を検出し、計算機１４で解析した結果、共鳴条件を満たさなければ、外部磁場Ｈextの値を変更して同様な操作を繰り返せばよい。
【００８３】
≪３．３．４．ＭＯ信号の具体例２≫
次に、ポンプ光とプローブ光が試料に照射される遅延時間ｔintを考慮した場合のＭＯ信号Θを説明する（ケース２）。このときのＭＯ信号では、前記した式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）にそれぞれ示すδＭxn、δＭyn、δＭznは、次の式（１６）〜式（１８）に書き換えて表される。
【００８４】
【数１１】
【００８５】
式（１６）〜式（１８）の右辺において、Ｍxn（ｎｔrep＋ｔint）、Ｍyn（ｎｔrep＋ｔint）、Ｍzn（ｎｔrep＋ｔint）は、ｎ本目のポンプ光の次のプローブ光を受けた時刻での磁化Ｍのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分の大きさを示す。
【００８６】
ここで、前記した式（１２）に示す外部磁場による共鳴条件を満たす場合において、さらに、ポンプ光とプローブ光との遅延時間ｔintを、次の式（１９）により、レーザ繰り返し周期ｔrepに関連付けることとした。
【００８７】
【数１２】
【００８８】
以下では、このｒを遅延パラメータと呼称する。ここで、遅延パラメータｒが自然数の逆数または０の場合には、磁化歳差運動とレーザの繰り返し周波数が共鳴する条件を満たす。遅延パラメータｒが自然数の逆数または０であれば、例えばレーザ繰り返し周期ｔrepを固定値としたときに、遅延時間ｔintを変数として所望の値に設定してもよいし、逆に、遅延時間ｔintを固定値としたときに、レーザ繰り返し周期ｔrepを変数として所望の値に設定してもよい。ここで遅延パラメータｒ＝０の場合とは、遅延時間ｔintが０の場合、すなわちプローブ光とポンプ光とが重なる場合（ケース１）を表す。よって、前記した式（１６）〜式（１８）においてｔintが０の場合には前記した式（１０ｃ）〜式（１０ｅ）と等価となる。
【００８９】
図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）を前記した式（５）のＬＬＧ方程式に代入して、ダンピングファクタαを0.01として、式（１６）〜式（１９）により、異方性磁場の変化δＭy、δＭzを求めた。遅延パラメータｒを0または1/2としたときの結果を、図５（ａ）〜図５（ｂ）にそれぞれ示す。
【００９０】
図５（ａ）〜図５（ｂ）のグラフは、図４（ｃ）〜図４（ｄ）と同様なグラフであり、遅延パラメータｒを０としたときの結果を実線で、ｒを1/2としたときの結果を破線でそれぞれ示す。なお、δＭxについては、δＭy、δＭzに比べて強度が３桁ほど小さいので、図示を省略した。また、式（１７）〜式（１８）の計算では、図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）において、ｎ＝501〜1000のシグマをとり、分母のｎは500とした。図５（ａ）〜図５（ｂ）にそれぞれ示すように、異方性磁場の変化δＭy、δＭzを示す波形は、遅延パラメータｒの値に強く依存する。
【００９１】
このように観測される信号は、ポンプ光とプローブ光の間の遅延時間ｔint（つまり遅延パラメータｒ）に依存するので、ポンプ光とプローブ光のどちらかの光のパスに、ポンプ光とプローブ光との光路長差を可変する移動ステージを設置して遅延時間を制御することが望ましい。移動ステージを設置した形態については第２実施形態として後記する。
【００９２】
［４．計算機シミュレーションによる具体例］
＜ｒ＝0、α＝0.1＞
図４（ａ）に示した傾き角度θ（ｔ）を前記した式（５）のＬＬＧ方程式に代入して、ダンピングファクタαを0.1として、遅延パラメータｒが０の場合を条件として、前記した式（１６）〜式（１８）で示される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭz（観測されるＭＯ信号Θに相当）の計算機シミュレーションにより求めた結果を、図６（ａ）〜図６（ｃ）にそれぞれ示す。図６（ａ）〜図６（ｃ）のグラフは、図４（ｂ）〜図４（ｄ）と同様なグラフであるが、ダンピングファクタαの値が異なっているため、異方性磁場の変化δＭy、δＭzを示す波形は異なっている。
【００９３】
＜ｒ＝1/4、α＝0.1＞
遅延パラメータｒを1/4に変更して、同様に求めた計算結果を、図７（ａ）〜図７（ｃ）にそれぞれ示す。
【００９４】
＜ｒ＝1/3、α＝0.1＞
遅延パラメータｒを1/3に変更して、同様に求めた計算結果を、図８（ａ）〜図８（ｃ）にそれぞれ示す。
【００９５】
＜ｒ＝1/2、α＝0.1＞
遅延パラメータｒを1/2に変更して、同様に求めた計算結果を、図９（ａ）〜図９（ｃ）にそれぞれ示す。
【００９６】
図６〜図９を一度に参照すると、ダンピングファクタαを0.1に固定して遅延パラメータｒを0、1/4、1/3、1/2に変化させた場合のδＭx、δＭy、δＭzの信号波形を比較することができる。
【００９７】
図１０〜図１３に、ダンピングファクタαを0.01に固定して遅延パラメータｒを0、1/4、1/3、1/2に変化させた場合のδＭx、δＭy、δＭzの信号波形をそれぞれ示す。
【００９８】
図１４〜図１７に、ダンピングファクタαを0.001に固定して遅延パラメータｒを0、1/4、1/3、1/2に変化させた場合のδＭx、δＭy、δＭzの信号波形をそれぞれ示す。
【００９９】
前記した式（６）は、簡便のため、ダンピングファクタαを０として導いたが、実際のダンピングファクタαは、強磁性金属でも強磁性半導体でも、0.1〜0.001のオーダーにあることが知られている。そのため、図６〜図１７に示す計算機シミュレーションの結果では、αを0.1〜0.001の範囲で変更して計算した。
【０１００】
図６〜図１７に示す計算結果から、遅延パラメータｒ（遅延時間ｔint）を制御して測定を行うことが重要であると結論付けられる。また、計算結果は、ダンピングファクタαの値にも強く依存する。このことから、観測された信号を前記した理論モデルを用いて解析することで、ダンピングファクタαの値を決定することができる。
【０１０１】
図６〜図１７に示す計算機シミュレーションの結果は、実際の実験系において外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどの影響がない理想的な状態で計算したものである。つまり、実際の測定系でＭＯ信号Θを測定したときに（δＭx、δＭy、δＭzの波形を測定したときに）、ノイズなどの影響がほとんど除去された場合、図６〜図１７に示すようなピークを持った波形が観測されることになる。
【０１０２】
なお、ｒ＝０の条件は、ポンプ光とプローブ光とが試料に同時に当たる現象を意味しており、実際の測定系では、ポンプ光とプローブ光とが試料に同時に当たっているタイミングを検出する手段を別に設けることが好ましい。このように遅延パラメータｒを先に算出および決定する代わりに、遅延パラメータｒを単にフィッティングパラメータとして捉え直して、実際の測定系でＭＯ信号Θを測定し（δＭx、δＭy、δＭzの波形を測定し）、測定された波形のピークの高さや線幅等の形状から、遅延パラメータｒを求めることも可能である。この場合には、実際の測定系において、ポンプ光とプローブ光とが試料に同時に当たっているタイミングを検出する手段を別に設ける必要がない。
【０１０３】
第１実施形態の磁気光学特性測定装置１によれば、ポンプアンドプローブ法とダブルロックイン法を、高繰り返しレーザを用いた磁気共鳴分光法に適用し、参照信号の周波数の異なる２つのロックインアンプ１２，１３によってポンプ光が照射されるときと照射されないときの磁気光学信号の差分を検出するので、外部の光によるノイズやポンプ光の散乱光によるノイズなどを効率的に省くことができる。したがって、高繰り返しレーザの繰り返し周期と磁化歳差運動の周期とが一致するときに共鳴現象を反映して観測される極めて小さいピークの強度を精度よく検出し、高繰り返しパルス光照射により誘起される磁気共鳴現象を高精度に測定することができる。
【０１０４】
（第２実施形態）
［５．磁気光学特性測定装置の構成］
図１８に示すように、第２実施形態の磁気光学特性測定装置１Ｂは、一例として、ポンプ光のパスに、ポンプ光とプローブ光との光路長差を可変する移動ステージを設置した形態であって、移動ステージ３０と、ステージ駆動手段３１とを備え、計算機１４Ｂは移動ステージ３０を動かす機能を有している。なお、図１に示した磁気光学特性測定装置１と同じ構成については、同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【０１０５】
移動ステージ３０上には、反射板３２が配設されている。反射板３２は、ビームスプリッタ３で分離したポンプ光を反射するものである。反射板３２で反射したポンプ光は、反射板４Ｂを介してチョッパ５に入射する。
【０１０６】
ステージ駆動手段３１は、計算機１４Ｂの制御のもと、移動ステージ３０を、ビームスプリッタ３で分離したポンプ光の進行方向に移動させるものである。ステージ駆動手段３１は、例えば、移動ステージ３０の図示しないスライダが配置される基台と、スライダを線形移動させる移動機構と、この移動機構を駆動するモータとを備えて構成される。ステージ駆動手段３１が移動ステージ３０を移動させることで、反射板３２も移動し、ポンプ光の光路長を変化させることができる。また、ステージ駆動手段３１の基台には、例えば、遅延パラメータｒに対応した目盛りを設けておくことができる。ステージ駆動手段３１は、遅延パラメータｒを示す指令値に応じて、例えば図示しないモータを回転させて移動ステージ３０を移動させる。なお、遅延パラメータｒを示す指令値は、例えばモータの回転数あるいは回転角、電流値、電圧値等に対応している。
【０１０７】
［６．磁気光学特性測定装置の計算機の構成例］
次に、磁気光学特性測定装置１Ｂの計算機１４Ｂの構成例について図１９を参照（適宜図１８参照）して説明する。ここでは、計算機１４Ｂは、共鳴磁場取得部４１と、外部磁場制御部４２と、レーザ光源制御部４３と、移動ステージ制御部４４と、ＭＯ信号取得部４５と、ＭＯ信号蓄積部４６と、共鳴条件取得部４７と、異方性磁場算出部４８と、フィッティングデータ記憶部４９と、減衰パラメータ算出部５０とを備えることとした。
【０１０８】
共鳴磁場取得部４１は、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動を、パルスの繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）に同期させるために試料Ｆに印加する外部磁場Ｈextの値を共鳴磁場として取得するものである。共鳴磁場取得部４１は、取得した外部磁場Ｈextの値を外部磁場制御部４２と異方性磁場算出部４８とに出力する。なお、試料に対して外部磁場Ｈextの値を複数取得するようにしてもよい。
【０１０９】
外部磁場制御部４２は、磁場印加手段９を制御して、磁場のオン／オフを切り替えたり、共鳴磁場取得部４１から取得した外部磁場Ｈextの値の磁場を試料Ｆに印加させたりするものである。レーザ光源制御部４３は、レーザ光源２を制御して、パルスレーザのオン／オフを切り替えるものである。
【０１１０】
移動ステージ制御部４４は、ステージ駆動手段３１を制御して、予め遅延パラメータｒに対応付けている目盛り位置に、移動ステージ３０を順次移動させるものである。ＭＯ信号取得部４５は、ロックインアンプ１３からＭＯ信号Θを取得し、ＭＯ信号蓄積部４６に格納する。ＭＯ信号蓄積部４６は、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、ＭＯ信号蓄積部４６は、共鳴磁場取得部４１で取得した外部磁場Ｈextの値も記憶する。
【０１１１】
共鳴条件取得部４７は、レーザ光源制御部４３および移動ステージ制御部４４を統括すると共に、ＭＯ信号蓄積部４６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、各データを比較することにより、現在の移動ステージ３０の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定するものである。この共鳴条件取得部４７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となったと判定したときに、その旨を異方性磁場算出部４８に通知する。また、このとき、現在の移動ステージ３０の位置に対応する遅延パラメータｒを異方性磁場算出部４８に出力する。共鳴条件取得部４７は、判定の結果、ＭＯ信号Θの絶対値が最小ではないと判定したときに、レーザ光源制御部４３および移動ステージ制御部４４と協働して、判定を繰り返す。
【０１１２】
異方性磁場算出部４８は、レーザ繰り返し周期ｔrep（＝１／νL）の値に基づいて、前記した式（８）により、共鳴が起こる磁場Ｈresを算出する。異方性磁場算出部４８は、算出した共鳴が起こる磁場Ｈresと、共鳴磁場取得部４１から取得した外部磁場Ｈextの情報とを用いて、前記した式（１５）により、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを算出する。異方性磁場算出部４８は、前記した式（１４）により、有効内部磁場Ｈeffの値を決定する。異方性磁場算出部４８は、算出した異方性磁場Ｈaniを図示しないディスプレイに表示すると共に、決定した有効内部磁場Ｈeffの値を減衰パラメータ算出部５０に出力する。なお、異方性磁場算出部４８は、取得した遅延パラメータｒを減衰パラメータ算出部５０に出力する。
【０１１３】
フィッティングデータ記憶部４９は、ＬＬＧ方程式による理論計算から予め求められた、ＭＯ信号の磁場依存性およびα依存性のデータ（以下、フィッティングデータという）を記憶するものであって、例えば一般的なメモリやハードディスク等から構成される。なお、有効内部磁場Ｈeffに対してＭＯ信号Θの絶対値が最小となるときの磁場の範囲に対して最適なダンピングファクタαの値を算出することが可能であれば、フィッティングデータは、予め変換テーブルとして備えるものでもよいし、演算に用いる所定の関数等の情報でもよい。
【０１１４】
減衰パラメータ算出部５０は、異方性磁場算出部４８から有効内部磁場Ｈeffの値を取得し、ＭＯ信号蓄積部４６に蓄積されているＭＯ信号Θのデータを参照して、フィッティングデータ記憶部４９に記憶されたフィッティングデータとフィッティングすることで、試料の磁気特性として、試料固有のダンピングファクタαの値を算出するものである。
減衰パラメータ算出部５０は、ＭＯ信号Θをフィッティングするときに、遅延パラメータｒを指標として用いてもよい。減衰パラメータ算出部５０は、ＭＯ信号Θをフィッティングすることで、遅延パラメータｒを算出することとしてもよい。
【０１１５】
［７．磁気光学特性測定の流れ］
次に、磁気光学特性測定装置１Ｂによる磁気光学特性測定の流れについて図２０を参照（適宜図１９参照）して説明する。磁気光学特性測定装置１Ｂは、計算機１４Ｂによって、共鳴条件（Ｎ＝Ｈeff／Ｈres）において試料Ｆに印加されていた外部磁場Ｈextの情報を予め取得しておく（ステップＳ１）。
【０１１６】
計算機１４Ｂは、試料Ｆの磁化Ｍの歳差運動が、連続したポンプ光に共鳴するときの移動ステージ３０の位置を探索するステージ位置探索段階（ステップＳ２〜Ｓ７）と、ステージ位置が決定されたときに、試料Ｆの異方性磁場Ｈaniを求める磁場算出段階（ステップＳ８）とを実行する。なお、ここで、順次変更されるステージ位置つまり反射板３２の移動する位置は、遅延パラメータｒのそれぞれの値と対応付けられている。
【０１１７】
ステージ位置探索段階では、パルスレーザ光をビームスプリッタ３でポンプ光とプローブ光とに分離する。そして、ポンプ光のパスに挿入した移動ステージ３０上の反射板３２を用いてポンプ光とプローブ光との遅延時間ｔintを制御し、ポンプ光とプローブ光とを試料Ｆに重ねて照射する。
【０１１８】
このステージ位置探索段階は、所定条件が成立するまで繰り返す一連の処理として、磁場印加手段９による処理（ステップＳ２）と、レーザ光源２による処理（ステップＳ３）と、ロックインアンプ１２，１３による処理（ステップＳ４）と、計算機１４Ｂによる処理（ステップＳ５，Ｓ６）とを協働して実行する。すなわち、ステップＳ２にて、磁場印加手段９は、予め取得した外部磁場Ｈextを試料Ｆに印加する。ステップＳ３にて、レーザ光源２は、連続した複数パルスのレーザ光をポンプ光およびプローブ光として出力する。ステップＳ４にて、ロックインアンプ１２，１３は、ポンプ光とプローブ光とを試料Ｆが反射した反射光のうち、プローブ光が示す磁気光学効果（偏光成分）を検出する。
【０１１９】
また、ステップＳ５にて、計算機１４Ｂは、ロックインアンプ１３で検出した偏光成分を、ＭＯ信号Θとして取得する。そして、ステップＳ６にて、計算機１４Ｂは、現在の移動ステージ３０上の反射板３２の位置で試料のＭＯ信号Θの絶対値が最小となったか否かを判定することで所定条件が成立したか否かを判定する処理を実行する。ＭＯ信号Θの絶対値が最小となっていない場合に（ステップＳ６：Ｎｏ）、計算機１４Ｂは、移動ステージ３０上の反射板３２を、遅延パラメータｒの値を変更した位置に移動させる処理（ステップＳ７）を実行する。一方、ＭＯ信号Θの絶対値が最小となった場合に（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、計算機１４Ｂは、この条件において検出したＭＯ信号Θおよび移動ステージ３０の位置と、取得した外部磁場の大きさＨextと、繰り返し周期ｔrepとの各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、試料Ｆの異方性磁場Ｈani、有効内部磁場Ｈeff、ダンピングファクタαの値をそれぞれ求める。
【０１２０】
なお、前記した計算機シミュレーションにおいて、ｒの値を変化させながら測定することは、移動ステージ３０を動かしながら測定することに相当する。また、ｒの値は、移動ステージ３０の位置から一義的に決定できる。このため、移動ステージ３０を移動させながらＭＯ信号を観測すると、共鳴条件であるＨeff／Ｈresを示す自然数Ｎの値に依存して、ポンプ光によって誘起される異方性磁場の変化δＭx、δＭy、δＭzの振る舞いが観測される。
【０１２１】
第２実施形態の磁気光学特性測定装置１Ｂによれば、移動ステージ３０を移動させながら実際に観測したＭＯ信号の波形と、計算から導かれる理論的な信号の波形とを比較することで、異方性磁場Ｈaniが未知の試料であっても、Ｈeff／Ｈresの値を推定でき、その結果、異方性磁場Ｈaniの値を一意に決定することができる。また、磁気光学特性測定装置１Ｂによれば、ダンピンファクタαの値も決定することができる。
【０１２２】
以上、各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で様々に実施することができる。例えば、各実施形態では、磁場印加手段９を試料Ｆに対して面直磁場を印加できるように配設したが、磁場印加手段９を試料Ｆに対して面内磁場を印加できるように配設してもよい。これにより、有効内部磁場Ｈeffの方向が面内方向である試料も測定対象とすることができる。なお、磁場印加手段が、面直磁場を印加するモードと、面内磁場を印加するモードに対応するように、両方の構成を備えるか、または、両方のモードを兼ねるように配置を切り替えることができるように構成するようにしてもよい。
【０１２３】
また、各実施形態では、プローブ光が試料Ｆで反射した反射光の光強度を検出するようにＰＤ１０を配設したが、これに代えて、プローブ光が試料Ｆを透過した透過光の光強度を検出できるようにＰＤ１０を配設してもよい。なお、この場合、試料Ｆを固定する基板８の中心位置を薄く形成するか、基板８の中心位置に穴を設けておき、透過光の経路とする。
【０１２４】
また、各実施形態では、プローブ光のパスの方がポンプ光のパスよりも短くなるように配設したが、これに代えて、ポンプ光のパスの方がプローブ光のパスよりも短くなるように配設してもよい。なお、この場合、ポンプ光のパスにチョッパ５、プローブ光のパスにＰＥＭ６を設けることに変わりはないが、ＰＤ１０がプローブ光のみを受光できるように光遮蔽板１１等の配置を変更する。
【０１２５】
また、第２実施形態では、ポンプ光のパスを可変できるように移動ステージ３０を配設したが、これに代えて、プローブ光のパスを可変できるように移動ステージ３０を配設してもよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１，１Ｂ 磁気光学特性測定装置
２ レーザ光源
３ ビームスプリッタ
４，４Ｂ 反射板
５ チョッパ
６ ＰＥＭ（光弾性変調器）
７ 集光レンズ
８ 基板
９ 磁場印加手段
１０ ＰＤ（光量検出手段）
１１ 光遮蔽板
１２ ロックインアンプ（第１のロックインアンプ）
１３ ロックインアンプ（第２のロックインアンプ）
１４，１４Ｂ 計算機
１５ チョッパ制御手段
１６ ＰＥＭ制御手段
１７ 磁場制御手段
３０ 移動ステージ
３１ ステージ駆動手段
３２ 反射板
４１ 共鳴磁場取得部
４２ 外部磁場制御部
４３ レーザ光源制御部
４４ 移動ステージ制御部
４５ ＭＯ信号取得部
４６ ＭＯ信号蓄積部
４７ 共鳴条件取得部
４８ 異方性磁場算出部
４９ フィッティングデータ記憶部
５０ 減衰パラメータ算出部
Ｆ 試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体の試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、
前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射するモードロックレーザからなるレーザ光源と、
前記試料に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記レーザ光源からの光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離するビームスプリッタと、
前記試料に照射されるポンプ光の光路中に配置され、入射するポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させるチョッパと、
前記試料に照射されるプローブ光の光路中に配置され、入射するプローブ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光弾性変調器と、
前記光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する光量検出手段と、
前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する第１のロックインアンプと、
前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する第２のロックインアンプと、
前記光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの前記試料の前記磁気光学特性を算出する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、
前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項２】
前記磁気特性測定装置は、
前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備え、
前記演算手段は、
前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の磁気特性測定装置。
【請求項３】
強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザからなるレーザ光源と、磁場印加手段と、ビームスプリッタと、チョッパと、光弾性変調器と、光量検出手段と、参照信号の周波数が異なる２つのロックインアンプと、当該試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を算出する演算手段とを備える磁気光学特性測定装置の磁気光学特性測定方法であって、
前記レーザ光源によって、前記高繰り返し周期の光パルス列を発生する工程と、
前記磁場印加手段によって、前記試料に磁場を印加する工程と、
前記ビームスプリッタによって、前記光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する工程と、
前記チョッパによって、前記ポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させる工程と、
前記光弾性変調器によって、前記プローブ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工程と、
前記光量検出手段によって、前記光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する工程と、
第１のロックインアンプによって、前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する工程と、
第２のロックインアンプによって、前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する工程と、
前記演算手段によって、前記光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの当該試料の前記磁気光学特性を算出する工程とを含んで実行し、
前記演算手段は、
前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする磁気特性測定方法。
【請求項４】
前記磁気特性測定装置は、
前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備え、
前記演算手段は、
前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする請求項３に記載の磁気特性測定方法。
【請求項１】
強磁性体の試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を測定する磁気光学特性測定装置であって、
前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生し前記試料に照射するモードロックレーザからなるレーザ光源と、
前記試料に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記レーザ光源からの光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離するビームスプリッタと、
前記試料に照射されるポンプ光の光路中に配置され、入射するポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させるチョッパと、
前記試料に照射されるプローブ光の光路中に配置され、入射するプローブ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光弾性変調器と、
前記光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する光量検出手段と、
前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する第１のロックインアンプと、
前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する第２のロックインアンプと、
前記光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの前記試料の前記磁気光学特性を算出する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、
前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする磁気特性測定装置。
【請求項２】
前記磁気特性測定装置は、
前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備え、
前記演算手段は、
前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする請求項１に記載の磁気特性測定装置。
【請求項３】
強磁性体の試料の磁化の光励起歳差運動の周期に同期可能な高繰り返し周期の光パルス列を発生するモードロックレーザからなるレーザ光源と、磁場印加手段と、ビームスプリッタと、チョッパと、光弾性変調器と、光量検出手段と、参照信号の周波数が異なる２つのロックインアンプと、当該試料の有効内部磁場もしくは異方性磁場を含む磁気光学特性を算出する演算手段とを備える磁気光学特性測定装置の磁気光学特性測定方法であって、
前記レーザ光源によって、前記高繰り返し周期の光パルス列を発生する工程と、
前記磁場印加手段によって、前記試料に磁場を印加する工程と、
前記ビームスプリッタによって、前記光パルス列を前記試料にそれぞれ照射されるポンプ光およびプローブ光に分離する工程と、
前記チョッパによって、前記ポンプ光を予め定められたチョッピング周波数で交互に遮断または透過させる工程と、
前記光弾性変調器によって、前記プローブ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工程と、
前記光量検出手段によって、前記光弾性変調器で変調されたプローブ光が前記試料で反射または透過したいずれか一方を受光した光強度を検出する工程と、
第１のロックインアンプによって、前記光弾性変調器の変調周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光量検出手段が検出する光強度信号を入力して、前記参照信号により前記光強度の変化を検出した光強度変化検出信号を出力する工程と、
第２のロックインアンプによって、前記チョッパのチョッピング周波数信号を参照信号として入力すると共に、前記光強度変化検出信号を入力して、前記参照信号により前記光強度変化検出信号を周波数変換して検出した磁気光学信号を出力する工程と、
前記演算手段によって、前記光パルス列の高繰り返し周期に、前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期を同期させた共鳴条件を満たすときの当該試料の前記磁気光学特性を算出する工程とを含んで実行し、
前記演算手段は、
前記共鳴条件として、前記試料に印加した磁場と、前記光パルス列の高繰り返し周期と、前記第２のロックインアンプで検出した磁気光学信号と、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間との各情報を用いて、ＬＬＧ方程式に基づいて、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする磁気特性測定方法。
【請求項４】
前記磁気特性測定装置は、
前記ビームスプリッタで分離したポンプ光またはプローブ光を反射する反射板を移動させて光路長を可変する移動ステージを備え、
前記演算手段は、
前記試料の磁化の光励起歳差運動の周期が前記光パルス列の高繰り返し周期に同期するときに前記試料に外部から印加される磁場の情報を予め取得し、前記ポンプ光とプローブ光との遅延時間と前記光パルス列の高繰り返し周期との比が自然数の逆数または０である場合の前記移動ステージによって可変させた前記反射板の位置において、当該外部磁場を前記試料に印加させ、かつ、前記ポンプ光およびプローブ光を前記試料に照射したときに、前記試料の磁気光学特性を算出することを特徴とする請求項３に記載の磁気特性測定方法。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−７９６２（Ｐ２０１２−７９６２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４３２５７（Ｐ２０１０−１４３２５７）
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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