(57)【要約】【課題】ファラデー効果を用いて高周波磁界を検出する測定装置であるが、共鳴線のピークが細かく分裂することがなく、広い周波数帯で安定した測定ができる高周波磁界計測装置を実現する。【解決手段】強磁性共鳴効果のための静磁界発生器と、静磁界と高周波磁界とに対してファラデー効果を示す磁気光学結晶と、それを偏光で走査する偏光走査手段と、磁気光学結晶を透過した偏光の偏光面の回転角度を検出する偏光検出手段と、その出力から指定された周波数成分を検出する信号検出手段と、信号検出手段の出力を、走査信号と同期して表示する表示手段と、を備える。ここで、磁気光学結晶は、その強磁性共鳴半値全幅が３００Ａ／ｍから２０００Ａ／ｍの範囲にあるものを用いる。また、（ＢｉＹＧｄ）3Ｆｅ5Ｏ12でＧｄの比率（＝［Ｇｄ］／（［Ｇｄ］＋［Ｙ］））を２０％〜９０％にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波磁界を、磁気光学効果を用いて検出する測定装置であって、
強磁性共鳴効果で上記検出の出力を増強するための静磁界発生器と、
上記静磁界と上記高周波磁界との印加に対して磁気光学効果を示す磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を偏光で走査する偏光走査手段と、
前記磁気光学結晶を透過した偏光の偏光面の回転角度を検出する偏光検出手段と、
前記偏光検出手段の出力から指定された周波数成分の強度を検出する信号検出手段と、
上記信号検出手段の出力を、上記走査信号と同期して表示する表示手段と、
を備え、
上記磁気光学結晶は、その強磁性共鳴半値全幅が３００Ａ／ｍから２０００Ａ／ｍの範囲にあるものであることを特徴とする高周波磁界計測装置。
【請求項２】
上記磁気光学結晶は、イットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）などの第１グループの希土類元素と、ガドリニウム（Ｇｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）などの第２グループの希土類元素とを組み合わせて生成した希土類鉄ガーネットの磁気光学結晶であることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界計測装置。
【請求項３】
上記磁気光学結晶はビスマス置換希土類鉄ガーネットで、構成するガドリニウム（Ｇｄ）及びイットリウム（Ｙ）のＧｄの比率（＝［Ｇｄ］／（［Ｇｄ］＋［Ｙ］））が２０％以上で９０％以下の磁性ガーネットであることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁界計測装置。
【請求項４】
上記静磁界発生器は、計測しようとする周波数帯に合わせて静磁界強度を調整できるものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の高周波磁界計測装置。
【請求項５】
上記信号検出手段は、スペクトルアナライザーであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の高周波磁界計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はファラデー効果を利用する磁界強度測定装置であって、特に、磁気光学結晶に静磁界を印加して引き起こした強磁性共鳴効果で増強されたファラデー効果出力を用いて高周波磁界強度を計測する高周波磁界計測装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
高周波信号処理回路において、その動作を検証するために高周波電流分布を把握することがたびたび求められる。しかし、マイクロ波以上の高周波電流を直接測定することは困難であるため、通常は、高周波磁界の測定値から高周波電流が求められる。つまり、高周波磁界分布を直接測定し、この測定値から回路の電流導出されている。このように高周波磁界分布を直接測定するためには、例えば、検出コイルや、磁気光学結晶が磁界プローブに用いられるが、一般に、検出コイルに比べて磁気光学結晶の方が測定対象の磁界を乱すことが少ない事が知られている。
【０００３】
特許文献１には、ファラデー効果を用いた高周波磁界センサヘッドに周波数選択特性を持たせることによって、選択的周波数成分を検出できる高周波磁界測定装置が開示されている。これは、高周波磁界中に設置された磁気光学結晶と、それに照射した光の偏光面の回転角度を観測する偏光観測手段と、磁気結晶の周波数選択性を変化することのできる直流あるいは低周波補助磁界を印加するための補助磁界発生手段と、偏光観測手段の出力を補助磁界の強度あるいは方向の関数として表示する表示手段と、を備えるものである。
【０００４】
特許文献２には、光信号処理装置としての光変調器は、板状の磁性体を含むものが開示されている。その磁性体は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のイットリウムの一部または全部がビスマスによって置換された磁性体であり、その強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が２４０Ａ／ｍ以下の磁性体であり、かつ、そのファラデー回転能の大きさがそれを透過する光の波長において２００°／ｃｍ以上の磁性体である。磁性体には、マイクロストリップラインが形成される。マイクロストリップラインにマイクロ波またはミリ波を印加することによって、磁性体を透過する光が変調される。
また、この特許文献２には、膜厚１００μのガドリニウム置換イットリウム鉄ガーネットＧｄ0.3Ｙ2.7Ｆｅ5Ｏ12が開示されているが、この場合のガドリニウムの比率（＝［Ｇｄ］／（［Ｇｄ］＋［Ｙ］））は、１０％である。
【０００５】
非特許文献１には、室温近傍での各希土類鉄ガーネットのΔＨが記載されている。この比較を表１に示す。
【０００６】
【表１】
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【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２２５３４０号公報
【特許文献２】特開２００４−０１２８１６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】1.2.2.4 Ferromagnetic resonance of iron garnet, A, Rare-earth-substituted garnets, Table,17 R3Fe5O12. Linewidth of single crystal rare-earth iron garnets
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
２０ＧＨｚ以上の高周波磁界の測定解析を行う場合には、磁気光学結晶として磁性ガーネット単結晶が用いられる場合が多い。特に、ＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet、イットリウム鉄ガーネット）は、高周波領域での磁気損失が小さく、マイクロ波帯で使用できる磁性材料として知られている。
【００１０】
しかし、強磁性共鳴の周波数応答特性は、共鳴線のピークが細かく分裂したものであり、ＹＩＧを高周波磁界センサヘッドに用いた測定では、磁界分布を正しく反映した測定結果が得られない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
まず、上記表１から希土類鉄ガーネットのΔＨは希土類元素の種類により顕著に変化することが判る。これから、（ビスマス置換）希土類鉄ガーネット中の希土類の組成比を調整することで、同ガーネット材料のΔＨの大きさを制御することが可能となる。
【００１２】
これを用いて、本発明の高周波磁界計測装置は、ファラデー効果を用いて高周波磁界を検出する測定装置であるが、共鳴線のピークが細かく分裂することがなく、広い周波数帯で安定した測定ができるようにしている。さらにまた、強磁性共鳴効果で上記検出の出力を増強するための静磁界発生器と、上記静磁界と上記高周波磁界との印加に対してファラデー効果を示す磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を偏光で走査する偏光走査手段と、前記磁気光学結晶を透過した偏光の偏光面の回転角度を検出する偏光検出手段と、前記偏光検出手段の出力から指定された周波数成分の強度を検出する信号検出手段と、上記信号検出手段の出力を、上記走査信号と同期して表示する表示手段と、を備える。ここで、上記磁気光学結晶は、例えばビスマス置換希土類鉄ガーネットで、その強磁性共鳴半値全幅が３００Ａ／ｍから１５００Ａ／ｍの範囲にあるものを用いることで、静磁界強度を変化させても、強磁性共鳴効果による共鳴線のピークが分裂することを避けることができる。なお、ここで言う半値全幅は、ピーク値から３デシベル下げたところの全幅である。
【００１３】
室温近傍での各希土類鉄ガーネットについて、イットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）などの第１グループでは強磁性共鳴半値幅ΔＨが小さく、ガドリニウム（Ｇｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）などの第２グループでは強磁性共鳴半値幅ΔＨが比較的大きい。このため、上記磁気光学結晶は、上記第１グループの希土類元素と、第２グループの希土類元素とを組み合わせて生成した希土類鉄ガーネットの磁気光学結晶とすることで、ΔＨの大きさを調整することができる。
【００１４】
上記磁気光学結晶がビスマス置換希土類鉄ガーネットである場合、それを構成するガドリニウム（Ｇｄ）及びイットリウム（Ｙ）についてのＧｄの比率（＝［Ｇｄ］／（［Ｇｄ］＋［Ｙ］））が２０％以上で９０％以下であるようにすることで、上記条件である強磁性共鳴半値全幅が３００Ａ／ｍから１５００Ａ／ｍの範囲にある、という条件を満たすことができる。
【００１５】
また、上記静磁界発生器は、計測しようとする周波数帯に合わせて静磁界強度を調整できるものである。
【００１６】
また、上記信号検出手段は、スペクトルアナライザーを用いることで高周波磁界の周波数分析を容易に行なうことができる。
【発明の効果】
【００１７】
ビスマス置換希土類鉄ガーネットでは、強磁性共鳴半値全幅が３００Ａ／ｍ以下の場合、あるいは、それを構成するガドリニウム（Ｇｄ）及びイットリウム（Ｙ）のＧｄの比率（＝［Ｇｄ］／（［Ｇｄ］＋［Ｙ］））が小さいほど共鳴線のピーク位置での検出感度が高くなるが、そのピークが細かく分裂した状態となる。このため、この状態で高周波磁界の計測を行なって高周波磁界の強度分布を作成すると、まだら模様の分布図となり、実際の強度分布を正しく反映できない。しかし、本発明の構成によって、正しく強度分布を反映した計測結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の高周波磁界計測装置例を示す図である。
【図２】測定光である偏光光線と、磁気バイアスと、配線に高周波信号を流すことによる高周波磁界との配置的関係を示す図である。
【図３】高周波信号線（点線間）の周りの高周波磁界分布の測定例を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、強磁性共鳴線半値幅（ΔＨ）が、それぞれ２５ｋＡ／ｍ、１．５ｋＡ／ｍの磁気光学結晶を用いた場合の磁界検出感度周波数特性例を示す図である。
【図５】（ａ）ΔＨが８０Ａ／ｍの磁気光学結晶を用いた場合で、主ピーク近傍に複数の副ピークが表れ、（ｂ）ΔＨが３００Ａ／ｍの磁気光学結晶を用いた場合で、副ピークは観られず、主ピークのみとなる例を示す図である。
【図６】図５（ａ）および図５（ｂ）の磁気光学結晶に対して、測定周波数を主ピークに固定して信号強度の時間変動を測定した結果を示す図である。
【図７】（ＢｉＹ）3Ｆｅ5Ｏ12および（ＢｉＧｄ）3Ｆｅ5Ｏ12の高周波磁界検出特性を示す図である。
【図８】図７に示す共鳴線を拡大した図である。
【図９】ＧｄとＹの組成比と共鳴線形状を示す図である。
【図１０】ＧｄとＹの組成比と共鳴線の半値幅ΔＨとの関係を示す図である。
【図１１】共鳴線の中心周波数と共鳴線形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２０】
本発明の高周波磁界計測装置の例を図１に示す。例えばビスマス置換希土類鉄ガーネットの磁気光学結晶１で、高周波磁界を検出するために、磁気光学結晶に印加される高周波磁界とこれに入力する測定光である偏光光線をファラデー配置として、そのファラデー効果を用いて検出する。また、強磁性共鳴効果で上記検出の出力を増強するために、磁極２ａ、２ｂによる静磁界である磁気バイアスと上記偏光光線との配置がフォークト配置となるように、静磁界を上記磁気光学結晶１に印加している。
【００２１】
図２に、測定光である偏光光線と、磁気バイアスと、配線に高周波信号を流すことによる高周波磁界との配置的関係を示す。測定光が照射される測定点では、磁気バイアスによる磁化の変化分と高周波磁界の振幅分とが重畳された磁界によるファラデー効果を受けて測定光の偏光面が回転する。
【００２２】
測定光は、レーザ光源６からの偏光であって、サーキュレータ７を通過した後、ガルバノスキャナ４で偏向された後、ｆθレンズ３で集光され、磁気光学結晶１に照射される。ここで、ｆθレンズは入射角θに比例した像高Ｙをもち、その関係は焦点距離をｆとするとＹ＝ｆθとなるレンズであり、また、ガルバノスキャナ４は、可動鏡駆動部５ｄで駆動される可動鏡５ｍと可動鏡駆動部６ｄで駆動される可動鏡６ｍとで２次元の走査を行なうものである。
【００２３】
磁気光学結晶１を透過して反射された測定光は、ガルバノスキャナ４を逆に通過し、サーキュレータ７で波長板８に振り向けられ、偏光子９で測定光の回転成分のみが選択され、フォトレシーバ１０でその強度が検出される。フォトレシーバ１０の出力は、スペクトラムアナライザ１１で周波数分析が行なわれ、コンピュータ１２で、所定の周波数成分を抽出する。コンピュータ１２は、制御線１３を通じて可動鏡駆動部５ｄ、６ｄの制御を行い、測定光の照射位置を決定する。コンピュータ１２で抽出した所定の周波数成分強度を、その照射位置情報でマッピングして、高周波磁界強度分布の測定図を作成することができる。図３に高周波信号線（点線間）の周りの高周波磁界分布の測定例を示す。
【００２４】
ここで、上記磁気光学結晶は、その強磁性共鳴半値全幅が３００Ａ／ｍから１５００Ａ／ｍの範囲にあるものを用いることで、静磁界強度を変化させても、強磁性共鳴効果による共鳴線のピークが分裂することを避けることができる。
【００２５】
一般に、強磁性共鳴（ＦＭＲ）の角周波数をω、γを磁気回転比、Ｈを磁場強度とするとき、その微小な変化に対して、Δω＝γΔＨの関係がある（γ＝ジャイロ磁気定数（１．７６×１０7Ｈｚ／Ｏｅ））。この式より、高周波磁界信号強度の周波数特性は磁界の不均一性に比例することが分かる。また、上記ΔＨは、主に磁性体の組成と結晶構造によって決まる値であるので、磁気光学結晶に用いるに当たって適当な範囲のΔＨを選択することで、測定中の環境（温度、外部磁界強度等）変化に対し、高周波磁界検出信号強度の変動抑制が可能となる。また、共鳴線の線幅、例えば半値全幅、をΔωとして、これに相当する磁界バイアスを半値幅ΔＨとして記述する場合もある。
【００２６】
また、上記半値幅ΔＨはスピン波の伝搬にも寄与することが知られている。ＦＭＲにおいては、スピン波のモードに応じてその共鳴波形が分裂する。しかし、適当な範囲のΔＨの磁気光学結晶を選択することで、高次のスピン波の発生を抑え、周波数特性上のスプリアス成分を抑制することが可能となる。
【００２７】
この様に、磁気光学材料の共鳴線半値幅ΔＨを適当な範囲に選択することで、測定中の環境（温度、外部磁界強度等）変化に対する高周波磁界検出信号強度の変動を抑制し、また磁界検出感度の周波数特性において不要なスプリアス成分を抑制することが可能となる。
【００２８】
例えば、室温近傍での各希土類鉄ガーネットについて、イットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）などの第１グループでは強磁性共鳴半値幅ΔＨが小さく、ガドリニウム（Ｇｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ツリウム（Ｔｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）などの第２グループでは強磁性共鳴半値幅ΔＨが比較的大きい。このため、上記磁気光学結晶は、上記第１グループの希土類元素と、第２グループの希土類元素とを組み合わせて生成した希土類鉄ガーネットの磁気光学結晶とすることで、ΔＨの大きさを調整することができる。
【００２９】
図１の構成において、それぞれ強磁性共鳴線半値幅（ΔＨ）が２５ｋＡ／ｍ、１．５ｋＡ／ｍの磁気光学結晶を用いた場合の磁界検出感度周波数特性例を、図４（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。この様に、ΔＨの小さな磁気光学結晶では、周波数に対する磁界感度特性は急峻なピークを持つ。これは、測定対象の発生する高周波磁界でＦＭＲが生じるためであり、ＦＭＲ周波数においては、図２に示す様に、高周波磁界とＦＭＲによる変動磁界とが重畳されることで磁界検出強度が増大するためである。
【００３０】
上記ピーク近傍での周波数領域において検出信号強度を詳細に計測すると、ΔＨがさらに小さい８０Ａ／ｍの磁気光学結晶を用いた場合、周波数ピークは主ピーク近傍に複数の副ピークが表れる（図５（ａ））。一方、ΔＨが３００Ａ／ｍの磁気光学結晶を用いた場合、副ピークは観られず、主ピークのみとなる（図５（ｂ））。
ここで、図５（ａ）、図５（ｂ）の磁気光学結晶は、それぞれ（ＢｉＰｒＬｕ）3（ＦｅＧａ）5Ｏ12、（ＢｉＬｕ）3（ＦｅＧａ）5Ｏ12、である。
【００３１】
図５（ａ）および図５（ｂ）の磁気光学結晶に対して、測定周波数を主ピークに固定して信号強度の時間変動を測定した結果を図６に示す。この測定においては、外部磁界はコイル等の発熱により０．０６％変動していた。この様に、ΔＨが８０Ａ／ｍの磁気光学結晶に比べて、３００Ａ／ｍの磁気光学結晶を用いることで、検出信号強度の時間変動が大幅に抑制されていることが判る。
【実施例２】
【００３２】
次に、周波数特性と共鳴線形状との交換取引によって、磁気光学結晶としての特性を改善することができる、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶（（ＢｉＹＧｄ）3Ｆｅ5Ｏ12）の例を以下に説明する。ここで、（ＢｉＹＧｄ）3は、ビスマス（Ｂｉ）、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）の合計が３原子相当分であることを示す。まず、図７、図８に示す様に、（１）ガドリニウム（Ｇｄ）を含まない（ＢｉＹ）3Ｆｅ5Ｏ12の場合は、４０ＧＨｚ程度まで使用できるが、共鳴線のピークにスプリット（分裂）があり、（２）イットリウム（Ｙ）を含まない（ＢｉＧｄ）3Ｆｅ5Ｏ12の場合は、分裂の無い単純な共鳴線であるが２０ＧＨｚ以下でしか使用できない、という特徴がある。図８のＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、図７のそれぞれのピークを拡大したものである。
【００３３】
図８のＡ、Ｂ、およびＣの比較から分かるように、共鳴線のピークにおけるスプリットは、それぞれの強磁性共鳴周波数、つまり外部磁界に、殆ど依存していない。このため、上記のように（ビスマス置換）希土類鉄ガーネット中の希土類の組成比を調整することで、同ガーネット材料のΔＨの大きさを制御し、上記スプリットのそれぞれを平均化することで、なだらかな共鳴線のピークを実現する。
【００３４】
そこで、ＧｄとＹの比を、０：１０から１０：０まで変えてみると、Ｇｄ：Ｙ＝０：１０、１：９では、共鳴線のスプリットが残っているが、Ｇｄ：Ｙ＝２：８以上の場合に、共鳴線のスプリットが消失することが分かった。図９にＧｄとＹの組成比と共鳴線形状を示す。また、図１０に、ＧｄとＹの組成比と半値幅ΔＨとの関係を示す。この関係から、半値幅ΔＨをＧｄとＹの組成比で制御できることが分かる。特に、Ｇｄ：Ｙ＝２：８の場合は、図１１に共鳴線の形状を示す様に、約５．８〜２２．７ＧＨｚで共鳴し、しかもその共鳴線形状にスプリットが現れていないことが分かる。つまり、共鳴線のスプリットなしで、周波数特性が改善された。因みに、Ｂｉは、上記３原子相当分のうち１から１．３原子相当の割合である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、磁気光学効果を利用して光学的に高周波磁界を測定する技術に属し、主として電子機器近傍における高周波磁界の強度分布評価や周波数特性評価に用いられる。これらの測定技術は、電磁波セキュリティ確保の為の技術開発、不要電磁波漏洩抑制技術、マイクロ波デバイス設計分野において不可欠な要素技術であり、これらの産業分野において広く利用される。 
【符号の説明】
【００３６】
１  磁気光学結晶
２ａ、２ｂ  磁極
３  ｆθレンズ
４  ガルバノスキャナ
５ｍ、６ｍ  可動鏡
６ｄ、６ｄ  可動鏡駆動部
７  サーキュレータ
８  波長板
９  偏光子
１０  フォトレシーバ
１１  スペクトラムアナライザ
１２  コンピュータ
１３  制御線
２０  測定対象
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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