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図面 (6)

課題

近接場光源において、高出力の近接場光を発生することを目的とする。

解決手段

近接場光発生用プローブの一部を2、3からなる多層膜ミラーを含む共振器構造とすることにより、レーザー光源4からの入射光5を増幅し、入射光5に対する近接場光6の発生効率を向上する。

概要

背景

光計測、特に物質表面形状測定の分野において、高倍率光学顕微鏡研究開発が進められ、近接場光を用いた詳細な計測が行われるようになってきている。また、光情報処理の分野においては、近接場光を利用することにより、さらなる高密度記録を行うという試みがなされてきた。

近接場光は物質に光を入射したときに発生する表面近傍局在する非伝搬光であり、特に物質の寸法が入射波長より小さいときには、近接場光の局在体積は物質寸法と同程度になる。したがって、近接場光を利用することにより、回折限界以下の微小な領域を計測したり、あるいは回折限界以下の寸法を持つ光デバイスの実現が可能になった。この近接場光を局所的な微小領域で利用するためには、プローブと呼ばれる近接場光を発生させるための微小物質を作製することが重要であり、これまでに微小加工プロセス技術の進歩により、先端の口径を数10nm程度に先鋭化したプローブが実現されていた。

一般に、近接場光の発生検出方法には大きく分けて2通りある。1つは図5(a)に示す方法Aである。図5(a)において27は先端を先鋭化したプローブ、28は試料、30は試料28を照明するためのレーザー光源である。また、35は試料28の表面側から試料28を照明する場合のレーザー光、36は試料28の裏面側から試料28を照明する場合のレーザー光を示している。ミラー31および33を用いることにより試料28の裏面側からレーザー光36を照射するか、またはミラー32、34を用いて試料28の表面側からレーザー光35を照射することにより、試料28の表面近傍に近接場光37を発生させる。この近接場光37が存在する領域にプローブ27の微小な先端を挿入することにより近接場光37を散乱光38に変えてその散乱光強度を検出する方法である。なお、図中の29はプリズムであり、試料28の裏面側からのレーザー光36の照射と試料28の固定を実現するためのものである。

もう1つは図5(b)に示す方法Bである。図5(b)において、39は先端を先鋭化したプローブ、40は試料、41はレーザー光源、42はレーザー光源41からのレーザー光、43は近接場光である。この場合にはプローブ39にレーザー光源41からのレーザー光42を入射し、先鋭化されたプローブ39の先端近傍に近接場光43を発生させ、プローブ39を試料40に近づけることにより近接場光43を散乱光44に変換しその散乱光強度を検出する。

これまでに、上記方法AまたはBを用いることにより近接場光を利用した高密度光記録技術の開発がなされている。例えば、物質表面に形成された微小な凹凸近接場光発生源であるプローブを近接させて近接場光を散乱光に変換し、プローブ位置と検出された散乱光強度の強弱を情報として扱うといった技術がある。このような近接場光記録においては光デバイスや散乱光検出系の構造等の観点から、上記の方法Bが有効であると考えられており、この方法おける近接場光源としては、一般にガラスファイバーを加工したものをプローブとして用いている。微小加工プロセス技術の進歩により、ガラスファイバー先端を数10nmに加工することが可能となり、磁気記録材料相変化記録材料への記録再生実験が行われ、最小記録寸法として直径60〜80nmが実現された。これらは100〜170Gbit/inch2の記録密度に対応している。

一方、近接場光による再生においては、プローブ形状による制限から入射光に対する近接場光の発生効率(=近接場光強度入射光強度)が約1×10-5〜10-3と低く、データ伝送時間が遅くなるという問題があった。データ伝送時間を大きくするためには近接場光パワーを上げることが重要であるので、これまでのプローブを用いる場合には入射光のパワーを上げる必要があった。また、データ伝送速度を上げる別の方法として複数のプローブを用いる用法も提案されているが、散乱光検出系が複雑になるという課題があった。高密度光記録を実現するためにはデータ再生時のデータ伝送速度が重要であり、伝送速度を上げる手段として、プローブを2次元的に配置したプローブアレイによる並列読み出しなどが提案された。またプローブへの入射光パワーに対する発生する近接場光パワー、すなわちプローブの近接場光発生効率が再生時の伝送速度に大きく関わっており、この近接場光発生効率が大きい程、伝送速度も大きくすることができる。これまでに、ガラスファーバーを化学エッチングにより先鋭化し、金属膜蒸着して作製したプローブに置いて、近接場光発生効率の値が1×10-5〜1×10-3のものが実現されており、入射光パワー1mWにおいて約50Mbit/sのデータ伝送速度が達成されていた。

概要

近接場光源において、高出力の近接場光を発生することを目的とする。

近接場光発生用プローブの一部を2、3からなる多層膜ミラーを含む共振器構造とすることにより、レーザー光源4からの入射光5を増幅し、入射光5に対する近接場光6の発生効率を向上する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

レーザー光源と、プローブとを具備し、前記レーザー光源から出射された光を前記プローブに入射し、前記プローブから近接場光を発生させる近接場光源において、少なくとも前記プローブの一部が共振器構造を成していることを特徴とする近接場光源。

請求項2

前記共振器構造が、DBRミラー構造を含むことを特徴とする請求項1に記載の近接場光源。

請求項3

前記共振器構造が、誘電体多層膜ミラーを含むことを特徴とする請求項1に記載の近接場光源。

請求項4

前記誘電体多層膜ミラーが、少なくとも屈折率の異なる2種類以上の材料から構成されることを特徴とする請求項3に記載の近接場光源。

請求項5

前記共振器構造内に、レーザー媒質またはセルフダブリング結晶または波長変換素子のいずれかを含むことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の近接場光源。

請求項6

プローブと、固体レーザーと、固体レーザー励起用光源とを具備し、前記プローブの先端部分に前記固体レーザーを固定し、前記固体レーザー励起用光源からのポンプ光を前記プローブから入射し、前記固体レーザーに照射することによりレーザー光励起すると同時に近接場光を発生させ、かつ、前記固体レーザーの前記ポンプ光入射部と前記近接場光出射部が異なることを特徴とする近接場光源。

請求項7

前記固体レーザーの前記近接場光出射部が先鋭化されているか、または先鋭化された誘電体を前記固体レーザーに接着することにより前記近接場光出射部とすることを特徴とする請求項6に記載の近接場光源。

請求項8

前記固体レーザーが球状である請求項6に記載の近接場光源。

請求項9

前記固体レーザーがファイバーレーザーである請求項6に記載の近接場光源。

請求項10

前記固体レーザーが、Nd:ガラスレーザールビーレーザーまたはYAGレーザーのいずれかである請求項6に記載の近接場光源。

請求項11

レーザー励起用光源と、少なくともプローブの一部に配置されたセルフダブリング結晶とを具備し、前記レーザー励起用光源からのポンプ光を前記セルフダブリング結晶に照射することによりレーザー光と、前記レーザー光に対応する高調波を励起すると同時に前記高調波による近接場光を発生させることを特徴とする近接場光源。

請求項12

前記セルフダブリング結晶が固体レーザーと波長変換素子からなる結晶である請求項11に記載の近接場光源。

請求項13

前記波長変換素子が光導波路型波長変換素子である請求項12に記載の近接場光源。

請求項14

前記光導波路型波長変換素子を構成する材料がMgO:LiNbO3結晶である請求項13に記載の近接場光源。

請求項15

請求項1から請求項14のいずれかに記載の近接場光源と、記録媒体とを具備し、前記近接場光源を前記記録媒体に近接させることにより、前記記録媒体に情報を記録すること、または前記記録媒体に記録されている情報を読み取ることを特徴とする近接場光記録再生装置

技術分野

0001

本発明は、近接場光源および近接場光を用いた記録再生装置に関し、プローブまたは固体レーザーから近接場光を発生させることにより、高出力の近接場光を得ることのできる近接場光源および近接場光記録再生装置に関する。

背景技術

0002

光計測、特に物質表面形状測定の分野において、高倍率光学顕微鏡研究開発が進められ、近接場光を用いた詳細な計測が行われるようになってきている。また、光情報処理の分野においては、近接場光を利用することにより、さらなる高密度記録を行うという試みがなされてきた。

0003

近接場光は物質に光を入射したときに発生する表面近傍局在する非伝搬光であり、特に物質の寸法が入射波長より小さいときには、近接場光の局在体積は物質寸法と同程度になる。したがって、近接場光を利用することにより、回折限界以下の微小な領域を計測したり、あるいは回折限界以下の寸法を持つ光デバイスの実現が可能になった。この近接場光を局所的な微小領域で利用するためには、プローブと呼ばれる近接場光を発生させるための微小物質を作製することが重要であり、これまでに微小加工プロセス技術の進歩により、先端の口径を数10nm程度に先鋭化したプローブが実現されていた。

0004

一般に、近接場光の発生検出方法には大きく分けて2通りある。1つは図5(a)に示す方法Aである。図5(a)において27は先端を先鋭化したプローブ、28は試料、30は試料28を照明するためのレーザー光源である。また、35は試料28の表面側から試料28を照明する場合のレーザー光、36は試料28の裏面側から試料28を照明する場合のレーザー光を示している。ミラー31および33を用いることにより試料28の裏面側からレーザー光36を照射するか、またはミラー32、34を用いて試料28の表面側からレーザー光35を照射することにより、試料28の表面近傍に近接場光37を発生させる。この近接場光37が存在する領域にプローブ27の微小な先端を挿入することにより近接場光37を散乱光38に変えてその散乱光強度を検出する方法である。なお、図中の29はプリズムであり、試料28の裏面側からのレーザー光36の照射と試料28の固定を実現するためのものである。

0005

もう1つは図5(b)に示す方法Bである。図5(b)において、39は先端を先鋭化したプローブ、40は試料、41はレーザー光源、42はレーザー光源41からのレーザー光、43は近接場光である。この場合にはプローブ39にレーザー光源41からのレーザー光42を入射し、先鋭化されたプローブ39の先端近傍に近接場光43を発生させ、プローブ39を試料40に近づけることにより近接場光43を散乱光44に変換しその散乱光強度を検出する。

0006

これまでに、上記方法AまたはBを用いることにより近接場光を利用した高密度光記録技術の開発がなされている。例えば、物質表面に形成された微小な凹凸近接場光発生源であるプローブを近接させて近接場光を散乱光に変換し、プローブ位置と検出された散乱光強度の強弱を情報として扱うといった技術がある。このような近接場光記録においては光デバイスや散乱光検出系の構造等の観点から、上記の方法Bが有効であると考えられており、この方法おける近接場光源としては、一般にガラスファイバーを加工したものをプローブとして用いている。微小加工プロセス技術の進歩により、ガラスファイバー先端を数10nmに加工することが可能となり、磁気記録材料相変化記録材料への記録再生実験が行われ、最小記録寸法として直径60〜80nmが実現された。これらは100〜170Gbit/inch2の記録密度に対応している。

0007

一方、近接場光による再生においては、プローブ形状による制限から入射光に対する近接場光の発生効率(=近接場光強度入射光強度)が約1×10-5〜10-3と低く、データ伝送時間が遅くなるという問題があった。データ伝送時間を大きくするためには近接場光パワーを上げることが重要であるので、これまでのプローブを用いる場合には入射光のパワーを上げる必要があった。また、データ伝送速度を上げる別の方法として複数のプローブを用いる用法も提案されているが、散乱光検出系が複雑になるという課題があった。高密度光記録を実現するためにはデータ再生時のデータ伝送速度が重要であり、伝送速度を上げる手段として、プローブを2次元的に配置したプローブアレイによる並列読み出しなどが提案された。またプローブへの入射光パワーに対する発生する近接場光パワー、すなわちプローブの近接場光発生効率が再生時の伝送速度に大きく関わっており、この近接場光発生効率が大きい程、伝送速度も大きくすることができる。これまでに、ガラスファーバーを化学エッチングにより先鋭化し、金属膜蒸着して作製したプローブに置いて、近接場光発生効率の値が1×10-5〜1×10-3のものが実現されており、入射光パワー1mWにおいて約50Mbit/sのデータ伝送速度が達成されていた。

発明が解決しようとする課題

0008

しかしながら、従来の近接場光源においてはプローブの近接場光発生効率が低く、高出力の近接場光を得るためには入射光強度を大きくしなければならないという課題があった。これにより入射光源高出力レーザーが必要であるため、近接場光発生装置の作製コストが高くなり、また消費電力が大きくなるという課題があった。

課題を解決するための手段

0009

上記課題を解決するため、本発明は、レーザー光源と、プローブとを備え、レーザーから出射された光をプローブに入射し、プローブから近接場光を発生させる近接場光源において、少なくともプローブの一部が共振器構造を成していることを特徴とする近接場光源である。

0010

また、プローブと、固体レーザーと、固体レーザー励起用光源とを備え、プローブの先端部分に固体レーザーを固定し、固体レーザー励起用光源からのポンプ光をプローブから入射し固体レーザーに照射することによりレーザー光を励起すると同時に近接場光を発生させ、固体レーザーのポンプ光入射部と近接場光出射部が異なることを特徴とする近接場光源である。

0011

また、レーザー励起用光源と、セルフダブリング結晶とを備え、レーザー励起用光源からのポンプ光をセルフダブリング結晶に照射することにより高調波レーザー光を励起すると同時に高調波レーザー光による近接場光を発生させることを特徴とする近接場光源である。

0012

また、上記のいずれかの近接場光源を用いてデータの記録再生を行う近接場光記録再生装置である。

発明を実施するための最良の形態

0013

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

0014

(実施の形態1)ここでは、近接場光源においてプローブの一部を共振器構造にすることによって高い近接場光発生効率が得られた点について述べる。なお実施例としては、共振器構造として誘電体多層膜ミラーを含む共振器構造を形成した場合について説明する。

0015

従来、プローブに近接場光励起のためのポンプ光を入射してプローブ先端に近接場光を発生させる場合、その入射光に対する近接場光の発生効率が非常に低いという問題があった。この場合には、プローブ内部に存在する光強度に比例した近接場光強度を得ることができるため、プローブ内の光強度を増大させることにより近接場光出力を増大させることができる。従来は、プローブへの入射光強度を大きくすることによりこれを達成していたが、プローブの近接場光発生効率は変わらないため高出力の入射光源が必要となり、装置が大掛かりになり、また消費電力が大きくなるという問題があった。そこで本発明において、近接場光を発生させるプローブに特別な構造を付加することにより近接場光発生効率を大幅に向上させることを実現した。本発明においては、プローブの一部を共振機構造にすることで低パワーの入射光をプローブ内で増幅し、プローブ内部の光強度を増加することが可能になり、入射光に対する近接場光の発生効率を向上することができた。図1に本発明の第1の実施の形態の近接場光源の構成図を示す。

0016

図1において1は片方の端面を先鋭化したガラスファイバー、2は第1の誘電体層、3は第2の誘電体層、4は近接場光を励起するための励起光源であり、誘電体層2および誘電体層3を交互に複数層重ねることにより誘電体多層膜ミラー50を形成している。この誘電体多層膜ミラー50と、ガラスファイバー1の誘電体多層膜ミラー50に接していない端面51とにより共振器構造が形成されている。励起光源4を除く上記の構成を本発明の近接場光源におけるプローブと呼び、本実施例においては特に共振機構造を有しているプローブであるため、以下では共振器構造プローブと呼ぶ。また、5は励起光源4からの入射光であり、6はガラスファイバー1の先鋭化された先端部近傍に発生する近接場光である。上記の構成において、励起光源4から誘電体多層膜ミラー50を通過してガラスファイバー1へ入射する入射光5が上記の共振機構造によりガラスファイバー1内で増幅される。この増幅された光の光強度に比例して近接場光6が発生する。従って、共振機構造の光増幅率を向上することにより、入射光5に対する近接場光6の発生効率を向上することができる。本実施例においては第1の誘電体層2としてSiO2層、第2の誘電体層3としてTiO2層、励起光源4として半導体レーザーを用いた例についてさらに詳しく述べる。

0017

まず最初に、研磨したガラスファイバー1の片方の端面に低屈折率材料のSiO2と高屈折率材料のTiO2とを交互に被着形成し、誘電体多層膜ミラー50を形成した。これらの誘電体材料による誘電体多層膜ミラー50は、高いレーザー損傷しきい値を持っているという利点があり、また成膜スパッタリングにより容易に行うことができるものであった。このとき各層の膜厚入射光波長をλとしてそれぞれλ/4となるようにすると、高反射率の誘電体多層膜ミラーとなり、高効率の共振器構造が形成可能であった。本実施例においては、入射光5として波長λ=850nmの赤外レーザー光を用いたので、SiO2層(A層)、TiO2層(B層)の膜厚をそれぞれ約2100Åとした。また、誘電体多層膜ミラー50として、A層B層が各10層、20層、50層となるものを作製した。その後、成膜側と反対側のガラスファイバー1の端面に化学エッチングを施し、先鋭化を行い、誘電体多層膜ミラー50とガラスファイバー端面51による共振器構造を形成した。このときの先鋭化したガラスファイバー1の先端部の口径は約80nmであった。さらに先鋭化を行ったガラスファイバー1先端の、近接場光出射用開口を除く部分に対してアルミニウムを蒸着により被着した。これにより先鋭化部分での光の漏洩を軽減させることができるとともに、反射ミラーとして作用するガラスファイバー端面51の反射率を増加させることができた。また、本実施例ではガラスファイバー1の端面51と誘電体多層膜ミラー50との距離は約200μmとした。

0018

以上のように構成された誘電体多層膜ミラー50を含む共振器構造プローブを有する近接場光源についてその特性を述べる。まず、共振器構造を有しておらず、ガラスファイバーを化学エッチングにより先鋭化し、アルミニウムを蒸着しただけのプローブを用いて近接場光発生効率を測定したところ、約1×10-6の値が得られた。一方、誘電体多層膜ミラー50を含む共振器構造プローブにおいては、誘電体多層膜ミラー50を構成する誘電体膜層数を増加するのに伴い、誘電体多層膜ミラー50の反射率が増加するため共振器内のパワー密度が増大し、その結果として共振器構造プローブ先端から発生する近接場光6の強度も増大した。すなわち、入射光5の強度に対する近接場光6の発生効率が向上し、上記のA層B層各50層ずつとした場合において約1×10-4の発生効率が実現できた。これにより作用長200μmの誘電体多層膜ミラー50を含む共振器構造プローブにおいて、共振器構造を有していないプローブと比較して約100倍の近接場光発生効率が得られた。これは近接場光を用いて記録媒体上のデータ再生を行った際のデータ伝送速度にして従来の約100倍の向上が見込まれる値であった。また、誘電体多層膜ミラー50を構成する材料として、高屈折率材料にZrO2、Ta2O5、Al2O3のいずれかを用い、低屈折率材料にMgF2を用いた場合においても同様の誘電体多層膜ミラー50が形成可能であり、この誘電体多層膜ミラー50とガラスファイバー端面51による共振器構造プローブを作製することにより近接場光発生効率を向上する効果が得られた。

0019

なお、本実施例においては2種類の誘電体材料により誘電体多層膜ミラー50を形成したが、2種類以上の誘電体材料を用いた場合においても誘電体多層膜ミラー50は作製可能であり、同様の共振器構造を形成することにより近接場発生効率を向上させることができた。

0020

また、プローブへの入射光5の伝搬定数をβとして、周期ΛがΛ=2π/βとなる周期状屈折率分布構造を形成することにより、共振器構造を形成したプローブを作製した場合においても、近接場光発生効率を向上することが可能であった。このような周期構造は、分布ブラッグ反射型(distributed Bragg reflector:DBRミラー構造(以下DBRミラー構造と略す)と呼ばれ、光の伝搬方向に対してブラッグ反射条件を満たす周期状屈折率分布を持ち、伝搬光は入射方向と逆方向に反射される。このときの反射率は、DBRミラー構造の長さ(作用長)と、導波路断面積に対する周期構造断面積に依存する。このような周期状屈折率分布はファイバーグレーティング作製技術を用いて容易に作製することができるため、共振器構造プローブを簡単に作製できるという利点を有していた。ファイバーグレーティング技術とは、光ファイバー紫外光干渉縞パターン露光することにより、露光部分の屈折率を変化させるという技術である。従って、任意のマスクを用いることによりプローブとして用いる光ファイバーの一部に上記のDBRミラー構造を形成することが可能であった。また、マスキングによりDBRミラー構造の長さを任意に形成することが可能であり、DBRミラー構造における反射率を容易に選択できるという利点もあった。

0021

また、このようにして得られた共振器構造を含む近接場光源を用いた近接場光記録再生装置を作製し、光磁気記録媒体の1つであるPt/Co多層膜に対して記録再生実験を行った。このとき入射光パワーとしては1mWで記録可能であった。また、記録スポットサイズは約80nmと非常に微小な領域であった。これば100Gbit/inch2の記録密度に対応する。また、この装置において再生実験を行い伝送速度として従来の約100倍の値が得られた。

0022

なお、ガラスファイバー1の代わりにフォトニック結晶を用い、上記誘電体多層膜ミラー50と直交する方向に対してフォトニック結晶内に光閉じ込めができるようにフォトニック結晶構造を作製し、誘電体多層膜ミラー50を含む共振器構造プローブを形成した場合においてもガラスファイバー1と同様の光閉じ込めが可能であり、近接場光源に用いることができた。フォトニック結晶は化学エッチングにより端面を先鋭化することも容易にでき、上記のガラスファイバー1を用いた場合とほぼ同様の先鋭化されたプローブ先端を形成することができた。このフォトニック結晶を用いた近接場光源においても約1×10-4の近接場光発生効率を得ることができた。

0023

(実施の形態2)本実施の形態においては、プローブ先端に固体レーザーを用いることによって高出力近接場光の発生が可能になった点について述べる。なお実施例としては、固体レーザーとしてEr:ファイバーレーザーおよびNd:ガラスレーザーを用いた場合について説明する。

0024

前述したように、図5(b)に示すようにプローブ39に近接場光励起用のレーザー光42を入射させる場合においては、従来のプローブ39による近接場光43の発生効率は非常に低く、その大きさは入射するレーザー光42の強度に対して約1×10-5〜10-3程度であった。これはプローブ39の形状に起因するところが大きく、プローブ形状を改良することにより近接場光発生領域の面積を維持したままで近接場光発生効率の向上を行うことは困難であった。また、プローブ39を構成する材料によってはプローブ39内でレーザー光42の導波ロスが生じるということも近接場光発生効率低下の原因となっていた。我々は、近接場光が固体レーザー表面にも発生していることに着目し、この場合には固体レーザーへの入射ポンプ光強度に対する近接場光発生効率を大きくすることが可能であると考え、本発明において、固体レーザー表面に発生する近接場光を利用する近接場光源の作製を試みた。まず、ファイバーレーザーを用いて近接場光発生効率を向上することを試みた。図2は本発明第2の実施の形態であるErドープガラスファイバー端面を加工してプローブを作製した例を示す。7は片方の端面を先鋭化したErドープガラスファイバー、8はポンプ光を発生する固体レーザー励起用光源、9は信号用光源、10はカップリングミラー、11は固体レーザー励起用光源光源8からのポンプ光、12は信号用光源9からの信号光、13は発生する近接場光である。固体レーザー励起用光源8からのポンプ光9がカップリングミラー10を通して常にErドープガラスファイバー7に入射されている状態で、信号用光源9からの信号光12をカップリングミラー10を通してErドープガラスファイバー7に入射すると、Erドープガラスファイバー7中で信号光12の光強度が増幅され、この増幅された光により励起される近接場光13がErドープガラスファイバー7の先鋭化された先端部分から発生する。本実施例においては、Erドープガラスファイバー7を化学エッチングにより先鋭化した。このとき先鋭化されたErドープガラスファイバー7先端の口径は約80nmであった。その後、反対側のErドープガラスファイバー7端面を研磨し、カップリングミラー10を配置接着することによりプローブを構成した。

0025

以上のような構成についてその特性を説明する。Erドープガラスファイバー7はファイバーレーザーとして知られており、例えば、ポンプ光11として波長950nmのレーザーを用い、信号光12として波長1550nmのレーザー光を入射すると、信号光12の増幅が行えるというものであった。本実施例においてもこれらの波長のレーザー光を用い、増幅された信号光12を近接場光13の光源として用いることにより入射する信号光12の強度に対する近接場光13の発生効率が向上した。近接場発生効率は従来のガラスファイバープローブに比べて数〜数10倍に向上した。しかしながら信号光12の増幅はポンプ光11の強度に依存するため、高い近接場発生効率を得るためにはポンプ光11の強度を上げる必要があるという課題があった。そこで、近接場発生効率の向上の別の方法として、図3に示すような近接場光発生光源の作製を試みた。

0026

図3は近接場光発生光源としてプローブ先端位置に球状に加工した固体レーザーを配置した例を示す。14は球状に加工した固体レーザー、15は固体レーザー励起用光源、16はレンズ、17は固体レーザー14とレンズ16とを固定するために用いる光学材料である。また、18は固体レーザー励起用光源15からのポンプ光であり、19は固体レーザー14内で多重反射をしているレーザー光である。また、20は固体レーザー14の表面に発生する近接場光である。レンズ16により固体レーザー励起用光源15からのポンプ光18を集光して固体レーザー14に照射し、レーザー光19を励起する。このとき固体レーザー14を球状に加工することにより固体レーザー14内に励起されたレーザー光19は固体レーザー14内部で多重反射され、固体レーザー14内のレーザー光強度は増加する。この増加されたレーザー光19により固体レーザー14の表面に近接場光20が発生する。このとき、図3に示すように光学材料17の一部を開口として設けることにより近接場光出射部とすることができる。また、光学材料17は屈折率が1に近く、かつ入射するポンプ光18に対して透明な材料であることが望ましい。本実施例は固体レーザー14としてケイ酸ガラス(SiO2:屈折率1.55)を母材とするNd:ガラスレーザーを用い、光学材料17としてMgF2(屈折率1.2)を用いた例である。

0027

まず、直径約2μmの球状に加工したNd:ガラスレーザー14を、MgF217で覆った。このときNd:ガラスレーザー14の一部をマスキングすることにより、近接場光20の出射開口を形成した。この開口の口径は約80nmであった。さらにレンズ16を端面研磨したMgF217の上部に配置することにより近接場光発生プローブを構成した。レンズ16はフォトリソグラフィープロセスによって作製されたマイクロレンズを用いた。また、固体レーザー励起用光源15として波長808nmの高出力半導体レーザーを用いた。

0028

以上のように構成された球状固体レーザーを有するプローブを含む近接場光源についてその特性を説明する。まず、本発明においてはNd:ガラスレーザー14を球状に加工した。これにより、入射ポンプ光18がNd:ガラスレーザー14内にレーザー光19が励起される。このレーザー光19はNd:ガラスレーザー14内部で多重反射するので、近接場光20の発生に寄与するレーザー光を高効率で増幅することが可能になった。また、励起・増幅されたレーザー光がNd:ガラスレーザー14の表面近傍に近接場光20を発生させるので、近接場光発生効率を大幅に増加させることができるという効果が得られた。Nd:ガラスは、スペクトル幅が広いので、寄生発振を生ずることなく大きなエネルギー反転分布としてレーザー媒質中に蓄えることができる。従って、Nd:ガラスレーザー14は高出力・高エネルギーレーザーステムに適しているという利点があった。また、Nd:ガラスは加工性が高く、球状にしやすいという長所を持ち、さらにレーザー媒質を高い光学的均質性で比較的安価に作ることができるという利点があった。また、固体レーザーをプローブ先端に配置することにより、従来問題となっていたプローブによるレーザー光の導波ロスが除去できるという効果も得られた。

0029

このようにして作製した固体レーザー有するプローブにおいて約1×10-3の近接場発生効率が実現できた。これは従来の先鋭化したファイバープローブ(実施例1に記載)の近接場光発生効率(約1×10-6)に対して約1000倍の値であった。これはデータ伝送速度にして約1000倍の向上が見込まれる値であった。

0030

また、本実施例のような固体レーザーを有するプローブを含む近接場光源の構成を取ることにより、プローブを小型化できるという別の効果も得られた。

0031

また、このようにして得られた近接場光源を用いた近接場光記録再生装置を作製し、光磁気記録媒体の1つであるPt/Co多層膜に対して記録再生実験を行った。このとき入射光パワーとしては1mWで記録可能であった。また、記録スポットサイズは約80nmと非常に微小な領域であった。これば100Gbit/inch2の記録密度に対応する。また、この装置において再生実験を行い伝送速度として従来の約100倍の値が得られた。

0032

なお、固体レーザー14として、Nd:YAGレーザールビーレーザーを用いた場合においても同様の近接場光発生光源が得られた。Nd:YAGレーザーはNd:ガラスレーザーに比べ励起エネルギーが小さいという特徴を有しており、また繰り返し動作が容易であるという利点を持っていた。また、ルビーレーザーはレーザー発振しきい値が高いが、高出力のレーザー光を得ることができるという特徴を持っていた。また、ルビーレーザーの発振波長は約0.69μmであり、可視光による近接場光発生が可能であるという利点を有していた。

0033

(実施の形態3)本実施の形態では、近接場光源においてプローブの一部にセルフダブリング結晶を用いることにより、入射光に対する高調波を励起すると同時に、高調波に対応した近接場光を発生することが可能になった点について説明する。なお実施例としては、セルフダブリング結晶としてNd:LiNbO3結晶を用いた場合について説明する。

0034

近接場光による記録を行う場合には、近接場光のエネルギーを熱として利用する熱モード記録と、フォトクロミック材料等を用いるフォトンモード記録とが考えられるが、フォトンモード記録の場合には記録媒体の波長感度特性の問題が生じる。近接場光は、物質にレーザー光を照射したときに物質表面に発生する局在非伝搬光である。従って入射光の波長に依存した成分を含んでおり、物質とプローブの相互作用によって散乱され検出される散乱光の波長も入射光の波長に依存する。従って、フォトンモード記録には、近接場光を励起するための入射光の波長が重要であった。現在用いられているフォトクロミック吸収波長紫外〜青色の波長帯が多いが、従来用いられている近接場光ポンプ光源の波長は赤〜赤外の波長帯であるため、対応できないという課題があった。これはプローブとして用いる光ファイバーが短波長域で吸収を持つため高効率の近接場光発生が困難であることが原因であった。そこで、本発明において短波長域の近接場光を発生させることを試みた。

0035

図4は本発明第3の実施例を示す図であり、近接場光発生用プローブ内のプローブ先端に近い部分にセルフダブリング結晶を配置し、短波長の近接場光を発生する近接場光源の例である。21はセルフダブリング結晶、22は固体レーザー励起用光源、23は先鋭化されたガラスファイバーを先鋭化して作製したプローブである。また、24は固体レーザー励起用光源22からのポンプ光、25はセルフダブリング結晶21により波長変換された高調波、26はプローブ23の先鋭化された先端に発生する近接場光である。固体レーザー励起用光源22からプローブ23内に入射したポンプ光24によりプローブ23内に配置されたセルフダブリング結晶21においてレーザー光が励起されるとともに、波長変換作用によりこの励起されたレーザー光の高調波25が発生する。この高調波25により、先鋭化されたプローブ23の先端に近接場光26が発生する。本実施例では、固体レーザー励起用光源22として波長805nmの半導体レーザーを用い、セルフダブリング結晶21としてNd:LiNbO3結晶を用いた。なお、本実施例においてはプローブ23の一部にセルフダブリング結晶21を配置しているが、Nd:LiNbO3結晶を加工し、先鋭化した場合においても同様の高調波による近接場光発生が可能であり、高効率で発生した近接場光を得ることができた。

0036

以上のように構成された近接場光源についてその特性を説明する。まず、セルフダブリング結晶21について説明する。セルフダブリング結晶21は、レーザー発振機能と波長変換機能とを有する結晶であり、ポンプ光24をセルフダブリング結晶21に照射することによりレーザー光(基本波)が励起され、さらに非線形光学効果によって上記基本波に対応する高調波25が発振されるというものである。本実施例で用いたセルフダブリング結晶21はNd:LiNbO3結晶であり、ポンプ光24の照射により励起される基本波(波長946nm)と、2次の非線形光学効果により波長変換された第2高調波(波長473nm)が生じた。この第2高調波を近接場光発生の励起光とすることにより、対応する波長を有する近接場光を得ることが可能になった。本実施例においては、ポンプ光24を入射することにより波長946nmの基本波を励起発振し、さらにセルフダブリング効果により波長473nmの高調波25と、高調波25により発生する近接場光26を得ることができた。また、Nd:LiNbO3結晶に、あらかじめ化学エッチングされ先鋭化された光ファイバーを接着した。このとき、光ファイバーの長さを約100μmとしたことにより、光ファイバーによる導波ロスを低減することができた。

0037

また、本実施の形態1において説明した誘電体多層膜ミラー50またはDBRミラー構造とガラスファイバープローブ1の端面51による共振器構造を形成し、共振器内に上記のようなセルフダブリング結晶21を配置した場合には、共振器構造により増幅されたポンプ光を用いて基本波を励起することが可能であり、高効率で高調波25を発生することができた。これにより得られた高調波25を用いてプローブ先端から高出力の近接場光26を発生することができた。

0038

なお、本実施例においてはセルフダブリング結晶21としてEr:LiNbO3結晶を用いたが、固体レーザーと波長変換素子とを組み合わせた場合においても高調波25の発生が可能であり、ポンプ光24により固体レーザーを励起し、レーザー光を波長変換素子に入射することにより高調波25を発生させ、高調波25による近接場光26の発生が実現できた。本実施例においては波長変換素子として光損傷強度の大きいMgO:LiNbO3結晶内に周期状分極反転光導波路を形成した光導波路型SHG素子を用いた。光導波路型SHG素子を用いることにより基本波から高調波への変換効率を大きくすることが可能であった。この場合には、基本波を発生する固体レーザーとして出力波長が1060nmのNd:YAGレーザーを用い、上記光導波路型SHG素子と組合わせることにより波長530nmの高調波を得ることに成功し、この高調波を利用して近接場光26を発生することができた。なお、SHGとは第2高調波発生(secondharmonic generation)のことであり、波長変換作用により入射基本波に対する第2高調波を発生する素子を特にSHG素子と呼ぶ。

発明の効果

0039

以上のように、本発明において、近接場発生光源として、近接場光発生用プローブの一部を共振器構造にすることにより近接場発生効率を向上し、高出力の近接場光発生が可能になった。この近接場光源を用いることにより近接場光記録再生時のデータ伝送速度を向上することができた。

0040

また、この近接場光源により、高出力の近接場光を用いて光磁気記録材料や相変化記録材料に記録再生を行うことができ、高密度記録再生が可能になった。

0041

また、入射光源として安価な低出力レーザーを用いることが可能になり、近接場発生光源のコストを大幅に低減することができた。また、消費電力も低減することができるという効果があった。

0042

また、近接場光発生用プローブに固体レーザー媒質を用い、ポンプ光によりレーザー光を励起すると同時に固体レーザー表面に近接場光を発生させることが可能になり、近接場光発生効率を向上した近接場光源を実現することができた。

0043

また、球状に加工した固体レーザー媒質をプローブ先端に配置し、これにポンプ光を入射することにより、励起したレーザー光を固体レーザー媒質内で多重反射させ、近接場光発生に寄与するレーザー光を増幅することが可能になった。これによりさらに近接場光発生効率を向上させるという効果が得られた。さらに、近接場光発生プローブを小型化できるという効果があった。

0044

また、近接場光発生用プローブの一部にセルフダブリング結晶を配置することにより、高調波による近接場光発生を実現することができた。これにより、例えば短波長に感度を持つような光記録材料等に対して、短波長の近接場光を用いたフォトンモードの近接場光記録が可能になるという効果が得られた。

図面の簡単な説明

0045

図1本発明の第1の実施形態における多層膜共振器構造を備えた近接場光発生用プローブを含む近接場光源の構成の一例を示す図
図2本発明の第2の実施形態におけるファイバーレーザーを備えた近接場光発生用プローブを含む近接場光源の構成の一例を示す図
図3本発明の第2の実施形態における球状の固体レーザーをプローブ先端に備えた近接場光発生プローブを含む近接場光源の構成の一例を示す図
図4本発明の第3の実施形態におけるセルフダブリング結晶を備えた近接場光発生用プローブを含む近接場光源の構成の一例を示す図
図5(a)は試料にレーザー光を照射することにより近接場光を発生検出する光学系の一例を示す図
(b)はプローブにレーザー光を入射することにより近接場光を発生検出する光学系の一例を示す図

--

0046

1ガラスファイバー
2 第1の誘電体層
3 第2の誘電体層
4励起光源
5入射光
6,13,20,26,37,43近接場光
7 Erドープガラスファイバー
8,15,22固体レーザー励起用光源
9信号用光源
10カップリングミラー
11,18,24ポンプ光
12信号光
14 固体レーザー
16レンズ
17光学材料
19,42レーザー光
21セルフダブリング結晶
23,27,39プローブ
25高調波
28,40試料
29プリズム
30,41レーザー光源
31,32,33,34 ミラー
35 試料表面側から試料を照明する場合の入射レーザー光
36試料裏面側から試料を照明する場合の入射レーザー光
38,44散乱光
50誘電体多層膜ミラー
51 端面

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