JP4090462B2

JP4090462B2 - 磁気光学素子及び光学装置

Info

Publication number: JP4090462B2
Application number: JP2004303352A
Authority: JP
Inventors: 忠雄桂川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JP2005055921A

Description

本発明は、大きな磁気光学効果を生じさせることができ、磁化された像の可視化やレーザ光による読出し等が可能で各種分野に応用し得る磁気光学素子及び光学装置に関する。

磁性体を磁化し、磁化方向に平行に直線偏光を入射させると、その直線偏光は磁性体を通過することにより光の偏光面が回転されることはファラデー効果として知られている。このようなファラデー効果を有する材料を用いて磁気記録媒体（磁気光学素子）などが作られている。

例えば、特許文献１によればイットリウム及び希土類鉄ガーネットとその誘電体を用いた磁気記録媒体、特許文献２によれば六方晶フェライトを用いた磁気記録媒体、特許文献３によればイットリウム鉄ガーネット粒子を用いた塗布型磁気記録媒体、特許文献４によれば希土類鉄ガーネット微粒子を用いた塗布型磁気記録媒体等が開示されている。これらの磁気記録媒体は、磁性体或は磁性体微粒子を基体上に薄膜状に記録層として形成した構造を有している。このような磁気記録媒体によれば、記録・消去・読出しを良好に行うことができる。

特開昭５６−１５１２５号公報特開昭６１−８９６０５号公報特開昭６２−１１９７５８号公報特開平４−１３２０２９号公報

ところが、これらの公報類に開示された従来の磁気記録媒体による場合、記録・消去・読出しなるメモリ的な使用に限られてしまい、ディスプレイ等の他の用途への応用・転用には不向きなものである。また、メモリ的な使用に関しても、必ずしも十分大きな磁気光学効果が得られるわけではなく、読出し等のＳ／Ｎがよいとは限らない。

そこで、本発明は、極めて大きな磁気光学効果を得ることができ、磁気ヘッドにより記録・消去・読出しが行えるのはもちろん、磁化された像の可視化によるディスプレイ等への応用やレーザ光による読出し等が可能で各種分野に応用し得る磁気光学素子を提供することを目的とする。さらには、本発明は、透過型・反射型を問わずディスプレイ等に応用し得る磁気光学素子及び光学装置を提供することを目的とする。また、本発明は、コントラストの向上や多色表示できるディスプレイ化が可能な磁気光学素子及び光学装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の磁気光学素子は、基板表面に０．２〜２μｍの範囲のピッチと深さよりなるグレーティング形状で同一方向の周期構造を有し、この周期構造上に一層の２０〜２００ｎｍの厚さの磁性層を有し、可視光に対して前記周期構造の溝部と格子部からの光の干渉でファラデー効果を増大させることを特徴としディスプレイを構成するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気光学素子において、周期構造は、２次元的である。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の磁気光学素子において、周期構造をなすピッチの周期が２種類以上である。

請求項４記載の発明は、請求項１，２又は３記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子に対面する１枚又は２枚の偏光子と、を備える光学装置である。

本発明によれば、０．２〜２μｍの範囲のピッチと深さよりなるグレーティング形状で同一方向の周期構造上に一層の２０〜２００ｎｍの厚さの磁性層を有するので、画素に白色を表示するときに画素に表示される画像の白さが高められる（明るくなる）。また、基板表面にグレーティング形状で同一方向の周期構造を有し、かつ、この周期構造上に磁性層を有するので、画素に黒色を表示するときに画素に表示される画像の黒さが高められる（暗くなる）。これにより、画像のコントラストを大きくすることができる。

本発明の一実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。

図１は磁気光学素子１の基本的構成例を模式的に示すもので、基板２の表面には微細なグレーティング形状による周期構造３が形成され、この周期構造３の表面全域に渡って薄い磁性層４が連続して形成されている。ここに、周期構造３は、例えば、図１（ａ）に示すように凹凸の繰返しによる矩形波状の周期構造３ａであってもよいが、この他、例えば図１（ｂ）に示すような三角波状の周期構造３ｂ、図１（ｃ）に示すような正弦波状の周期構造３ｃ、図１（ｄ）に示すような台形波状の周期構造３ｄ等であってもよく、その形状は特に問わない。或は、三角波状の周期構造に関し、その周期構造のみを示す図２（ａ）のようにノコギリ波状の周期構造３ｅとしてもよい。この場合、その変形例として、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように周期構造３ｅをさらにステップ状（階段状）に細分化してなる周期構造３ｆ，３ｇ，３ｉ等としてもよい。これらの図２に例示する周期構造３ｅ〜３ｉに関しては、実際に作製してその効果を確認したものである。要は、入射光が回折することであり、周期構造３のピッチＰが精度よく作製され、かつ、入射光の波長λに対してＰ≒λなる関係を満足する構造であればよい。可視光はもちろん、レーザ光を考慮した場合、各周期構造３に関してピッチＰと溝深さとが０．２〜２μｍオーダの周期的なグレーティングであればよい。

次に、周期構造３の方向性について説明する。基板２上に形成する周期構造３は縦又は横方向の１方向のみでも構わないが、例えば、図３に例示するように、縦横両方向に２次元的に形成するようにしてもよい。図３は周期構造３ａの場合を示す。この際、周期構造３は縦方向と横方向とで周期が異なってもよく、或は、或る領域のみを対象として部分的に縦方向と横方向とで周期を異ならせてもよい。

また、基板２について説明する。この基板２は透明基板であってもよいが、不透明な基板であってもよい。要は、入射される可視光に対して周期構造３部分で回折が生じればよく、反射型構成であってもよい。ここに、不透明な基板２を用いて反射型とする場合、磁性層４を透明とし、周期構造３の表面（グレーティングの表面）で入射光を反射させてよく、さらには、磁性層４も不透明としてその表面で反射させるようにしてもよい。何れにしても、回折によって磁気光学効果を増大させることができる。この基板２の材料としては、一般に、アルミニウムのような耐熱性金属、石英ガラス、ＧＧＧ（ガリウムカドリウムガーネット）、サファイア、リチウムタンタレート、結晶化透明ガラス、パイレックスガラス（「パイレックスガラス」は登録商標である、以下同様）、単結晶シリコン、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃・ＭｇＯ、ＭｇＯ・ＬｉＦ、Ｙ₂Ｏ₃・ＬｉＦ、ＢｅＯ、ＺｒＯ₂、Ｙ₂₃、ＴｈＯ₂・ＣａＯなどの透明セラミック材料、無機シリコン等の無機材料を用い得る。

次に、用いる光（入射光）について説明する。用いる入射光は可視光を基本とするが、必ずしも、可視光に限らず、単一波長のレーザ光を用いるようにしてもよい。この場合、レーザ光は、周期構造３の回折効率が最大となる波長のものが選定される。

このような磁気光学素子１に関して、重要なことは、入射光が回折、即ち、干渉することである。このためには、周期構造３における溝部分と格子部分との屈折率が異なることが必要である。この点は、溝部分を空気中とすることで容易に達成される。また、磁性層４を透明とするか不透明とするかは用途等に応じて適宜設定されるが、磁性層４の厚さに関しては周期構造３の形状、材料の屈折率等に応じて各々最適値があるが、一般的には、２０〜２００ｎｍ程度の層厚が好ましい。もっとも、磁性材料によっては、波長に応じて磁気光学効果の異なる波長依存性を有するので、周期構造３の形状との組合せが難しいケースを生じてしまう。この点、平均粒子径が２００Å以下のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような強磁性体又はこれらの合金の微粒子を含む磁性層４とすれば、波長依存性が少ないので、レ
ーザ光を用いる場合でも周期構造３の形状に依らず設計が容易となる。図４はＦｅの超微粒子の磁気光学効果の波長依存性を示す特性図である。また、このようなＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような強磁性体又はこれらの合金の微粒子を含む磁性層４によれば、単独での磁気光学効果が大きいという特長を活かすこともでき、かつ、その平均粒子径を２００Å以下とすれば量子サイズ効果による磁気光学効果の増大性も利用できることになり、光透過率も大きく、一層有利となる。ちなみに、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような強磁性体又はこれらの合金の微粒子であってもその平均粒子径が２００Åより大きくなると量子サイズ効果は生じない。

もっとも、特定の周期構造３を対象とする場合であれば、磁性層４に用いる磁性材料としては、特に制限されず、一般的な磁性材料であってもよい。例えば、γ‐Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｆｅ₃Ｏ₄，ＦｅＮ_x ，Ｂａフェライト，Ｃｏフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット等のガーネット、ＰｔＣｏ，ＦｅＴｂ等であってもよい。

このような基本的構成よりなり大きな磁気光学効果を示す磁気光学素子１によれば、磁気ヘッドを用いて磁化した場合、その磁化部と非磁化部とでは入射光の偏光面の回転角が異なるために、高いコントラストの画像を得ることができる。例えば、２２．５°の回転角があると、磁化の方向が＋と−とで４５°の違いとなる。そこで、反射型構造にすると、２回通過するので、＋と−とでは９０°の違いとなる。即ち、偏光面は＋磁化部と−磁化部とで９０°回転方向が異なるので、クロスニコルの配置となり、液晶ディスプレイの場合と同様に高いコントラストを得ることができる。また、レーザ光を用いれば、高密度磁気メモリとしても用いることができる。即ち、現在市場に出回っている光磁気メモリよりも回転角が大きいので、Ｓ／Ｎのよいメモリとなる。この際、レーザ光のビーム径さえ小さくすればＳ／Ｎがよくなるので、一層の高密度化も可能となる。

なお、磁気的な記録を消去するには、スピンの向きを全て同一に揃えるように磁石を用いて磁気光学素子１全体を均一に磁化するか、或は、交流磁場を用いてスピンをランダムな方向に向ける消去法を用いればよい。

また、このような周期構造３と磁性層４とを有して光の偏光面を大きく増幅し得る磁気光学素子１に対して、図５に示すように、両側２枚の偏光子５，６を配設した光学装置７とすれば、透過型液晶ディスプレイの場合と同様な透過型ディスプレイとすることができる。磁気光学素子１が反射型構造の場合であれば、１枚の偏光子５だけでもよい。

さらに、前述した周期構造３に関して、そのピッチと深さの周期の異なる周期構造を同一の基板２表面に形成しておけば、複数の波長光の入射光に対して磁気光学効果の増大機能を発揮させることができる。よって、例えばＲ，Ｇ，Ｂの各色波長に合わせて３種類の周期の周期構造３を形成しておけば、ディスプレイのカラー化も１枚の磁気光学素子１で可能となる。

以下、上述した基本的構成例に基づく具体的な構成例を実施例１〜４として、比較例１〜３とともに説明する。
＜実施例１＞
１ｍｍ厚さの石英基板（基板２）の片面に、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ｃｒの２層を合計層厚が１２０ｎｍとなるように形成した後、その表層にポジ型レジスト層を形成した。このレジスト層上にフォトマスクを配置し、紫外線を用いて、周期構造３をなすグレーティング形状のピッチが１．９μｍとなるように露光した。ついで、ウェットエッチング法を用いて、レジスト層をエッチングし、さらに、フッ素ガスを用いて石英基板をエッチングすることで、周期構造３のグレーテイングにおける溝深さが０．５μｍとなるように加工した。この後、レジスト層を剥離した。このような石英基板の加工表面（周期構造３）上に、ガス中蒸着法を用いて基板を加熱することなく鉄超微粒子膜を磁性層４として成膜した。使用したＡｒガスは５０CCM 、乾燥空気は２CCM の流量で流し、全圧力で１．３Ｐａとした。平均膜厚は１００ｎｍであった。このような成膜後の断面をＴＥＭ（透過型顕微鏡）観察したところ、鉄の平均粒子径は６０Åで、各微粒子は非磁性層で隔離されていた。光電子分光法（ＸＰＳ＝Ｘ-ray Ｐhotoelectron Ｓpectroscopy）で測定した膜の組成によれば、鉄が７２％で、後はＯ，Ｃ，Ｎが含まれていた。平坦部で測定した保磁力は４５０Ｏｅ、面内方向の角型比は０．８で大きな面内異方性を有する磁性層４であった。

このような磁気光学素子１に関して、磁気光学効果の波長依存性を測定した。光のビーム径は約３ｍｍであった。ついで、波長依存性データのピーク波長で、最大１５ｋガウスの印加磁界を用いてヒステリシスを測定したところ、０次回折光の場合で図６に示すような特性が得られた。ヒステリシスは飽和していないが、磁界を０とした場合で１４．６°の回転角が得られたものである。
＜比較例１＞
１ｍｍ厚さの石英基板の片面に（加工表面を有しない）、上記の実施例１の場合と全く同様にして鉄超微粒子膜を成膜した。平均膜厚、膜断面のＴＥＭ観察、平均粒子径、膜の組成、保持力、角型比は実施例１の場合と同じであったが、上記の場合と同様に測定したヒステリシスでは、磁界を０とした場合で０．０９°の回転角しか得られなかったものである。
＜比較例２＞
実施例１のような石英基板の加工表面上に、真空蒸着法を用いて、基板を加熱せずに鉄膜を成膜した。基板圧は８×１０~⁵Ｐａであった。平均膜厚は１００ｎｍであった。このような成膜後の断面をＴＥＭ観察したところ、鉄の連続膜が形成されていた。ＸＰＳで測定した膜の組成によれば、鉄が９９％で、後はＯ，Ｃ，Ｎが若干含まれていた。平坦部で測定した保磁力は７Ｏｅ、面内方向の角型比は０．９６で大きな面内異方性を有する膜であった。このような素子に関して、実施例１の場合と同様にヒステリシスを測定したところ、磁界を０とした場合で９°の回転角しか得られなかったものである。
＜実施例２＞
基本的に、実施例１の場合と同様であるが、周期構造３を２次元的とし、縦方向及び横方向に、ピッチ＝１．９μｍ、溝深さ＝０．５μｍとなるように加工した。後は、実施例１の場合と全く同様として磁気光学素子１を作製し、そのヒステリシスを測定したところ、磁界を０とした場合で１５°の回転角が得られたものである。
＜実施例３＞
基本的に、実施例１の場合と同様であるが、周期構造３に関して、周期のピッチが１．９μｍと１．５μｍとの２種類となるようにし、これらの２種類が２５回で交代するようにし、かつ、溝深さは０．５μｍとなるように加工して周期構造３を形成した。後は、実施例１の場合と全く同様として磁気光学素子１を作製し、その磁気光学効果の波長依存性を測定したところ、４７５ｎｍと６３０ｎｍとの２つの周波数の箇所でピークを示す結果が得られたものである。このような２つのピーク波長でヒステリシスを測定したところ、磁界を０とした場合で各々１４．５°と１３°の回転角が得られたものである。
＜実施例４＞
実施例１に従い作製された磁気光学素子１の両面を２枚の市販のフィルム偏光子（偏光子５，６）で挾んだ。このようにフィルム偏光子の上から、直径１ｍｍ、長さ１ｍｍ、表面磁束密度３ｋガウスの円筒状棒磁石を用いて、磁気光学素子１上に文字を記録した。２枚のフィルム偏光子の偏光軸を相対的に回転し、最も磁化した文字と非磁化部位とのコントラストが大きくなるようにして固定した。この場合のコントラストは１．３であり、画像表示に適することが判った。
＜比較例３＞
比較例１に従い作製された磁気光学素子を、実施例４の場合と同様に２枚のフィルム偏光子で挾み、円筒状棒磁石で記録した文字を観察したが、コントラストは測定できなかったものである。

本発明の一実施の形態の基本的構成例を示す模式的断面図である。三角波状の周期構造の変形例を示す模式的断面図である。２次元的な周期構造を示す構成図である。Ｆｅ超微粒子の磁気光学効果の波長依存性を示す特性図である。偏光子を組み合わせた光学装置例を示す模式的断面図である。実施例における鉄超微粒子膜の磁気光学効果を示すシステリシス特性図である。

符号の説明

１磁気光学素子
２基板
３周期構造
４磁性層
５，６偏光子
７光学装置

Claims

基板表面に０．２〜２μｍの範囲のピッチと深さよりなるグレーティング形状で同一方向の周期構造を有し、
この周期構造上に一層の２０〜２００ｎｍの厚さの磁性層を有し、
可視光に対して前記周期構造の溝部と格子部からの光の干渉でファラデー効果を増大させることを特徴とするディスプレイを構成する磁気光学素子。
周期構造は、２次元的である請求項１記載の磁気光学素子。
周期構造をなすピッチの周期が２種類以上である請求項１又は２記載の磁気光学素子。
請求項１，２又は３記載の磁気光学素子と、
この磁気光学素子に対面する１枚又は２枚の偏光子と、
を備える光学装置。