(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、その光源部からの光を分光して必要な波長の光をとりだす分光器と、その分光器でとりだされた光を偏光する第１の偏光子と、試料に磁場を印加する手段を備えた試料保持部と、該第１の偏光子から該試料保持部に装着された試料に照射された光であって該試料を透過した光または該試料で反射した光を通す第２の偏光子と、その第２の偏光子を通過した光の強度を検出する光検出器とを備えた光−磁気光学効果測定装置において、
その光源部は波長２００ｎｍ以下の短波長光を放射し得るように構成されており、
該光源部から該光検出器に至る該短波長光の光路は該試料保持部とともに密閉可能な容器内に収容されており、
該容器は、試料保持部を包含する容器と第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器との間において前記短波長光を透過可能且つ相互にガス流通不能な状態で隔てる真空紫外光透過部材を備え、
ここで、該試料保持部を包含する容器には該容器内のガスを置換するための換気口が開閉可能に備えられている一方、該第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器には該容器内のガスを排出するための排気手段が備えられており、
光−磁気光学効果測定の際には、該試料保持部を包含する容器内を酸素を含まない気体に置換するとともに該第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器内を真空状態とすることが実現されることを特徴とする光−磁気光学効果測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気旋光に関する光−磁気光学効果（ファラデー効果および／または磁気的カー効果）の測定技術に関し、詳しくは、試料の短波長帯域における当該効果を測定するための光−磁気光学効果測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）の９８９〜９９５頁に、今日知られている最も新しい光−磁気光学効果測定装置が紹介されている。この装置では、光源からの光を分光器に入射して必要な波長の光をとりだす。とりだされた光は第１の偏光子によって直線偏光にされたあと試料に照射される。ここで試料には電磁石によって磁場が印加される。ファラデー効果を測定する場合には試料を透過した光を観察し、磁気的カー効果を測定する場合には試料で反射した光を観察する。いずれの場合にも試料を透過ないし試料で反射した光は、第２の偏光子を通過したあとにその強度が検出される。上記の測定手法は、クロス−ニコル法、ファラデーセル法、回転検光子法、円偏光変調法の場合に共通である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の光−磁気光学効果を利用した超高密度記憶技術では、その記憶密度を向上させるために、ますます短波長の光が利用される傾向にあり、極短波長帯域での光−磁気光学効果の測定技術の実現が望まれている。例えば、上記論文に記載の光−磁気光学効果測定装置においても短波長光での測定が可能となるように改良されており、波長２１０ｎｍ前後までの測定が可能である。
【０００４】
しかしながら、上述の論文に記載された装置によっても波長２００ｎｍ以下での測定は不可能である。すなわち、真空紫外光といわれる２００ｎｍ以下の短波長域の光は、大気中又はレンズ等での吸収・減衰が著しいからである。従って、２００ｎｍ以下の波長域での測定を可能とするためには、単に重水素ランプのような当該波長域にも連続スペクトルを有する光源を用いればよいというものでなく、測定を実現させるために必要なＳ／Ｎ比を確保することができるためのブレークスルーを必要とする。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、そのブレークスルーを実現し、波長２００ｎｍ以下の短波長光による光−磁気光学効果の測定を可能とする光−磁気光学効果測定装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては、光源部と、その光源部からの光を分光して必要な波長の光をとりだす分光器と、その分光器でとりだされた光を偏光する第１の偏光子と、試料に磁場を印加する手段を備えた試料保持部と、該第１の偏光子から該試料保持部に装着された試料に照射された光であって該試料を透過した光または該試料で反射した光を通す第２の偏光子と、その第２の偏光子を通過した光の強度を検出する光検出器とを備えた光−磁気光学効果測定装置において、
その光源部は波長２００ｎｍ以下の短波長光を放射し得るように構成されており、
該光源部から該光検出器に至る該短波長光の光路は該試料保持部とともに密閉可能な容器内に収容されており、
該容器は、試料保持部を包含する容器と第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器との間において前記短波長光を透過可能且つ相互にガス流通不能な状態で隔てる真空紫外光透過部材を備え、
ここで、該試料保持部を包含する容器には該容器内のガスを置換するための換気口が開閉可能に備えられている一方、該第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器には該容器内のガスを排出するための排気手段が備えられており、
光−磁気光学効果測定の際には、該試料保持部を包含する容器内を酸素を含まない気体に置換するとともに該第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器内を真空状態とすることが実現されることを特徴とする光−磁気光学効果測定装置を提供する。
なお、本明細書において「真空」とは、工学的な述語としての真空を指し、いわゆる絶対真空を意味するものではない。従って、波長２００ｎｍ以下のいわゆる真空紫外光がさほど減衰しないで透過し得る程度にまで減圧された空間の状態は本明細書における真空状態の典型である。
【０００６】
本発明においては、上記光源部から光検出器に至るまでの光路が上記容器内の密閉空間に確保される。さらに、上記光路を阻むことなく、当該容器が上記試料保持部を含有し上記換気口を備えた部分と上記試料保持部を含有せず上記排気手段を備えた部分とに相互に気密した状態で区分されている。これにより、上記光路の大部分（即ち試料保持部を包含する容器と第１の偏光子および第２の偏光子を含む光学系を包含する容器）を真空下におく一方、試料保持部の周囲については酸素を含まない気体に置換することができる。従って、試料保持部を外気と等しい気圧下に保ち、当該試料保持部における試料の取り替え作業を簡便に行うことができる。また、光−磁気光学効果測定時にも試料保持部が減圧されないので、種々の形状および性質の試料の測定に適用し得る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の光−磁気光学効果測定装置の好適な実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１０】
先ず、第一の実施形態として本発明の第一の装置として好適な測定装置について説明する。なお、図１は本実施形態に係る光−磁気光学効果測定装置の外観を模式的に示した平面図である。また、図２は、本実施形態に係る光−磁気光学効果測定装置における種々の主要構成要素（光学素子）のレイアウトをファラデー効果測定部を装着した状態で模式的に示す平面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る測定装置は、大まかにいって、後述する重水素ランプ１０２およびキセノンランプ１０８を光源として備えた光源部１０１と、当該光源部１０１から放射された光を分光しつつ所望する波長の光を取り出すための分光器１２０と、図２に明示される第１偏光子１５０、第２偏光子１５６、およびカー効果測定用光検出器等の光学素子を収容する光学系ボックス１６５と、試料１７６に磁場を印加する手段に相当する電磁石１７２および当該電磁石１７２に包囲されるように形成された試料保持部１７５とから構成されており、これら主要構成要素はいずれも定盤２００（即ちoptical bench といわれる光学台）上に配置されている。
【００１１】
而して、図１に示すように、光源部１０１のうち波長２００ｎｍ以下の短波長光を発生させる部分（即ち重水素ランプ１０２に係る部分）、分光器１２０、光学系ボックス１６５および電磁石部１６９（上記電磁石１７２と試料保持部１７５を包含する。以下同じ。）は、それぞれが密閉可能な容器１０６，１４２，１６６，１７０に収容されている。これら容器１０６，１４２，１６６，１７０は、内部を真空状態として容器内外に過大な気圧差が生じた際にもその形状を保ち得る高強度の材質（好ましくは真空乾燥器等に用いられ得る金属若しくはガラス）で形成されるとともに相互に通気可能な状態でシールド処理（例えば、溶接或いは容器が肉厚ガラス等から成る場合はグリースを介したすり合わせ）が施されている。これにより、本実施形態に係る測定装置を構成する種々の光学素子（キセノンランプ１０８系を除く）を収容する全体として一つの容器が形成される。このことによって、波長２００ｎｍ以下の短波長光に光源部から試料を介してカー効果測定用光検出器に至る光路が当該容器内に収容される。
【００１２】
一方、光源部１０１（重水素ランプ１０２系）を収容する容器１０６および光学系ボックス１６５を収容する容器１６６の一端には、各々、本実施形態における上記排気手段に相当する電磁弁等の制御バルブ１１３，１１６を備えた排気管１１４，１１５が設けられている。これにより、図示しない外部の真空ポンプやアスピレータ等のガス吸引装置を当該排気管１１４，１１５に接続することによって、容器１０６，１４２，１６６，１７０内部のガスを吸引・除去し、当該容器１０６，１４２，１６６，１７０内を真空状態とすることができる。従って、本実施形態に係る測定装置においては、波長２００ｎｍ以下の短波長光に光源部１０１から試料１７６を介して後述するカー効果測定用光検出器に至る光路を真空条件下におくことができる。
【００１３】
以下、本実施形態に係る測定装置の主要構成要素および本測定装置における測定手順について詳細に説明する。
【００１４】
本実施形態に係る測定装置の光源部１０１には、上記の通り、光源として二種類のランプすなわち重水素ランプ１０２およびキセノンランプ１０８が備えられている。このうち、重水素ランプ１０２によって波長２００ｎｍ以下の短波長光を含む光を好適に放射することができる。図２に示すように、重水素ランプ１０２より放射された短波長光は、凹面反射鏡１０４で反射集光されて分光器１２０の第１入射スリット１２１に入射される。凹面反射鏡１０４は石英（これに代えてＳｉＣとしてもよい）の表面を研磨し、研磨面にＰｔ（これに代えてＡｕとしてもよい）をコートし、さらにこのうえにＡｌ−ＭｇＦ2 をコートすることによって作製されており、ランプ強度の低い１６０ｎｍにおいて最もよく反射する特性とされている。ここで１６０ｎｍにおける反射率は８４〜８６％である。なお、後述する各反射鏡および凹面反射鏡にも同様の表面処理が施されており、短波長光を高効率で反射することができる。なお、上述のとおり、重水素ランプ１０２から第１入射スリット１２１に至る光路は、上記排気手段を備えた容器１０６内に確保されている。このため、当該容器１０６内を上述のようにして真空状態とすることによって、重水素ランプ１０２から発生する２００ｎｍ以下の短波長光は殆ど減衰することなく分光器１２０に入射することができる。
【００１５】
一方、図１および図２中の１０８はキセノンランプであり、重水素ランプ１０２よりも長波長側に発光波長帯域を有している。すなわち、キセノンランプ１０８と重水素ランプ１０２の発光波長帯域はオーバーラップし、２００ｎｍ以下の短波長光を包含する波長３００ｎｍ以下では重水素ランプ１０２が優先的に用いられ、波長３００ｎｍ以上ではキセノンランプ１０８が用いられる。なお、波長３００ｎｍ以上の光は酸素等の気体で減衰しにくいために、本実施形態においては、キセノンランプ１０８は大気中で用いられるようにレイアウトされている。而して、本光源部１０１におけるキセノンランプ１０８からの光は、凹面反射鏡１１０と反射鏡１１２によって集光、反射されて分光器１２０の第２入射スリット１２２に入射される（図２）。
【００１６】
次に、本実施形態に係る測定装置の分光器１２０について詳細に説明する。本実施形態に係る分光器１２０は、波長２００ｎｍ以下の短波長光をさほど減衰させずにとりだすため、プリズム、レンズ等の短波長光を強く減衰させる光学素子を用いることなく構成されている。すなわち、図２に示すように、この分光器１２０は、第１入射スリット１２１と第２入射スリット１２２の内側近傍に切換ミラー１２３を備えており、いずれか一方の入射スリット１２１，１２２からの光を凹面反射鏡１２６に導くように構成されている。なお図２中（ｍ）の記号は、ステップモータ（ｍ）によって可動な素子を示し、例えば切換ミラー１２３はステップモータ１２３ｍによって切換えられる。各ステップモータは、本測定装置に接続されるコンピュータ１９２によって制御される。なお、切換ミラー１２３はハンドル１２３ａによって手動でも切換可能となっている（図３参照）。
【００１７】
図３に示すように、この分光器１２０においては、第１入射スリット１２１および第２入射スリット１２２のいずれかから入射された光は、切換ミラー１２３で反射されたあと、凹面反射鏡１２６で反射されて回析格子１３０、１３２、１３４のうちのいずれかに入射される。これら３枚の回折格子１３０、１３２、１３４は回転台１２８のうえに平面視で三角形をなすようにおかれ、回転台１２８は図中矢印に示すように回転していずれか１枚の回折格子を選択的に使用することができるようになっている。なお、図３は回折格子１３４が使用位置に置かれている状態を示している。回転台１２８は、ステップモータ１２８ｍとウォームギヤ１２９で回転される。回折格子１３０は最も格子間距離が短く、波長４００ｎｍ以下の分光に用いられる。他方、回折格子１３４は最も格子間距離が長く、波長８００ｎｍ以上の分光に用いられる。また、回折格子１３２は中間の格子間距離を有し、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの分光に用いられる。
ステップモータ１２８ｍは使用する回折格子を選択する他、選択された回折格子の反射角度を微調整して凹面反射鏡１３６に向けて反射される光の波長を切換えるようにも用いられる。いずれか一つの回折格子の角度調整によって選ばれた波長の光は凹面反射鏡１３６と反射鏡１３８で反射されて出射スリット１４０に集光される。このようにして分光器１２０からは測定に必要な波長の光がとりだされる。なお、上述のとおり、この分光器１２０についても全体が密閉可能な容器１４２に収容されており、当該容器１４２内を上述のようにして真空状態とすることによって、分光器１２０内における波長２００ｎｍ以下の短波長光の減衰が防止される。
【００１８】
次に、本実施形態に係る測定装置の光学系ボックス１６５について説明する。
上記出射スリット１４０の直後には、回折格子から同一角度に反射される光のうち、高次の次数を持つ回折光を除去するためのフィルタ１４４が設置されている。このフィルタ１４４には、図３（Ｂ）によく示されているように、軸１４４ｘを中心に回転する円板に６個の貫通孔が設けられており、うち５個の貫通孔には特定波長をカットするフィルタ板が組込まれている。各フィルタ板のカットする波長帯域特性は相互に異っており、使用する波長にあわせて使用するフィルタ板が切換えられる。他方、貫通孔１４４ａにはフィルタ板が組込まれておらず、光は素通りする。貫通孔１４４ａおよびフィルタ板１４４ｂ〜１４４ｆは、フィルタ用モータ１４４ｍとその回転軸１４５によって切換えられる。
【００１９】
一方、図２に示すように、このフィルタ１４４の後方には、凹面反射鏡１４６と、反射鏡１４８と、第１偏光子１５０と、光弾性変調器（モジュレータ）１５２とが備えられており、フィルタ１４４で選ばれた特定波長の光を直線偏光および円偏光に変えることができる。
すなわち、分光器１２０と高次の回折光をカットするフィルタ１４４で選ばれた特定波長の光は、次いで、凹面反射鏡１４６と、反射鏡１４８で集光、反射されて試料１７６に向けられる（図２）。凹面反射鏡１４６は光を試料１７６の表面に集光する。反射鏡１４８は、水平軸と垂直軸のまわりに回転可能となっており、試料１７６からの反射光が後記の凹面反射鏡１５８に入射されるように角度が調整される。このために反射鏡１４８には水平モータ１４８ｍ１と垂直モータ１４８ｍ２が取り付けられている。
【００２０】
図４に示すように、第１偏光子１５０を通過した光は直線偏光された状態となる。得られた直線偏光波は、次いで、光弾性変調器１５２を通過する。なお、本実施形態において光弾性変調器１５２は、５０ＫＨｚの周波数で振動するピエゾ素子を内蔵しており、その振動方向は直線偏光波に対して反時計方向に４５°傾けられている。すなわち、図４に示すように、直線偏光波は、それから時計方向に４５°傾いた面内の波と（図中白抜きで表示される）と、反時計方向に４５°傾いた波（図中黒い波で表示される）との合成であると考えられ、光弾性変調器１５２は、振動方向の波（黒色の波）の位相を変え、それに直角方向の波（白抜きの波）の位相を変えない。ここで位相の変化は振動数（５０ＫＨｚ）に等しい周波数で遅れたり進んだりする。すなわち光弾性変調器１５２を通った光は円偏光に変調され、その変調周波数はこの場合５０ＫＨｚとなる。以上のようにして、分光器１２０とフィルタ１４４とで波長が選ばれた後、第１偏光子１５０と光弾性変調器１５２によって５０ＫＨｚの周波数で円偏光された光は、絞り１５４を通過した後に試料１７６に入射される。
なお、上述のとおり、上記第１偏光子１５０や光弾性変調器１５２等を収容する光学系ボックス１６５についても全体が密閉可能な容器１６６に収容されており、当該容器１６６内を上述のようにして真空状態とすることによって、当該光学系ボックス１６５内における波長２００ｎｍ以下の短波長光の減衰が防止され、殆ど減衰することなく電磁石部１６９における試料１７６に入射される。
【００２１】
次に、本測定装置における電磁石部１６９について説明する。
図２に示すように、本測定装置において光−磁気光学効果を測定しようとする試料１７６は、光照射面が平面の試料ホルダ１７４に収容され、電磁石１７２の装着部１７２ａに挟まれた空隙によって形成された試料保持部１７５に装着される。この試料ホルダ１７４には短波長光を吸収しない材質（典型的には溶融石英）で形成された光透過窓が設けられている。また、この試料ホルダ１７４には、液体窒素を断熱膨張させて試料１７６を冷却する冷却装置と、試料１７６を加熱するヒータ（いずれも図示せず）が組込まれており、試料温度を８０〜６００°ｋの範囲で可変としている。また試料ホルダ１７４の内部は好ましくは不活性ガスで満され、試料の加熱時に試料が酸化することを防止する。
而して、図１および図２に示すように、上記試料ホルダ１７４は、光路を確保するための孔が形成された電磁石１７２の装着部１７２ａにセットされ、試料１７６に２０ＫＯｅまでの磁場を印加することが可能となっている。ここで本実施形態においては、一方の装着部１７２ａ（光学系ボックス１６５寄り）にＯリング１７１が適宜装備されている。これにより、上記試料ホルダ１７４を試料保持部１７５においてＯリング１７１をはさんで上記装着部１７２ａに押し付けて密着保持することができる。このことによって、当該電磁石部１６９を収容する容器１７０内を真空状態とした際にも、上記試料ホルダ１７４の光照射面を安定保持することができ、測定の再現性を確保することができる。
【００２２】
次に、本測定装置におけるカー効果を測定するための第２偏光子１５６および光検出器の配置部分について説明する。
図２に示すように、上記光学系ボックス１６５において、カー効果測定用光検出器（即ちゲルマニウムダイオード１６０および光電子増幅管１６２。以下同じ。）とカー効果測定用第２偏光子１５６と、凹面反射鏡１５８を試料１７６を反射した光を測定し得る位置にセットしている（図１）。ここで、第２偏光子１５６はステップモータ１５６ｍで面内で回転可能となっており、後述のように、校正時に回転されたあとでゼロ角度に調製される。一方、カー効果測定用光検出器を構成する光電子増幅管１６２は短波長の検出に用いられ、ゲルマニウムダイオード１６０は長波長の検出に用いられる。凹面反射鏡１５８ａはステップモータ１５８ｍで回転されて、測定光を光電子増幅管１６２ａとゲルマニウムダイオード１６０ａのいずれか一方に集光する。なお、第２偏光子１５６はステップモータ１５６ｍで面内で回転可能となっており、後述のように、校正時に回転されたあとでゼロ角度に調製される。光電子増幅管１６２は短波長の検出に用いられ、ゲルマニウムダイオード１６０は長波長の検出に用いられる。凹面反射鏡１５８はステップモータ１５８ｍで回転されて、測定光を光電子増幅管１６２とゲルマニウムダイオード１６０のいずれか一方に集光する。なお、上述のとおり、光学系ボックス１６５の容器１６６内は真空状態とすることができるので、試料１７６から反射された短波長光は上記光電子増幅管１６２およびゲルマニウムダイオード１６０のいずれか一方に到達する前に光路途上で減衰されることがない。
【００２３】
ところで、図１には、本実施形態に係る測定装置としてカー効果を測定するための装置の概要を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、カー効果測定用と同様の光学素子を適宜配することによって、ファラデー効果を測定する装置とすることができる。
すなわち、図２に示すように、ファラデー効果を測定するため、ファラデー効果測定用光検出器（上記カー効果測定用と同様のゲルマニウムダイオード１６０ａおよび光電子増幅管１６２ａ。）とファラデー効果測定用第２偏光子１５６ａと、凹面反射鏡１５８ａを試料１７６を反射した光を測定し得る位置にセットしている（図２）。なお、上記カー効果測定用と同様、第２偏光子１５６ａはステップモータ１５６ｍで面内で回転可能となっており、後述のように、校正時に回転されたあとでゼロ角度に調製される。光電子増幅管１６２ａは短波長の検出に用いられ、ゲルマニウムダイオード１６０ａは長波長の検出に用いられる。凹面反射鏡１５８ａはステップモータ１５８ｍで回転されて、測定光を光電子増幅管１６２とゲルマニウムダイオード１６０のいずれか一方に集光する。
【００２４】
ところで、図２に示すように、ファラデー効果測定部において、ファラデー効果測定用光検出器１６０ａ，１６２ａおよび第２偏光子１５６ａは、いずれも上記容器１０６，１４２，１６６，１７０と同様に密閉可能な容器１７８に収容されており、電磁石部１６９の容器１７０と通気可能な状態でシールド処理され連結している。このため、当該容器１７８内における光路についても真空下におくことができ、試料１７６を透過した短波長光は上記光電子増幅管１６２ａおよびゲルマニウムダイオード１６０ａのいずれか一方に到達する前に光路途上で減衰されることがない。
【００２５】
以上、本測定装置を各主要構成要素ごとに説明したが、その全体の構成の概略を図５にまとめた。本図は光学系に焦点をあてた図であり、上記重水素ランプ１０２又はキセノンランプ１０８からの光が光電子増幅管１６２又はゲルマニウムダイオード１６０のいずれかに入射するまでの経路を模式的に示している。
【００２６】
以下、本測定装置の作動態様および測定方法について簡単に説明する。
上述の各種モータ（ｍ）や光弾性変調器１５２等はコンピュータ１９２で制御されている。また測定データの処理もコンピュータ１９２でおこなわれる。従って、本測定装置においては、上述した光−磁気効果を測定するための主要構成要素の他、種々の制御装置がコンピュータ１９２によって制御可能に備えられている。
例えば、図２中の１８２と１８０はそれぞれ光電子増幅管１６２とゲルマニウムダイオード１６０のためのアンプである。また図２中の１８３は、凹面反射鏡１５８と連動して切換えられるスイッチであり、凹面反射鏡１５８が測定光をゲルマニウムダイオード１６０に集光している間はゲルマニウムダイオード１６０用のアンプ１８０の信号をコンピュータ１９２に入力し、光電子増幅管１６２に集光している間は光電子増幅管用のアンプ１８２の信号をコンピュータ１９２に入力する。
【００２７】
図２中の１８８は検出された光強度のうちの直流成分を検出する直流成分電圧計であり、１８４は変調周波数（この場合５０ＫＨｚ）の成分の強度を検出する第１ロックインアンプ、１８６はその２倍の周波数（１００ＫＨｚ）の成分を検出する第２ロックインアンプである。それぞれの出力値はコンピュータ１９２に入力され、コンピュータ１９２によって処理された結果が表示装置１９４に表示される。なお、図２中の１９０は、フィードバック回路である。すなわち光電子増幅管１６２の使用中は、直流成分電圧計１８８で検出される直流成分に応じて光電子増幅管１６２に印加される電圧がフィードバック制御されて、直流成分電圧計１８８の検出値がほぼ一定レベルとなるように光電子増幅管１６２のゲインがフィードバック制御される。
【００２８】
図４に示されているように、本測定装置でカー効果を測定する場合、入射光と試料法線のなす角は３度以下であり、かつ反射光も同じである。この角度が３度以下であると、カー効果の測定精度が良好に保たれる。またカー効果測定用第２偏光子１５６は、図４に示すように、光弾性変調器１５２で変調された偏波をとおし、変調されない偏波を通さない角度（ゼロ角度）を基準に用いられる。
【００２９】
図６および図７は、コンピュータ１９２を中心とする本測定装置における電気的システム構成を示している。なお、図６における実線の矢印は制御に関する電気信号線を示し、太い実線はコントロールバスを示す。他方、図７における実線の矢印は光の進路を示し、細い破線の矢印は制御に関する電気信号線を示す。
図６および図７に示すように、本測定装置においては、コンピュータ１９２が分光器コントローラ４０１を介してステップモータ１２３ｍ，１２８ｍを作動させ、切換ミラー１２３と回折格子の種類（１３０、１３２、１３４のいずれか）の角度を調整する。このことによって波長の切り替えおよび光源（キセノンランプ１０８または重水素ランプ１０２）の切り替えが実現される。同様に、フィルタコントローラ４０２を介してステップモータ１４４ｍを作動させ、使用する貫通孔１４４ａないしフィルタ板１４４ｂ〜ｆのいずれかを選択することができる。また、集光系コントローラ４０３を介して反射鏡１４８のモータ１４８ｍ（上記水平モータ１４８ｍ１と垂直モータ１４８ｍ２）の作動を制御して試料１７６に所望する光を照射する。
以上、光学系の制御の概略を図８に示す。図中の矢印は光の光路を示し、破線は上述の各種モータ（ｍ）とこのモータ（ｍ）で動く光学系機器との関係を示す。また、図中の細い実線は電気信号線を示し、太い実線はコントロールバスを示す。
【００３０】
同様にして、コンピュータ１９２は、検出系コントローラ４０４を介してステップモータ１５６ｍ，１５８ｍを作動させ、第２偏光子（検光子ともいう。以下同じ。）１５６の角度と凹面反射鏡１５８の角度を切換えることができる。
【００３１】
一方、試料ホルダ１７４の近傍にはホール素子１７７が配置されており、試料に印加される磁場の大きさと方向（強度）がガウスメータ等の磁場測定手段４０５を介してコンピュータ１９２に入力される。また、コンピュータ１９２は試料ホルダ１７４に組込まれている温度計の計測温度に基づいて試料の加熱／冷却コントローラ４０６を介して上記ヒータと冷却装置（図６中の１７９）をコントロールし、試料１７６の温度をオペレータのセットした値を中心としてフィードバック制御する。
【００３２】
さらにまた、コンピュータ１９２は、スイッチコントローラ４０７を介して上記スイッチ１８３を切りかえ、上記アンプ１８０，１８２のうちのいずれか一方の信号を直流成分電圧計１８８と第１ロックインアンプ１８４と第２ロックインアンプ１８６に入力する。また直流成分電圧計１８８の出力は電圧コントローラ４１０に入力され、この入力値に応じて調整された高電圧が光電子増幅管１６２に印加されて、直流成分電圧計１８８で検出される光強度レベルがほぼ一定となるようにフィードバック制御される。
上記の他にも、コンピュータ１９２は、磁場コントローラ４０９を介して電磁石１７２に加える電流を調整し、あるいは変調コントローラ４０８を介して光弾性変調器１５２をコントロールする。
【００３３】
なお、コンピュータ１９２による上述の制御システムは、本測定装置を制御するための一例を示したものにすぎない。本明細書および添付図面に記載された光−磁気効果の測定のための上記主要構成要素（すなわち各種光学機器）の組立および各要素間の配置に関する情報（図２参照）に基づいて種々の制御システムを構築することは、いわゆる当業者の設計事項にすぎないものであり、本発明を逸脱するものではない。
【００３４】
以下、図９〜図２２を参照しつつ、さらに詳細に本測定装置における測定の処理手順を説明する。
図９は、測定する波長に応じて使用するランプ１０２，１０８を選択する手順を示し、測定しようとする波長が３００ｎｍ以下か以上かで使用するランプ１０２，１０８を選択する。具体的にはモータ１２３ｍで切換ミラー１２３を切換えて分光器１２０にとりこむ光源を切換える。波長３００ｎｍ以下のときは重水素ランプ１０２を使用し（Ｓ７４又はＳ７５）、波長３００ｎｍ以上のときにはキセノンランプ１０８を使用する（Ｓ７２又はＳ７３）。
【００３５】
図１０は回折格子１３０、１３２、１３４の選択と角度調整のための処理手順を示し、波長４００ｎｍ以下で測定するときに回折格子１３０を使用し（Ｓ８２）、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍで測定するときには回折格子１３２を使用し（Ｓ８４）、波長８００ｎｍ以上で測定するときには回折格子１３４を使用する。図中Ｓ８６は、さらに選択された回折格子の角度を微調整するステップを示し、これによって測定する波長が決められる。
【００３６】
図１１は、フィルタ１４４の制御手順を示し、測定波長が２５０ｎｍ以下のときには貫通孔１４４ａを使う。分光器１２０を波長２５０ｎｍ以下の光をとりだす状態で使用する場合、同時にとりだす可能性のある２次以上の回折光は波長１２５ｎｍ以下の光となるところ、波長１２５ｎｍ以下の光はたとえ重水素ランプ１０２を使っていてもひどく強度が低いため、フィルタでカットする必要がないためである。２５０ｎｍ〜４００ｎｍの光で測定する場合には、波長２５０〜５００ｎｍの光のみをとおすバントパスフィルタ１４４ｂを使って高次回折光を取り除く。波長４００〜６１０ｎｍの光で測定する場合には波長３２０ｎｍ以下の光をカットするフィルタ１４４ｃを使うことで高次回折光をカットする。以下、図１１の条件別にフィルター１４４ｄ〜１４４ｆを使いわけることで高次回折光をカットする。
【００３７】
図１２は、光検出器側の切換手順を示し、測定波長が８３０ｎｍ以下のとき光電子増幅管１６２を使用する。このとき凹面反射鏡１５８をモータ１５８ｍで切換え、さらに上記スイッチ１８３を切換える。光電子増幅管１６２を使用するときは、直流成分電圧計１８８の出力をモニタリングし、低すぎれば（Ｓ１０７）光電子増幅管１６２に加える電圧を大きくしてゲインを上げ（Ｓ１０８）、大きすぎれば（Ｓ１０９）印加する電圧を小さくしてゲインを下げる（Ｓ１１０）。このときの電圧の増大幅や減少幅を基準電圧からの差に比例させて迅速にフィードバック制御されるようにする。また電圧の増大処理と減少処理との間にヒステリシス特性を付与し、フィードバック制御のオーバーシュートのくりかえしを防止している。
一方、波長８３０ｎｍ以上で使用するときにはゲルマニウムダイオード１６０を使用し（Ｓ１０４；このとき反射鏡１５８とスイッチ１８３も切り替える）、光電子増幅管１６２に加える電圧をゼロとする（Ｓ１０５）。
【００３８】
図１３は、測定の準備段階の全体処理手順を示し、Ｓ１１３〜Ｓ１１７の詳細は図９〜図１２で説明したとおりである。Ｓ１１８は、光弾性変調器（モジュレータ）１５２に加える電圧を、測定に用いる波長にあわせて調整する処理を示す。例えば測定波長を３００ｎｍと６００ｎｍの場合を例として説明すると、それぞれの波をπ／２だけ変調する場合、３００ｎｍをπ／２だけ変調するのに比して６００ｎｍをπ／２だけ変調するには、より強く変調してより大きな距離だけシフトする必要がある。ステップＳ１１８では測定波長にあわせて光弾性変調器に加える電圧を調整し、短波長光には弱く変調する一方、長波長光には強く変調することによって、変調によって生じる位相差（ラジアン単位）が波長によらず一定となるようにする。本例では波長によらずπよりも若干小さい位相差となるように調整する。この位相差は、旋光角（正確には光−磁気効果回転角）と楕円率の同時測定が精度よく実施される位相差である。
【００３９】
図１４と図１５は、本測定装置のための校正処理の様子を示す。本測定装置の場合、校正のための係数に波長依存性がないことが確認されており、これを使用するユーザは適当な波長を選択して校正することができる（Ｓ１２１）。但し、測定光の波長と等しい波長で校正することがより確実である。
【００４０】
図１４において、校正処理時にはまず第２偏光子１５６（即ち検光子１５６）を装置側のゼロ度からマイナス２度回転させ（Ｓ１２２）、直流成分ＶDC、変調周波数成分ＶF 、その２倍の周波数成分Ｖ2Fを検出する。以後、検光子１５６を＋１度づつ回転させつつ（Ｓ１２５）、同様の処理をつづけ、この処理を＋２度に達するまでつづける（Ｓ１２４）。この結果計５回の測定がおこなわれる。コンピュータ１９２は、図１５に模式的に示されるように、検光子１５６の角度Ｘ（−２、−１、０、＋１、＋２）とＶ2F／ＶDC（すなわち２倍の周波数成分を直流成分で除した値でありこれをＹとする）との間に成立する関係を分析する。この分析の処理内容を模式的に示すと、Ｘ−Ｙ軸のグラフに最小２乗法で回帰線をひき、この回帰線の傾きから校正係数Ａを求め、Ｙ＝ＯとなるＡの値からゼロ角度を求める。
以上の処理はコンピュータ１９２でおこなわれる（図１４のステップＳ１２６）。以上の処理のあと検光子１５６をゼロ角度に回転させ（Ｓ１２７）、測定をおこなう波長にセットし（Ｓ１２８）、実際の測定に備える。図１４における装置側のゼロ度は、図４において黒色波をとおして白色波をとおさないはずの設計上のゼロ度であり、ステップＳ１２６で求められるゼロ角度は実際に校正されたゼロ角度である。
【００４１】
図１６は、ある波長のある磁場における測定手順を示す。この場合アンプ等の安定時間の経過後、直流成分ＶDC、変調周波数成分ＶF 、その２倍の周波数成分Ｖ2F、および磁場を測定し（Ｓ１４１〜Ｓ１４４）、それぞれの値をコンピュータ１９２に一旦記憶（Ｓ１４５〜Ｓ１４７）し、その測定値から旋光角（θ；光−磁気光学効果回転角）と楕円率（ε）を求める。算出式は図１６のステップＳ１４８に示されている。ここで、Ｊ１、Ｊ２はベッセル関数の１次と２次を示し、δは光弾性変調器による位相遅れである。前述したように、δは測定波長にかかわらず０．３８３×２πラジアン（これはπよりも若干小さい値である）に調整される。
図１７は、旋光角（θ）のみを測定する場合の手順を示し、図１８は、楕円率（ε）のみを測定する場合の手順を示している。
【００４２】
図１９は、磁場を「ゼロ→プラス最大値→ゼロ→マイナス最大値→ゼロ」に変化させつつ測定することで試料の磁場に対するヒステリシス特性を測定する手順図を示す。磁場はあらかじめ測定回数に対して方向と強度が定められており、前記した磁場の変化パターンが得られるようにする。測定開始時にまず図１４、図１５に示した校正処理をおこなう（Ｓ１７１）。次に、予め定められている順序に従って磁場を変えてゆく（Ｓ１７３）。一順の測定が終了するとステップＳ１７２がノーとなり測定を終える。このとき、磁場をゼロとし（Ｓ１７６）、光電子増幅管１６２に加える電圧をゼロとする（Ｓ１７７）。一順の測定の実行中は、磁場を変えつつ（Ｓ１７３）、測定を続ける（Ｓ１７５）。
【００４３】
図２０は、波長依存性を測定する処理手順を示す。この測定では試料が磁場に対して飽和したときの光−磁気効果を調べる。このために試料１７６にプラスの最大磁場とマイナスの最大磁場を加えて測定し、その測定値の差から飽和特性を調べる。ステップＳ１８１では校正処理をおこなう。ステップＳ１８２では測定開始時の波長をセットする。そしてその状態でプラスの最大磁場を印加する（Ｓ１８３）。波長を変えつつ一連の測定を続け、最終波長での測定がおこるとステップＳ１８４がノーとなる。このとき測定を終える（Ｓ１９０、Ｓ１９１）。測定中は、プラスの最大磁場で測定したあと（Ｓ１８５）、磁場の方向を逆転し、次にマイナスの最大磁場を印加して（Ｓ１８６）測定する（Ｓ１８７）。
以上の処理後、両者の差をとってこれを２で割ることにより（Ｓ１８８）、飽和時の旋光角θと楕円率εが算出される。これを波長を変えつつ全波長について実施する（Ｓ１８９）。
次の波長で測定するときは最初にマイナス磁場を加えつつ測定し、次に磁場を逆転してプラス磁場を加えて測定する（Ｓ１８５、Ｓ１８６、Ｓ１８７）。このように波長ごとに、「＋→−」、「−→＋」にように交互に磁場を変えつつ測定してゆく。一連の測定を全波長について終えることで、波長依存性が測定される。
【００４４】
図２１は改良された波長依存性の処理を示す。この処理手順では、波長ごとに校正処理をするようになっている。このために検光子を＋２度として測定し（Ｓ１９４、Ｓ１９５）、次いで検光子１５６を０度として測定する（Ｓ１９６、Ｓ１９７）。これにより図２１（Ｂ）に示すような校正直線が得られ、これからその波長での校正係数が算出される。なお本例では光−磁気光学効果の測定が検光子１５６を＋２度（Ｓ１９４とＳ１９５）（Ｓ１９９と２００）とした状態で行われる。すなわち、ゼロ角度で測定するわけではない。しかしながら、ステップＳ２０１で正磁場のときと負磁場のときとの差が求められるためにゼロ角度からの偏差による影響は打ち消され、良好な測定が行われる。
【００４５】
図２２は図２１と同様の改良が施された別例を示し、検光子１５６を＋２度と−２度のいずれかで用いる。この改良例では、ある波長ではプラス磁場を印加して校正し（図２２（Ｂ））、次の波長ではマイナス磁場を印加して校正する（図２２（Ｃ））。このようにすると、校正のために必要な磁場の逆転の回数も最小におさえられ、測定時間が大幅に短かくなる。
なお、上述の実施形態においては、本発明を円偏光変調波による測定装置に応用した場合を示したが、クロス−ニコル法、ファラデーセル法、回転検光子法による測定装置に応用することもできる。また、上記実施形態においては、主としてカー効果を測定する場合について処理手順を説明したがファラデー効果を測定する場合にも同様の手順を適用し得る。
【００４６】
以上、本発明の第一の装置として好適な一実施形態について説明したが、本実施形態に係る測定装置によれば、上記重水素ランプ１０２から放射された波長２００ｎｍ以下の短波長光の経路にある上記各構成要素がいずれも密閉可能な容器１０６，１４２，１６６，１７０，１７８内に各々収容されるとともに当該容器１０６，１４２，１６６，１７０，１７８内を真空状態とすることができる。従って、重水素ランプ１０２から光検出器（１６０，１６０ａ，１６２，１６２ａ）に至る光路（図５参照）が上記容器１０６，１４２，１６６，１７０，１７８内の密閉空間に確保されるとともに、当該光路において波長２００ｎｍ以下の短波長光が、大気によって減衰されることがない。すなわち、一般の大気では、酸素によって波長２００ｎｍ以下の真空紫外光および窒素によって波長１４５ｎｍ以下の真空紫外光が吸収されるが、本測定装置においてはこのようなガス分子による吸収を実用的に問題とならないレベルにまで抑止することができる。従って、本発明の第一の装置によれば、上記処理手順に基づいて波長２００ｎｍ以下の短波長光での光−磁気光学効果（ファラデー効果および／またはカー効果）の測定を実現することができる。
【００４７】
次に、本発明の第二の実施形態として、本発明の第二の装置として好適であるカー効果測定装置を図２３を参照しつつ説明する。なお、図２３は、本実施形態に係る測定装置を模式的に示す平面図である。
【００４８】
図２３に示すように、本実施形態に係る測定装置は、上述の第一の実施形態における測定装置と同様、重水素ランプ２０２およびキセノンランプ２０８を光源として備えた光源部２０１と、当該光源部２０１から放射された光を分光しつつ所望する波長の光を取り出すための分光器２２０と、試料２７６を収容する試料ホルダ２７４および上記試料２７６に磁場を印加する手段に相当する電磁石２７２を備えた電磁石部２６９と、光学系ボックス２６５とを主要構成要素とし、これらは定盤２００上に配置されている。なお、この光学系ボックス２６５には、上述の第一の実施形態と同様、分光器２２０から取り出された光を偏光するための第１偏光子、光弾性変調器、試料２７６からの反射光を通す第２偏光子、ならびに当該第２偏光子を通過した光の強度を検出するゲルマニウムダイオードおよび光電子増幅管に光路切換用反射鏡を備えた光検出器（いずれも図示せず）等が収容されている。
【００４９】
而して、上記第一の実施形態と同様、キセノンランプ２０８およびそれに付随する反射鏡２１０，２１２を除く光源部２０１（重水素ランプ２０２系）、分光器２２０、光学系ボックス２６５および電磁石２７２（即ち試料保持部分）は密閉可能な容器２０６，２４２，２６６，２７０に収容されている。このことによって、本実施形態に係る測定装置においても、光源部２０１から光検出器に至る波長２００ｎｍ以下の短波長光の光路が外気と遮断されて密閉容器２０６，２４２，２６６，２７０内に収容される。
また、上記第一の実施形態と同様、光源部２０１を収容する容器２０６および光学系ボックス２６５を収容する容器２６６の一端には、各々、本実施形態における上記排気手段に相当する電磁弁等の制御バルブ２１３，２１６を備えた排気管２１４，２１５が設けられている。
【００５０】
ところで、本実施形態に係る測定装置では、光源部２０１を収容する容器２０６，分光器２２０を収容する容器２４２および光学系ボックス２６５を収容する容器２６６は、相互に通気可能な状態且つ外気から遮断されるようにして連結されている一方、図２３に示すように、上記第１偏光子から試料２７６に至る光路および当該試料２７６から上記第２偏光子に至る光路の途上、すなわち電磁石部２６９を収容する容器２７０と光学系ボックス２６５を収容する容器２６６との間は、好ましくはフッ化リチウム若しくはフッ化マグネシウム等から成る真空紫外光透過部材２１１によって、波長２００ｎｍ以下の短波長光を透過可能であるが相互にガス流通は不能な状態で隔てられている。
さらに、電磁石部を収容する容器２７０の一端には、上記排気手段とは独立して、電磁弁２１７を備えた換気口２１８が備えられており、当該容器２７０内を所望するガス（典型的には窒素ガス）に置換することができる。
【００５１】
以上のように構成された結果、本実施形態に係る測定装置においては、上記排気管２１４，２１５を介して排気処理を行うことによって光源部２０１収容容器２０６，分光器２２０収容容器２４２および光学系ボックス２６５収容容器２６６内を真空状態として当該容器２０６，２４２，２６６内における上記短波長光の光路を真空下におく一方で、電磁石部２６９収容容器２７０については上記換気口２１８を介して内外の気圧差を生じさせることなく当該容器２７０内部のガスを酸素を含まないガス（例えば窒素ガス）と置換することができる。
従って、本実施形態に係る測定装置によれば、試料保持部２７５を外気と等しい気圧下に保ち、当該試料保持部２７５における試料ホルダ２７４および試料２７６の取り替え作業を簡便に行うことができる。さらに、光−磁気光学効果測定時にも試料保持部２７５を包含する電磁石部２６９が減圧されないので、種々の形状および性質の試料２７６あるいは試料ホルダ２７４を上述のＯリング１７１のような補助手段を用いることなく試料保持部２７５に安定に保持することができ、再現性良く測定することができる。
また、本実施形態に係る測定装置では、上記光路の大部分を真空下におき、また、常圧部分（即ち試料２７６近傍）においても、波長２００ｎｍ以下の短波長光を吸収する酸素を含まない窒素ガス等に置換することができるので、波長２００ｎｍ以下の短波長光の減衰を実用的に問題とならないレベルにまで抑止することができる。従って、本発明の第二の装置によれば、上記第一の実施形態で説明した処理手順と同様の手順に基づいて波長２００ｎｍ以下の短波長光での光−磁気光学効果の測定を実現することができる。
【００５２】
以上、本発明の光−磁気光学効果測定装置の好適な各実施形態を説明したが、本発明を上記実施形態に示したものに限定することを意図したものではない。
例えば、上述の各実施形態では、上記排気手段としての制御バルブおよび排気管をいずれも光源部の容器と光学系ボックスの容器に設けているがこれに限らず光−磁気光学効果測定の妨げとならない部位に適宜設けることができる。また、上記第二の実施形態に係る測定装置に上記第一の実施形態において開示されたのと同様のファラデー効果測定用機器（光学素子）を設けることによって、上記処理手順に基づいてカー効果と同様にファラデー効果を好適に測定し得ることは当業者に理解されることである。
また、上記実施形態においては、本発明を円偏光変調波による測定装置に応用した場合を示したが、クロス−ニコル法、ファラデーセル法、回転検光子法による測定装置に応用することもできる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な装置構成によって波長２００ｎｍ以下の短波長光での光−磁気光学効果測定を行うことができる。すなわち、本発明では、光源部から光検出器に至る波長２００ｎｍ以下の短波長光の光路から酸素のような波長２００ｎｍ以下の短波長光をよく吸収する気体を排除し得、さらに使用する光学素子が波長２００ｎｍ以下の短波長光を強く減衰させることがないため、波長２００ｎｍ以下における光−磁気光学効果を測定することが可能となる。本発明の光−磁気光学効果測定装置は、今後重要となると予想される超高密度記憶技術の進展に資するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態に係る本発明の測定装置の概要を模式的に示す平面図である。
【図２】一実施形態に係る本発明の測定装置の平面レイアウトを示す図である。
【図３】分光器とフィルタの詳細を示す図である。
【図４】測定原理を模式的に示す図である。
【図５】光路を中心に示す図である。
【図６】一実施形態に係る本発明の測定装置の電気的システム図である。
【図７】一実施形態に係る本発明の測定装置の電気的システムを模式的に示す図である。
【図８】照射光学系を示す図である。
【図９】ランプの選択手順図である。
【図１０】回折格子の選択と角度調整手順図である。
【図１１】フィルタの選択手順図である。
【図１２】検出装置の選択手順図である。
【図１３】測定準備手続の全体処理手順図である。
【図１４】校正処理手順図である。
【図１５】校正内容を示す図である。
【図１６】測定時の実際手順図である。
【図１７】光−磁気効果回転角（旋光角）の測定手順図である。
【図１８】楕円率の測定手順図である。
【図１９】ヒステリシス特性の測定手順図である。
【図２０】波長依存性の測定手順図（その１）である。
【図２１】波長依存性の測定手順図（その２）である。
【図２２】波長依存性の測定手順図（その３）である。
【図２３】一実施形態に係る本発明の測定装置を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１０１，２０１  光源部
１０２，２０２  重水素ランプ
１０６，１４２，１６６，１７０，１７８，２０６，２４２，２６６，２７０容器
１０８，２０８  キセノンランプ
１１３，１１６，２１３，２１６  バルブ
１１４，１１５，２１４，２１５  排気管
１２０，２２０  分光器
１３０，１３２，１３４  回折格子
１５０  第１偏光子
１５２  光弾性変調器
１５６，１５６ａ  第２偏光子
１６０，１６０ａ  ゲルマニウムダイオード
１６２，１６２ａ  光電子増幅管
１６５，２６５  光学系ボックス
１６９，２６９  電磁石部
１７２，２７２  電磁石
１７５，２７５  試料保持部
１７４，２７４  試料ホルダ
１７６，２７６  試料
２１１  真空紫外光透過部材
２１８  換気口
【図１】
0003778670.tif 000002
【図２】
0003778670.tif 000003
【図３】
0003778670.tif 000004
【図４】
0003778670.tif 000005
【図５】
0003778670.tif 000006
【図６】
0003778670.tif 000007
【図７】
0003778670.tif 000008
【図８】
0003778670.tif 000009
【図９】
0003778670.tif 000010
【図１０】
0003778670.tif 000011
【図１１】
0003778670.tif 000012
【図１２】
0003778670.tif 000013
【図１３】
0003778670.tif 000014
【図１４】
0003778670.tif 000015
【図１５】
0003778670.tif 000016
【図１６】
0003778670.tif 000017
【図１７】
0003778670.tif 000018
【図１８】
0003778670.tif 000019
【図１９】
0003778670.tif 000020
【図２０】
0003778670.tif 000021
【図２１】
0003778670.tif 000022
【図２２】
0003778670.tif 000023
【図２３】
0003778670.tif 000024