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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の回折限界よりも高い分解能で記録媒体や試料の光学情報の状態検出、光学情報の記録あるいは再生を行う光学装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、光ディスクの記録速度の向上に伴って、記録媒体の高感度化の研究が盛んである。例えば特開平4−62090号公報には、いわゆるプラズモンを利用した記録層の高感度化の方法が開示されている。
【0003】
プラズモンとは、金属あるい半導体における自由電子の振動量子であり、例えば、光の照射によってプラズモンを励起することが可能である。このプラズモンは、励起されたときに、周囲に強い電磁場を発生させるため、このエネルギーを利用した各種の応用が期待されている。
【0004】
上記の従来例では、変性または溶融する記録材料と金属とからなる微小球を記録層に分散させ、微小球の金属部分にプラズモンをレーザ光の照射により励起して、発生した強い電磁場によって熱を発生させ、記録材料に記録を行うことにより、記録感度つまり記録効率を向上させていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来例では、記録時にプラズモンを利用して効率を向上させたものの、読み出し時にプラズモンを利用する方法は何ら開示も示唆もされておらず、よって、記録感度が向上するだけで、記録マークのサイズを小さくして高密度の記録再生を行う方法は開示も示唆もされていなかった。
【0006】
したがって、上記従来例では、記録密度が上がるつれて、記録領域が小さくなるため、記録領域にレーザ光を照射して、上記記録領域からの読み出し信号の出力が減少するという問題点を生じている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プラズモンを利用して高感度の光学的な再生を安定に行うことを目的とするものである。
【0008】
上記問題点を解決するために、本発明に係る光学装置は、光学的に再生する情報を記録する試料に対し、光ビームを集光レンズにより集光して入射する照射手段と、光ビームにおける試料に至る光路上に、光ビームの照射により電磁場を発生し、かつ、上記試料に近接して配置されたプラズモン部と、光ビームが照射された試料からの光から情報を、上記電磁場の発生を利用して再生する再生手段と、上記集光レンズからの光ビームを、その波長を空気中を伝搬するときより小さくして近接場効果により上記プラズモン部および試料に対し入射するための半球状レンズとを備えたことを特徴としている。
【0009】
上記構成によれば、照射手段による光ビームを試料に集光レンズにより集光して照射することにより、上記光ビームに基づく、試料からの反射光または透過光から、上記試料に光学的に記録された情報、例えば試料の画像や、試料に記録された記録情報を、再生手段により再生できる。
【0010】
このとき、上記構成では、半球状レンズを集光レンズから試料に至る光路上に設けたことにより、集光レンズによって試料上に集光されたビームスポット径より、小さなビームスポット径に半球状レンズによって設定できるので、試料における、より小さな領域となる記録領域の情報を、より確実に再生でき、試料における、画像の解像度の向上や、記録密度の向上に対応できる。
【0011】
その上、上記構成においては、光ビームのビームスポットが照射されて、再生される試料部分に対応する、プラズモン部にも上記ビームスポットが照射されるので、その照射部分のプラズモン部を光ビームによってプラズモン励起することが可能となり、そのプラズモン励起による強力な電磁場を上記プラズモン部に発生させて、試料の対応する領域に上記電磁場による、例えば近接場光や熱を印加することができる。
【0012】
このことから、上記構成では、例えば、試料における各記録領域の、垂直磁化の各方向によって情報を記録し、上記情報をカー回転角の変化により再生する記録光磁気記録媒体を用いた場合、上記カー回転角の変化を大きく設定するために、光磁気記録媒体における読み出し層のキュリー温度を高く設定しても、プラズモン部からの強力な電磁場、例えば強力な電磁場による電流の発生による発熱を内側からの迅速に発生させることができ、光ビームの照射による発熱だけではなく、プラズモン部からの発熱も利用し、上記読み出し層を効率よく、かつ迅速に加熱できて、試料から情報を、プラズモン部に発生した電磁場を利用して、従来より増幅して再生することができる。
【0013】
さらに、上記光学装置では、上記試料からの光のうちプラズモン励起に寄与した光成分を検出する第一の検出手段を備えていてもよい。
【0014】
上記構成によれば、上記試料からの光のうちプラズモン励起に寄与した角度の光成分を検出する第一の検出手段を備えているので、第一の検出手段による光成分の、例えば光量の減少量を検出することで、プラズモン部におけるプラズモン励起の状態を容易に検出できて、プラズモン励起を第一の検出手段によって制御することが可能となる。
【0015】
これにより、上記構成では、第一の検出手段によりプラズモン励起を最適化できることから、プラズモン励起による電磁場を利用した、試料からの光学的な情報の再生を、第一の検出手段によって、さらに安定化できる。
【0016】
上記光学装置は、さらに、前記第一の検出手段の出力信号に基づいて、前記光ビームの光量、前記半球状レンズとプラズモン部との間隔、および前記光ビームと前記半球状レンズとの相対位置の、何れか少なくとも一つを制御する制御手段を備えていることが好ましい。
【0017】
上記構成によれば、制御手段を設けたことによって、常に、プラズモン部の励起状態を最適に制御できて、安定した光学的な情報の再生および/あるいは記録を行うことができる。
【0018】
上記光学装置においては、さらに、前記再生手段は、試料の情報を再生するために、前記光ビームのうち、プラズモン励起に寄与した光以外の、試料からの光成分を検出する第二の検出手段を有していることが望ましい。
【0019】
上記構成によれば、プラズモン励起に関与した光成分の光量が減少しても、上記光成分以外の光成分を検出する第二の検出手段を設けたことによって、光学的な情報を試料から安定して再生することができると共に、上記第二の検出手段からの検出信号に基づいて、集光レンズや半球状レンズの位置を、試料の情報記録位置に最適に制御するサーボ制御が可能となる。
【0020】
上記光学装置は、さらに、前記第二の検出手段は透過ビームあるいは反射ビームの中心部の光を検出する位置に配置されている一方、前記第一の検出手段は、上記中心部に対する外周部の光を検出する位置に配置されていてもよい。
【0021】
上記構成によれば、光ビームの照射に基づく、試料からの反射光または透過光について、プラズモン励起に関与した光成分と、関与していない光成分とを、分離して、それぞれ検出信号(電気信号)に変換し、プラズモン励起の制御と、光学的な情報の再生とを互いに独立し、かつ、同期させて行うことできるので、上記制御と再生とを、より安定に行うことが可能となる。
【0022】
上記光学装置は、さらに、記録情報に基づく記録信号を前記照射手段に出力することにより、前記試料に対し、情報の記録を光学的に行うための記録手段を備えていてもよい。上記構成によれば、記録手段を設けたことによって、照射手段からの光ビームの照射によるプラズモン部のプラズモン励起による電磁場を利用して、試料に対する高感度な記録が可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の光学装置としての光ディスク装置に係る実施の形態について図1ないし図8に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【0024】
上記光ディスク装置では、図1および図2に示すように、図示しないレーザ光源からのレーザビーム(光ビーム)11を、光学的に情報を記録する光ディスク(試料)14に対し、集光レンズ12および半球状レンズ13を介して入射するための光照射部10と、上記レーザビーム11に基づく上記光ディスク14からの光によって情報を再生する再生回路19とが設けられている。したがって、上記集光レンズ12および半球状レンズ13は、それら両者で対物レンズ手段を構成している。
【0025】
上記光ディスク14には、半球状レンズ13に対面した表面に記録層14aが、プラズモン部としてのプラズモン励起材料を含んで設けられている。これにより、上記プラズモン励起材料は、半球状レンズ13と光ディスク14との間のレーザビーム11の光路上に、上記光ディスク14に近接して配置されていることになる。
【0026】
光ディスク14は、基板14b上に記録層14aを成膜したものである。記録層14aは、光学的に情報を記録できる光記録部と、特定の波長や光強度のレーザ光により容易に励起されるプラズモン励起材料とを含むものである。
【0027】
上記光記録部としては、レーザやプラズモン励起による加熱により変性または溶融する有機色素、ポリマー、および光磁気記録媒体などを用いたものが挙げられる。光磁気記録媒体は、各記録領域に、垂直磁化の各方向により情報を記録できると共に、レーザ光のようなコヒーレント光が照射されたときに垂直磁化の各方向の変化によるカー回転角の変化により情報を再生できるものである。
【0028】
上記有機色素や、ポリマーとしては、具体的には、シアニン色素、メロシアニン色素、フタロシアニン色素、ナフタロシアニン色素、およびそれらの金属錯体、スクアリリウム色素、ジチオール、ジアゾール、メルカプトナフトール等の金属錯体、縮合芳香族キノン色素、トリフェニルメタン系色素、アミニウム、ジインモニウム系色素、アゾ分散染料、インドアニリン系金属錯体色素や、顔料などが有色色素として、また、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂などを上記ポリマーとして挙げることができる。上記光磁気記録媒体としては、GdTbFeやTbFeCo、DyFeCo、TbDyFeCo等の希土類遷移金属薄膜などが挙げられる。
【0029】
本願発明では、レーザビーム11による加熱に加えて、レーザビーム11によるプラズモン励起による、局所的な加熱により、記録層14aにおける、レーザビーム11の照射部位を効率よく加熱できるので、記録層14aとして、例えば、室温にて面内磁化を有し、温度上昇に伴い垂直磁化に変化する読出用磁性層を、垂直磁化により情報を記録する記録用磁性層上に設けて用いることにより、上記読出用磁性層からの情報の読み出しを改善できる。
【0030】
これは、本願発明では、記録層14aにおける読み出し部位の加熱温度を大きく設定できるので、上記読出用磁性層のキュリー温度や垂直磁化に変化する温度を高く設定できるので、カー回転角の変化を大きくでき、上記読出用磁性からの再生出力を増大化できて、記録層14aからの情報の読み出しを安定化および確実化できる。
【0031】
上記プラズモン励起材料としては、レーザ光の照射によってプラズモン共鳴(プラズマ共鳴)してプラズモン振動を発生するものであれば、特に限定されないが、例えば自由電子を有する金属、合金、半導体、あるいは有機化合物が挙げられる。その素材としては、具体的には、金、銀、アルミニウム、銅などが挙げられる。
【0032】
また、上記光磁気記録媒体としての各材料は、合金であり、導電性が高いため、プラズモンを励起する自由電子を備えている。したがって、光記録部とプラズモン励起材料とを兼用することができる。一方、有機色素、ポリマーの中には、絶縁体もあり、その場合には、光記録部の上層つまり上記光記録部と半球状レンズ13との間にプラズモン励起材料を成膜すればよい(図示せず)。
【0033】
上記プラズモン励起材料は、表面プラズマモン励起効果を、よりいっそう増大化し、また、光記録部と表面プラズモン励起効果との相互作用を強化させ、かつ、吸収されたレーザエネルギーを有効に、光記録部に伝達させるために、その表面積を大きく設定することが好ましいことから、多結晶材料などを用いる場合は、粒径300nm以下、さらに好ましくは粒径100nm以下の微粒子形状が好ましい。
【0034】
前記半球状レンズ13は、SIL(Solid Immersion Lens)と呼ばれている凸レンズであり、半球状レンズ13の屈折率が空気(屈折率が1)より大きいことを用いて、凸レンズである集光レンズ12により記録層14a上に集光される光の波長を小さく設定して、記録層14a上に集光された光の解像度を向上させるものである。なお、半球状レンズ13としては、半球状の他に、超半球状のものも含まれるが、説明の便宜上、本実施の形態では半球状のものについてのみ説明する。
【0035】
上記集光レンズ12および半球状レンズ13は、上記両者の中心軸が、集光レンズ12に入射する平行光束P1 の光軸とそれぞれ一致するように配置されている。また、集光レンズ12および半球状レンズ13は、集光レンズ12に入射する平行光束P1 の進行方向に沿って設けられている。
【0036】
半球状レンズ13は、光の入射面が半球面であり、光の出射面が平坦面(半球状レンズ13の中心軸に対し直交する)のものである。上記半球面は、集光レンズ12により集光された光の焦点を中心とする球の面の一部となるように設定されている。本実施の形態では、集光レンズ12の開口数をNA、半球状レンズ13の屈折率をN1 (>1)とする。
【0037】
このような光ディスク装置において、集光レンズ12に入射した平行光束P1の光(波長=λ)は、上記集光レンズ12により集光される。その集光された光は、半球状レンズ13の半球面に対し垂直に入射する。この入射光は、半球状レンズ13内で開口数NAで波長がλ/N1 の光束となり、そして、半球状レンズ13の平坦面から出射し、一旦大気中に出た後、記録層14aに入射する。
【0038】
ここにおいて、半球状レンズ13の出射光は、記録層14a上に集光されたビームスポット径を小さくするために開口数が大きくなると、半球状レンズ13の平坦面や記録層14aへの入射角が大きくなるため、記録層14aの表面上や、半球状レンズ13の平坦面において反射が生じてしまい、光量ロスが生じる。
【0039】
そこで、本発明では、半球状レンズ13の平坦面を記録層14aに近接させる、ギャップ15の間隔(用いたレーザ光の波長λ以下、より好ましくはλ/4以下の距離、例えば数十nm以下)にて、半球状レンズ13を記録層14aに対して配置している。このようなギャップ15は、例えば、半球状レンズ13に対し光ディスク14を回転させて上記半球状レンズ13を記録層14aに対し空気浮上させることにより形成することができる。
【0040】
このように配置することにより、半球状レンズ13の平坦面での全反射表面から、近接場光としてのエバネッセント(evanescent)光が、近接している記録層14aに伝わるようになる。すなわち、上記半球状レンズ13の平坦面から出射する光束は、近接場(near field)効果により記録層14aと結合し、半球状レンズ13内での進行方向と概ね同一方向に進行する。このため、半球状レンズ13から大気中に出射するときに大きな反射を生じさせずに、集光された光束を記録層14aに導くことができる。
【0041】
このとき、記録層14aに導かれる光束は、半球状レンズ13内で伝搬する光と同様の性質のものとなる。このため、記録層14aに伝搬する光は、開口数NA、波長λ/N1 の光束となる。よって、記録層14aの表面には、波長がλ/N1 で開口数NAの光束が入射することとなる。
【0042】
このため、記録層14aに対し、集光レンズ12によりレーザビーム11を集光する、通常の場合と比べて、記録層14a上に集光されるレーザビーム11のビームスポット径を、1/N1 に小さく設定できるので、記録層14aに対し、光学的に記録できる情報の密度を、上記半球状レンズ13によって、さらに高めることができる。
【0043】
また、上記光学ディスク装置では、半球状レンズ13を設けたことにより、反射を抑制して充分な光量を記録層14aに対して照射できるので、上記記録層14aから情報を、さらに、高密度にて記録および/または再生することが可能となる。
【0044】
なお、ギャップ15の代わりに、光学的に同じ厚みを持つ保護層(図示せず)を記録層14aの上方か、あるいは半球状レンズ13の底面か、あるいは両方に設け(この場合は厚みの和をギャップ15と同じに設定する。)、半球状レンズ13と光ディスク14とを保護層を介して互いに接触させてもよい。このとき、保護層の屈折率は、前述の半球状レンズ13の屈折率をN1 と同一に設定することが好ましい。
【0045】
レーザビーム11のうち、外側の環状となる光成分11bは、後述するように、プラズモン共鳴を励起しない場合、記録層14aによって全反射する一方、上記光成分11bの内側の、円形状の光成分11aは、記録層14aの光学特性によって透過、吸収、反射が起こる。
【0046】
また、上記の外側の光成分11bは、記録層14aにてプラズモン共鳴を励起する波長や入射角を有するように設定できるので、半球状レンズ13への外側の光成分11bの入射角を、例えば、集光レンズ12と半球状レンズ13との距離を調整することにより、プラズモン共鳴を励起する光強度となるように設定できてプラズモン共鳴を適切に、かつ確実に励起して、より強い近接場光を発生させることができる。
【0047】
この入射角は、例えば集光レンズ12と半球状レンズ13との距離に依存して変化する。図3に示すように、この距離がプラズモンを励起する距離x1となったとき、レーザビームの外側の光成分11bは記録層14aにて、上記プラズモンの励起によって吸収され、プラズモン共鳴が生じる。この距離は集光レンズ12の、光軸方向への駆動装置によって容易に調節することができる。
【0048】
また、図4に示すように記録層14aと半球状レンズ13との間のギャップ15の間隔がx2となるか、あるいは図5に示すようにレーザの出射光量がPoとなるように調整することによって、記録層14aにおけるプラズモン励起を、最も適切に発生させることもできる。
【0049】
このようにプラズモン励起には、斜めから光が入射することが好ましく、さらに、半球状レンズ13内の入射光の波長と、プラズモン励起のための波数とが互いに一致する必要がある。このことから、上記プラズモン励起は、半球状レンズ13から光の入射角度にも、上記光の波長にも依存することから、上記のように入射角度や、上記光の波長の各設定により、的確に制御されるものである。
【0050】
図1に示すように、記録層14aにおいて励起したプラズモン励起部14cは、通常の近接場光の数十倍〜数百倍の電磁場強度を有しており、前述したように、記録層14aの光学情報を増幅したり、あるいは記録のための電磁場として使用できる。また、半球状レンズ13により、その励起領域を、極めて小さく設定できる。
【0051】
したがって、プラズモン励起による強い電磁波の発生によって、強い近接場光を発生させて、その強い近接場光を、通常の伝搬光と同様に、直接、記録層14aにおける記録再生に関与させたり、上記近接場光が記録層14aに相互作用して伝搬光や熱に変換された後に、上記記録再生に関与させたりして、記録層14aにおいて高感度(高S/N比)および高密度で光学情報を再生したり、記録したりすることが、上記の強い近接場光を用いて可能となる。
【0052】
なお、上記では、プラズモンを励起するプラズモン励起層を記録層14a上に別途成膜して、電磁場増強の機能と、記録や再生のための機能をそれぞれ分離してもよい。
【0053】
さて、記録層14aにおいてプラズモン励起材料が励起されると、外側の光成分11bは記録層14aのプラズモン励起材料によって吸収されるため、その部分からの反射光は減少する。そこで、常に反射光または透過光の内側の光成分11aによって光学情報を記録層14aから再生する方が実用的である。また、レーザビーム11のトラッキングサーボ等の位置決めも内側の光成分11aの反射光あるいは透過光に基づいて行う方がよい。
【0054】
図6は上記の外側の光成分11bと内側の光成分11aとを検出するための検出器を示す図である。検出器は、円形状の中心検出部(第二の検出手段)30aと、その中心検出部30aの外周を覆うように円環状の外周検出部(第一の検出手段)30bとの各フォトディテクタをそれぞれ有している。
【0055】
上記中心検出部30aは、さらに十文字に区切られた4分割ディテクタとすれば、非点収差法によるフォーカスサーボ、プッシュプル法によるトラックサーボを行うことができる。
【0056】
外周検出部30bは、光ディスク14からの透過光あるいは反射光の内、上記レーザビーム11による上記プラズモン部のプラズモン励起に寄与した入射角の光成分を検出するためのものである。
【0057】
中心検出部30aでは反射光の内側の光成分11aを受光して電気信号31に変換し、外周検出部30bでは反射光の外側の光成分11bを受光して電気信号32に変換する。これにより、レーザビーム11における、プラズモンの励起に寄与した、外側の光成分11bと、それ以外の内側の光成分11aとを、互いに分離、独立して、電気信号32、31にそれぞれ変換できる。
【0058】
なお、各フォトディテクタである中心検出部30aおよび外周検出部30bの形状は上記の円形状や円環状に限らず、直線上に配置した3つのディテクタとし、真ん中のディテクタを内側の光成分11aを検出するために使用し、両側の2つのディテクタを外側の光成分11bを検出する構造にしてもよい。
【0059】
図2は上記光ディスク14に情報を記録再生する装置のブロック図を示したものである。記録回路18から出された記録信号がレーザ駆動回路17に送られ、光学ピックアップ16内の半導体レーザ等のレーザ光源から出射された、上記記録信号により変調されたレーザビーム11が半球状レンズ13を介して光ディスク14に照射されて、情報が記録される。
【0060】
再生時は、記録時より弱い光量の再生用のレーザビーム11を光ディスク14に照射する。光ディスク14からの反射光は光ピックアップ16内のフォトディテクタである中心検出部30aおよび外周検出部30bにて電気信号31、32に変換される。反射光のうち、内側の光成分11aからの電気信号31は再生回路19に送られ情報を再生するために用いられる。
【0061】
外側の光成分11bからの電気信号32は信号処理回路24に送られる。信号処理回路24では、図3ないし図5に示したように反射光量が最低となるように、あるいは反射光量が、予め設定された閾値よりも下回るように、サーボ回路20、レーザ駆動回路17、および回転制御回路25が、制御信号33によりフィードバック制御される。
【0062】
サーボ回路20は光学ピックアップ16内の集光レンズ12を駆動するものである。レーザ駆動回路17は光ピックアップ16内の半導体レーザの出射光量を調節するものである。また回転制御回路25は、半球状レンズ13と光ディスク14との間隔つまり空気浮上の浮上量が適切となるように光ディスク14の回転数を制御するものである。
【0063】
また、上述の図1に記載の光ディスク14に代えて、図7に示すように、光透過性を有する基板22bを挟んで半球状レンズ21と、前述のプラズモン励起材料を含む記録層22aとを配置した光ディスク22を用いてもよい。この場合は、半球状レンズ21と基板22bの厚みの和が、前述の半球状の半球状レンズ13の光学的な厚さ(つまり半球状レンズ13の平坦面と半球面の頂点との距離)と等価となるように設定されていることが望ましい。
【0064】
このような構成では、光ディスク22上を半球状レンズ21が基板22b上を滑走するので、万一、滑走が失敗つまり滑走により基板22bをクラッシュしても記録層22aを傷つけないため、記録層22aにおいて、それに含まれるプラズモン励起材料をプラズモン励起部22cとして半永久的に安定して励起することができる。
【0065】
また、図1に示す構成に代えて、図8に示すように半球状レンズ13の底面に、前述のプラズモン励起材料を含むプラズモン励起層23を成膜してもよい。このプラズモン励起層23は、ギャップ15を隔てて光ディスク14に対面するようになっている。ギャップ15は、用いたレーザ光の波長λ以下、より好ましくはλ/4以下となる数十nm以下となるように、例えば、上記半球状レンズ13が光ディスク14に対し空気浮上されている。これにより、プラズモン励起層23のプラズモン励起部14cに、レーザビーム11の集光によって発生した近接場14dはギャップ15を介して、記録層14aに達し、前述と同様の効果を奏する。
【0066】
なお、ギャップ15の代わりに、光学的に同じ厚みを有する保護層(図示せず)を記録層14aの上方か、あるいはプラズモン励起層23の下方か、あるいは両方に設け(この場合は厚みの和をギャップ15と同じに設定する)、半球状レンズ13と光ディスク14を接触、つまり半球状レンズ13を保護層上を滑走するように設定してもよい。
【0067】
レーザビーム11のうち外側の光成分11bはプラズモン励起層23を励起しし、内側の光成分11aはプラズモン励起層23を透過して記録層14aの光学特性によって透過、吸収、反射が起こる。なお、この場合は、記録層14aを、プラズモン励起を考慮せずに自由に選ぶことができるため、プラズモンを励起できない他の材料を選ぶことも可能である。
【0068】
また、記録層14aを、その他の観察試料に置き換えて、フォトディテクタに、例えばCCDを用いることにより、高感度、高解像度の光学顕微鏡も光学装置として実現できる。
【0069】
ところで、従来、近接場の発生については、プラズモンを用いることに限定されず、通常、回折限界よりも小さい(数十nm)屈折率の相異なる領域(開口)があれば、その周囲に近接場が発生する。このときの電場(電磁場でもよい)は非常に小さく、近接場光学顕微鏡は、これを利用しているため、S/N比が低く、明確な像が得難いという欠点があった。
【0070】
一方、本願発明では、プラズモンを利用したため、上記の通常の近接場に比べて、数十〜数百倍の強度の近接場が発生させることができて、その強い近接場による光を用いて、S/N比を高くできて、より明確な像を得ることができる。
【0071】
【発明の効果】
本発明の光学装置は、以上のように、光学的に再生する情報を記録する試料に対し、光ビームを集光レンズにより集光して入射する照射手段と、光ビームにおける試料に至る光路上に、光ビームの照射により電磁場を発生し、かつ、上記試料に近接して配置されたプラズモン部と、光ビームが照射された試料からの光から情報を、上記電磁場の発生を利用して再生する再生手段と、上記集光レンズからの光ビームを、その波長を空気中を伝搬するときより小さくして近接場効果により上記プラズモン部および試料に対し入射するための半球状レンズとを備えた構成である。
【0072】
それゆえ、上記構成は、プラズモン部と半球状レンズとを、集光レンズから試料に至る光ビームの光路上に設けたことにより、半球状レンズによりビームスポット径を、より小さく設定できることと、プラズモン部のプラズモン励起による強力な電磁場の発生とによって、試料における記録密度の向上に対応できると共に、試料からの情報再生を、より確実化、安定化できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学装置の模式図である。
【図2】上記光学装置における、情報の記録再生を行うためのブロック図である。
【図3】上記光学装置において、プラズモン部を励起するための集光レンズと半球状レンズとの距離の関係を説明するグラフである。
【図4】上記光学装置において、プラズモン部を励起するための記録層と半球状レンズとの距離の関係を説明するグラフである。
【図5】上記光学装置において、プラズモン部を励起するためのレーザビームの出射光量の関係を説明するグラフである。
【図6】上記光学装置における反射光の外側の光成分と内側の光成分をそれぞれ検出する検出器の概略平面図である。
【図7】上記光学装置の他の変形例を示す模式図である。
【図8】上記光学装置のさらに他の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
11 光ビーム
12 集光レンズ
13 半球状レンズ
14 光ディスク(試料)
14a 記録層(試料)
14b 基板
30a フォトディテクタ(第二の検出手段)
30b フォトディテクタ(第一の検出手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical apparatus that detects the state of optical information of a recording medium or a sample and records or reproduces optical information with a resolution higher than the diffraction limit of light.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, research on increasing the sensitivity of recording media has been actively conducted with the improvement of the recording speed of optical disks. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-62090 discloses a method for increasing the sensitivity of a recording layer using so-called plasmons.
[0003]
A plasmon is a vibrational quantum of free electrons in a metal or semiconductor. For example, plasmon can be excited by light irradiation. Since this plasmon generates a strong electromagnetic field around it when excited, various applications using this energy are expected.
[0004]
In the above conventional example, microspheres made of a recording material and metal to be modified or melted are dispersed in a recording layer, plasmons are excited on the metal portions of the microspheres by irradiation with laser light, and heat is generated by the generated strong electromagnetic field. The recording sensitivity, that is, the recording efficiency has been improved by generating and recording on the recording material.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, although the efficiency was improved by using plasmons at the time of recording, there is no disclosure or suggestion of a method of using plasmons at the time of reading. There has been no disclosure or suggestion of a method for recording and reproducing at a high density by reducing the size of the mark.
[0006]
Therefore, in the above conventional example, as the recording density increases, the recording area becomes smaller, so that there is a problem that the output of the read signal from the recording area is reduced by irradiating the recording area with laser light. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to stably perform high-sensitivity optical reproduction using plasmons.
[0008]
In order to solve the above-described problems, an optical apparatus according to the present invention includes an irradiating unit that focuses a light beam on a sample on which information to be optically recorded is recorded by a condensing lens, and enters the light beam. An electromagnetic field is generated by irradiating a light beam on the optical path to the sample, and information is generated from the plasmon part arranged close to the sample and light from the sample irradiated with the light beam. And a hemisphere for making the light beam from the condenser lens smaller than that when propagating through the air and making it incident on the plasmon part and the sample due to the near-field effect. It is characterized by having a lens.
[0009]
According to the above configuration, the sample is optically recorded on the sample from the reflected or transmitted light from the sample based on the light beam by irradiating the sample with the light beam from the irradiating means by condensing the sample with the condenser lens. The recorded information, for example, the image of the sample and the recorded information recorded on the sample can be reproduced by the reproducing means.
[0010]
At this time, in the above configuration, the hemispherical lens is provided on the optical path from the condenser lens to the sample, so that the hemispherical lens has a smaller beam spot diameter than the beam spot diameter collected on the sample by the condenser lens. Therefore, information on a recording area that is a smaller area in the sample can be reproduced more reliably, and it is possible to cope with improvement in image resolution and recording density in the sample.
[0011]
In addition, in the above configuration, the beam spot of the light beam is irradiated and the beam spot is also irradiated to the plasmon portion corresponding to the sample portion to be reproduced, so that the plasmon portion of the irradiated portion is irradiated with the light beam. It becomes possible to perform plasmon excitation, and a strong electromagnetic field by the plasmon excitation can be generated in the plasmon part, and for example, near-field light or heat by the electromagnetic field can be applied to a corresponding region of the sample.
[0012]
Therefore, in the above configuration, for example, when a recording magneto-optical recording medium that records information according to each direction of perpendicular magnetization of each recording region in the sample and reproduces the information by changing the Kerr rotation angle, Even if the Curie temperature of the readout layer in the magneto-optical recording medium is set high in order to set the change in the Kerr rotation angle to a large value, the strong electromagnetic field from the plasmon part, for example, heat generation due to the generation of current due to the strong electromagnetic field from the inside It is possible to quickly generate heat, and not only the heat generated by light beam irradiation but also the heat generated from the plasmon part, the readout layer can be efficiently and quickly heated, and information from the sample is transferred to the plasmon part. By using the generated electromagnetic field, it can be amplified and reproduced.
[0013]
Furthermore, the optical device may include first detection means for detecting a light component contributing to plasmon excitation in the light from the sample.
[0014]
According to the above configuration, since the first detection unit that detects the light component at the angle that contributed to plasmon excitation out of the light from the sample is provided, the light component of the first detection unit, for example, the amount of light is reduced. By detecting the amount, the state of plasmon excitation in the plasmon part can be easily detected, and plasmon excitation can be controlled by the first detection means.
[0015]
Thereby, in the above configuration, since the plasmon excitation can be optimized by the first detection means, the optical information reproduction from the sample using the electromagnetic field by the plasmon excitation is further stabilized by the first detection means. it can.
[0016]
The optical device further includes a light amount of the light beam, a distance between the hemispherical lens and the plasmon portion, and a relative position between the light beam and the hemispherical lens based on an output signal of the first detection unit. It is preferable to include a control means for controlling at least one of the above.
[0017]
According to the above configuration, by providing the control means, the excited state of the plasmon part can always be optimally controlled, and stable optical information reproduction and / or recording can be performed.
[0018]
In the optical apparatus, the reproducing unit further detects a light component from the sample other than the light that has contributed to plasmon excitation in the light beam in order to reproduce the sample information. It is desirable to have
[0019]
According to the above configuration, even if the light amount of the light component involved in plasmon excitation is reduced, the optical information is stabilized from the sample by providing the second detection means for detecting the light component other than the light component. And the servo control for optimally controlling the position of the condenser lens and hemispherical lens to the information recording position of the sample based on the detection signal from the second detection means. .
[0020]
In the optical device, the second detection means is disposed at a position for detecting light at the center of the transmitted beam or the reflected beam, while the first detection means is provided at an outer peripheral portion with respect to the center. You may arrange | position in the position which detects light.
[0021]
According to the above configuration, with respect to the reflected light or transmitted light from the sample based on the irradiation of the light beam, the light component involved in plasmon excitation and the light component not involved are separated and detected signals (electric Plasmon excitation control and optical information reproduction can be performed independently and in synchronization with each other, so that the above control and reproduction can be performed more stably. .
[0022]
The optical apparatus may further include recording means for optically recording information on the sample by outputting a recording signal based on the recorded information to the irradiation means. According to the above configuration, since the recording unit is provided, high-sensitivity recording can be performed on the sample using an electromagnetic field generated by plasmon excitation of the plasmon portion by irradiation of the light beam from the irradiation unit.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of an optical disk device as an optical device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0024]
In the optical disk apparatus, as shown in FIGS. 1 and 2, a laser beam (light beam) 11 from a laser light source (not shown) is applied to an optical disk (sample) 14 for optically recording information, and a
[0025]
In the
[0026]
The
[0027]
Examples of the optical recording unit include those using organic dyes, polymers, magneto-optical recording media, and the like that are denatured or melted by heating by laser or plasmon excitation. A magneto-optical recording medium can record information in each recording area in each direction of perpendicular magnetization, and also when a Kerr rotation angle changes due to a change in each direction of perpendicular magnetization when irradiated with coherent light such as laser light. Information can be reproduced.
[0028]
Specific examples of the organic dyes and polymers include cyanine dyes, merocyanine dyes, phthalocyanine dyes, naphthalocyanine dyes, metal complexes thereof, squarylium dyes, dithiols, diazoles, mercaptonaphthols, and the like, condensed aromatics Quinone dyes, triphenylmethane dyes, aminium, diimmonium dyes, azo disperse dyes, indoaniline metal complex dyes, pigments, etc. are colored dyes, and methacrylic resins, acrylic resins, polyester resins, etc. are mentioned as the above polymers. be able to. Examples of the magneto-optical recording medium include rare earth transition metal thin films such as GdTbFe, TbFeCo, DyFeCo, and TbDyFeCo.
[0029]
In the present invention, in addition to the heating by the
[0030]
In the present invention, since the heating temperature of the reading portion in the recording layer 14a can be set large, the Curie temperature of the reading magnetic layer and the temperature changing to the perpendicular magnetization can be set high, so that the change in the Kerr rotation angle is greatly increased. In addition, the reproduction output from the reading magnet can be increased, and the reading of information from the recording layer 14a can be stabilized and ensured.
[0031]
The plasmon excitation material is not particularly limited as long as it generates plasmon vibration by plasmon resonance (plasma resonance) by laser light irradiation. For example, a metal, an alloy, a semiconductor, or an organic compound having free electrons may be used. Can be mentioned. Specific examples of the material include gold, silver, aluminum, and copper.
[0032]
Further, each material as the magneto-optical recording medium is an alloy and has high conductivity, and therefore has free electrons that excite plasmons. Therefore, the optical recording part and the plasmon excitation material can be used together. On the other hand, some organic dyes and polymers also have insulators. In that case, a plasmon excitation material may be deposited on the upper layer of the optical recording unit, that is, between the optical recording unit and the hemispherical lens 13 ( Not shown).
[0033]
The plasmon excitation material further increases the surface plasma mon excitation effect, enhances the interaction between the optical recording portion and the surface plasmon excitation effect, and effectively uses the absorbed laser energy. Therefore, when a polycrystalline material or the like is used, a fine particle shape with a particle size of 300 nm or less, more preferably a particle size of 100 nm or less is preferable.
[0034]
The
[0035]
The condensing
[0036]
In the
[0037]
In such an optical disc apparatus, the light (wavelength = λ) of the parallel light flux P1 incident on the
[0038]
Here, when the numerical aperture of the light emitted from the
[0039]
Therefore, in the present invention, the gap 15 (the distance of the used laser beam wavelength λ or less, more preferably λ / 4 or less, for example, several tens of nm or less) is used to bring the flat surface of the
[0040]
By arranging in this manner, evanescent light as near-field light is transmitted from the total reflection surface on the flat surface of the
[0041]
At this time, the light beam guided to the recording layer 14 a has the same property as the light propagating in the
[0042]
For this reason, the beam spot diameter of the
[0043]
In the optical disk device, since the
[0044]
Instead of the
[0045]
As will be described later, in the
[0046]
Further, since the outer
[0047]
This incident angle changes depending on the distance between the
[0048]
Further, the
[0049]
Thus, for plasmon excitation, light is preferably incident from an oblique direction, and the wavelength of incident light in the
[0050]
As shown in FIG. 1, the
[0051]
Therefore, strong near-field light is generated by generation of strong electromagnetic waves due to plasmon excitation, and the strong near-field light is directly involved in recording / reproduction in the recording layer 14a, as in the case of normal propagation light, After the field light interacts with the recording layer 14a and is converted into propagating light or heat, the recording layer 14a is involved in the recording / reproducing so that the recording layer 14a has high sensitivity (high S / N ratio) and high density optical information. Can be reproduced or recorded using the above-mentioned strong near-field light.
[0052]
In the above description, a plasmon excitation layer for exciting plasmons may be separately formed on the recording layer 14a to separate the electromagnetic field enhancement function from the recording and reproduction functions.
[0053]
When the plasmon excitation material is excited in the recording layer 14a, the outer
[0054]
FIG. 6 is a diagram showing a detector for detecting the outer
[0055]
If the
[0056]
The outer
[0057]
The
[0058]
The shapes of the
[0059]
FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for recording / reproducing information on the
[0060]
At the time of reproduction, the
[0061]
The
[0062]
The
[0063]
Further, in place of the
[0064]
In such a configuration, since the
[0065]
Instead of the configuration shown in FIG. 1, a
[0066]
Instead of the
[0067]
The outer
[0068]
Further, by replacing the recording layer 14a with another observation sample and using, for example, a CCD as a photodetector, a high-sensitivity and high-resolution optical microscope can be realized as an optical device.
[0069]
By the way, conventionally, the generation of the near field is not limited to the use of plasmons. Usually, if there is a region (aperture) having a different refractive index smaller than the diffraction limit (several tens of nm), the near field is around it. Occurs. The electric field (which may be an electromagnetic field) at this time is very small, and the near-field optical microscope uses this, and thus has a disadvantage that the S / N ratio is low and it is difficult to obtain a clear image.
[0070]
On the other hand, in the present invention, since plasmons are used, a near field having an intensity of several tens to several hundreds of times can be generated compared to the above normal near field, using light from the strong near field, The S / N ratio can be increased and a clearer image can be obtained.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, the optical apparatus according to the present invention includes an irradiating unit that focuses a light beam on a sample on which information to be optically reproduced is recorded by a condenser lens, and an optical path on the optical beam that reaches the sample. In addition, an electromagnetic field is generated by the irradiation of the light beam, and information is reproduced from the plasmon portion arranged close to the sample and light from the sample irradiated with the light beam by using the generation of the electromagnetic field. And a hemispherical lens for making the light beam from the condensing lens have a wavelength smaller than that when propagating in the air and making it incident on the plasmon part and the sample by the near-field effect. It is a configuration.
[0072]
Therefore, in the above configuration, by providing the plasmon part and the hemispherical lens on the optical path of the light beam from the condenser lens to the sample, the beam spot diameter can be set smaller by the hemispherical lens, and the plasmon By generating a strong electromagnetic field due to plasmon excitation of the part, it is possible to cope with an improvement in the recording density in the sample and to achieve more reliable and stable information reproduction from the sample.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an optical device of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram for recording and reproducing information in the optical apparatus.
FIG. 3 is a graph for explaining a relationship between a distance between a condenser lens and a hemispherical lens for exciting a plasmon part in the optical device.
FIG. 4 is a graph for explaining a relationship between a distance between a recording layer for exciting a plasmon portion and a hemispherical lens in the optical device.
FIG. 5 is a graph illustrating the relationship between the amount of light emitted from a laser beam for exciting a plasmon part in the optical device.
FIG. 6 is a schematic plan view of a detector that detects an outer light component and an inner light component of reflected light in the optical device.
FIG. 7 is a schematic view showing another modification of the optical device.
FIG. 8 is a schematic view showing still another modification of the optical device.
[Explanation of symbols]
11 Light beam
12 Condensing lens
13 Hemispherical lens
14 Optical disc (sample)
14a Recording layer (sample)
14b substrate
30a Photodetector (second detection means)
30b Photodetector (first detection means)
Claims (5)
光ビームにおける試料に至る光路上に、光ビームの照射により電磁場を発生し、かつ、上記試料に近接して配置されたプラズモン部と、
光ビームが照射された試料からの光から情報を、上記電磁場の発生を利用して再生する再生手段と、
上記集光レンズからの光ビームを、その波長を空気中を伝搬するときより小さくして近接場効果により上記プラズモン部および試料に対し入射するための半球状レンズとを備え、
上記試料からの光のうちプラズモン励起に寄与した光成分を検出する第一の検出手段をさらに備えたことを特徴とする光学装置。An irradiating means for condensing a light beam by a condenser lens and entering the sample for recording information to be optically reproduced,
A plasmon part that is generated in the vicinity of the sample by generating an electromagnetic field by irradiation of the light beam on the optical path to the sample in the light beam;
Reproducing means for reproducing information from the light from the sample irradiated with the light beam using generation of the electromagnetic field;
A hemispherical lens for making the light beam from the condensing lens have a wavelength smaller than that when propagating in the air and entering the plasmon part and the sample by a near-field effect ;
An optical apparatus , further comprising first detection means for detecting a light component contributing to plasmon excitation in the light from the sample .
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