JP4496328B2 - ホログラム記録媒体およびホログラム記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、２色ホログラム方式を用いたホログラム記録媒体およびホログラム記録再生装置に関し、より詳細には、還元処理を要することなく高記録感度を達成し、かつ、ゲート光照射時の光損傷を低減するホログラム記録媒体、および、ホログラム記録再生装置に関する。

近年、情報記録媒体に記録されるべき情報量の増大に伴い、大容量かつ高速読み出しが可能な情報記録媒体が求められている。このような情報記録媒体として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）およびタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）等の強誘電体結晶を用いたホログラフィックメモリ（ホログラム記録媒体）が知られている。

ホログラフィックメモリとは、レーザ光を使って体積ホログラフィの形式で３次元的に情報を多重記録する光学メモリ方式である。このようなメモリ方式は、ホログラフィックメモリにおけるフォトリフラクティブ効果を利用している。フォトリフラクティブ効果とは、「光照射によってホログラフィックメモリ内の深い準位に存在する電荷（電子またはホール）が励起され、ホログラフィックメモリの伝導帯を移動し、その後、再結合する。次いで、ホログラフィックメモリ内に電荷の分布が発生する（空間電界分布）。この結果、ホログラフィックメモリ内部の屈折率は、１次の電気光学効果（すなわち、ポッケルス効果）を介して空間電界分布に応じて変化する。」現象である。フォトリフラクティブ効果を利用した光学メモリ方式には、単色ホログラム（１−ｃｏｌｏｒ）方式と、2色ホログラム（２−ｃｏｌｏｒ）方式とがある。単色ホログラム方式では、記録された情報をホログラフィックメモリから読み出す際に、情報が揮発するという問題が生じる。２色ホログラム方式は、上述の単色ホログラム方式の問題を解決したメモリ方式である。

図９は、２色ホログラム方式における記録メカニズムを示す図である。

２色ホログラム方式を採用するホログラム記録媒体のエネルギーバンド構造９００は、価電子帯（ＶＢ）と伝導帯（ＣＢ）との間に、３つのエネルギー準位Ａ、ＢおよびＣを有する。エネルギー準位Ａ（光吸収中心またはバイポーラロン）は、エネルギー準位Ｂ（中間励起準位、準安定準位またはスモールポーラロン）よりも深い位置にある。エネルギー準位Ｃ（トラップ準位またはストレージセンタ）は、エネルギー準位Ｂよりも深い位置にある。

次に、２色ホログラム方式におけるホログラム記録媒体に情報を記録するメカニズムを説明する。

フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するゲート光（波長λ₁）をホログラム記録媒体に照射する。ゲート光が照射された部分に存在するキャリアが、エネルギー準位Ａから伝導帯（ＣＢ）へ励起され、エネルギー準位Ｂに一時的にトラップされる。これにより、フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアが生成される。なお、エネルギー準位Ｂにおけるキャリアの寿命はτ₁である。

情報をホログラム記録媒体に記録するための記録光をホログラム記録媒体に照射する。記録光は、情報を記録すべき位置を示す参照光（波長λ₂）と、情報を担持する信号光（波長λ₂）とを含む。波長λ₁と波長λ₂との関係は、λ₁＜λ₂を満たす。記録光を照射することによって、エネルギー準位Ｂにトラップされていたキャリアは、記録光が形成する干渉縞に対応した空間的な明暗のパターンにしたがって伝導帯（ＣＢ）に励起され、最終的に、エネルギー準位Ｃに干渉縞に従ったキャリアの濃淡分布の様態で蓄積される。エネルギー準位Ｃにおけるキャリアの寿命はτ₂である。

上述の２色ホログラム方式に採用されるホログラム記録媒体の材料は、還元処理を施した、Ｐｒ（プラセオジム）を添加したニオブ酸リチウム単結晶である（例えば、非特許文献１参照。）。また、他の２色ホログラム方式に採用されるホログラム記録媒体の材料は、還元処理を施した、不純物を含有しないニオブ酸リチウム単結晶、または、還元処理を施した、Ｆｅ（鉄）またはＭｎ（マンガン）を添加したニオブ酸リチウム単結晶である（例えば、非特許文献２参照。）。
Ｈ． Ｇｕｅｎｔｈｅｒ， Ｇ． Ｗｉｔｔｍａｎｎ， ａｎｄ Ｒ． Ｍ． Ｍａｃｆａｒｌｅｎｅ（ＩＢＭ）， Ｒ． Ｒ． Ｎｅｕｒｇａｏｎｋａｒ（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ） 「Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ ｇａｔｉｎｇ ｏｆ ｔｗｏ−ｃｏｌｏｒ ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ ＬｉＮｂＯ3」，Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．２２， ｐｐ．１３０５−１３０７（１９９７） Ｌ． Ｈｅｓｓｅｌｉｎｋ， Ｓ． Ｓ． Ｏｒｌｏｖ， Ａ． Ｌｉｕ， Ａ． Ａｋｅｌｌａ， Ｄ． Ｌａｎｄｅ， ａｎｄ Ｒ． Ｒ． Ｎｅｕｒｇａｏｎｋａｒ「Ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ」， Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｖｏｌ．２８２（Ｎｏｖ６）， ｐｐ．１０８９−１０９４（１９９８）

しかしながら、上述の非特許文献１および２に記載される材料は、ホログラム記録媒体として使用するに十分な記録感度を得るために、還元処理を必要とする。すなわち、還元処理を材料に施すことにより、材料中にエネルギー準位Ａが確立するとともに、エネルギー準位Ａに十分なキャリアが存在することになる。Ａｓ−ｇｒｏｗｎの状態または空気中で熱処理された状態では、記録感度が低いことから、ホログラム記録媒体として使用することができない（例えば、記録感度の値は１０^-4ｃｍ／Ｊ程度である）。還元処理は、材料の暗導電率を増加させ、ホログラム記録媒体におけるストレージ時間を短くする場合がある。還元処理の程度（濃度、雰囲気および時間等）によって、得られる材料の特性が著しく変化する故、記録感度の制御が困難である。

たとえば、上述の非特許文献２に記載されるホログラム記録媒体において、フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するゲート光の波長は、４５８ｎｍ〜４８８ｎｍである。かかる波長帯域におけるゲート光を使用した場合、フォトリフラクティブ効果に起因したファニングと呼ばれる散乱（光損傷）が発生する場合がある。ファニングが発生すると、ホログラム記録媒体に記録した情報の再生像に歪みが生じ、データが劣化する。すなわち、ホログラムの品質が低下することになる。

また、上述の非特許文献２に記載されるホログラム記録媒体では、Ｍｎ添加量の最適化には至っていない。

したがって、本発明の目的は、還元処理を要することなく高記録感度を達成し、かつ、ゲート光照射時の光損傷を低減するホログラム記録媒体、および、ホログラム記録再生装置を提供することである。

なお、本明細書中で用いる「光損傷」とは、ゲート光をホログラム記録媒体に照射した際に生じる散乱を意図しており、ホログラムの記録に寄与するフォトリフラクティブ効果を意味しないことに留意されたい。

本発明によるニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶からなる２色ホログラム記録媒体は、前記ニオブ酸リチウム単結晶のモル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｎｂ _２ Ｏ _５ ］）が、０．４９５以上０．５０未満であり、前記タンタル酸リチウム単結晶のモル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｔａ _２ Ｏ _５ ］）が、０．４９５以上０．５０未満であり、Ｍｎのみが１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍ添加され、前記Ｍｎは、ゲート光の照射によってフォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するよう機能する。

本発明による２色ホログラム記録媒体の前記ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶のエネルギー帯は、価電子帯と伝導帯との間に第１エネルギー準位、第２エネルギー準位および第３エネルギー準位を含み、前記第１エネルギー準位は前記伝導帯を基準として前記第２エネルギー準位よりも深く、前記第３エネルギー準位は前記伝導帯を基準として前記第２エネルギー準位よりも深く、４１０ｎｍ以下の波長を有する前記ゲート光を前記ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶に照射することにより、前記第１エネルギー準位から前記第２エネルギー準位に前記キャリアが励起され、前記ゲート光の波長よりも長い波長を有する記録光および参照光が前記ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶に照射されることにより、前記第２エネルギー準位に励起された前記キャリアが前記第３エネルギー準位に捕獲されることによって前記記録光に担持されている情報が記録される。

本発明によるホログラム記録媒体に情報を記録し、前記ホログラム記録媒体に記録された前記情報を再生する２色ホログラム記録再生装置は、前記ホログラム記録媒体へ４１０ｎｍよりも短波長のゲート光を照射する第１照射手段と、前記情報を担持する信号光と参照光とを前記ホログラム記録媒体へ照射する第２照射手段と、を含み、前記信号光と前記参照光はそれぞれ前記ゲート光よりも長波長の光であり、前記ホログラム記録媒体は、Ｍｎのみが１重量ｐｐｍから１００重量ｐｐｍ添加された、モル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｎｂ _２ Ｏ _５ ］）が０．４９５以上０．５０未満であるニオブ酸リチウム単結晶またはモル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｔａ _２ Ｏ _５ ］）が０．４９５以上０．５０未満であるタンタル酸リチウム単結晶であり、前記Ｍｎは、前記ゲート光の照射によってフォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するよう機能する。

本発明によるニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶からなるホログラム記録媒体は、実質的に定比組成であり、かつ、不純物としてＭｎを１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍ含む。本発明によるニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶のエネルギー帯は、価電子帯と伝導帯との間に第１のエネルギー準位、第２のエネルギー準位および第３のエネルギー準位とを含み、第１のエネルギー準位は第２のエネルギー準位よりも深く、第３のエネルギー準位は第２のエネルギー準位よりも深い。４１０ｎｍ以下の波長を有する第１の光を本発明によるニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶に照射することにより、第１のエネルギー準位から第２のエネルギー準位にキャリアが励起する。

本発明によるニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶は、ａｓ―ｇｒｏｗｎな状態において第１のエネルギー準位を有しており、本準位に電子が存在している。このことは、還元処理を単結晶に施すことなく、充分なキャリアが第１のエネルギー準位に存在することを意味する。したがって、本発明によるホログラム記録媒体は、還元処理を要することなく高記録感度が達成される。

フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するための第１の光が、４１０ｎｍ以下であるため、従来のホログラム記録媒体に比べて光損傷が低減される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
はじめに、本発明による、Ｍｎを１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍだけ添加した実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶（以下、Ｍｎ―ＳＬＮと称する）からなるホログラム記録媒体の記録および再生のメカニズムを説明する。

図１は、本発明によるＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体のエネルギーバンド構造１００を示す模式図である。

Ｍｎ―ＳＬＮのエネルギーバンド構造１００は、伝導帯（ＣＢ）と価電子帯（ＶＢ）との間に第１のエネルギー準位Ａと第２のエネルギー準位Ｂと第３のエネルギー準位Ｃとを含む。Ｍｎ―ＳＬＮのバンドギャップ（伝導帯と価電子帯とのエネルギーギャップ）は、約４．０ｅＶである。

第１のエネルギー準位Ａは、Ｍｎを添加したことによって形成されるＭｎ²⁺のドナー準位である。第１のエネルギー準位Ａに存在するキャリアは、自身が励起されることによって、フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアになる。第２のエネルギー準位Ｂは、第１のエネルギー準位Ａから励起したキャリアが一時的にトラップされる中間励起準位である。第３のエネルギー準位Ｃは、Ｍｎを添加したことによって形成されるＭｎ³⁺のアクセプター準位である。以上より、第１のエネルギー準位Ａは、伝導帯を基準として第２のエネルギー準位Ｂよりも深い。第３のエネルギー準位Ｃは、伝導帯を基準として第２のエネルギー準位Ｂよりも深い。第１のエネルギー準位Ａと第３のエネルギー準位Ｃとの関係は、問わない。

上記の如きバンド構造は、ａｓ−ｇｒｏｗｎのＭｎ−ＳＬＮにおいて確立されている。換言すれば、第１のエネルギー準位Ａは、Ｍｎ−ＳＬＮを還元処理することなく、確立される。

このようなＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体に情報を記録する場合のメカニズムをステップごとに説明する。

Ｓ１００：第１のエネルギー準位に存在するキャリアを励起するためのゲート光（第１の光）をホログラム記録媒体に照射する。このゲート光の波長λ₁は、４１０ｎｍ以下である。ゲート光の照射によって、第１のエネルギー準位Ａに存在するキャリアを励起する。

Ｓ１０１：励起されたキャリアは、伝導帯（ＣＢ）をドリフトして、第２のエネルギー準位Ｂに一時的にトラップされる。これにより、フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアが生成される。

Ｓ１０２：情報をホログラム記録媒体に記録するための記録光（第２の光、波長λ₂）をホログラム記録媒体に照射する。記録光は、参照光（第３の光、波長λ₂）と、情報を担持する信号光（第４の光、波長λ₂）とを含む。波長λ₁と波長λ₂との関係は、λ₁＜λ₂を満たす。参照光および信号光を照射することによって、エネルギー準位Ｂにトラップされていたキャリアは、参照光と信号光が形成する干渉縞に対応した空間的な明暗のパターンにしたがって伝導帯（ＣＢ）に励起される。この参照光および信号光の照射は、エネルギー準位Ｂにおけるキャリアの寿命内に行わなければならない。なお、本発明においては、記録光の波長は、７７８ｎｍを用いているものの、これに限定されない。

Ｓ１０３：伝導帯（ＣＢ）に励起されたキャリアは、干渉縞にしたがったキャリアの濃淡分布の様態でエネルギー準位Ｃに蓄積される。このようにして情報がホログラム記録媒体に記録される。

本発明によれば、４１０ｎｍ以下の波長を用いて、フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成することができるので、ゲート光照射時における光損傷が低減される。

また、ゲート光として４１０ｎｍ以下の短波長光を使用することができるので、ゲート光の光源として、ＧａＮ系半導体レーザ、３次高調波ＹＡＧレーザ等が使用できる。これらのレーザは、小型であるので、光学系全体を小型化できる。

情報が記録されたＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体から、その情報を再生する場合は、参照光のみをホログラム記録媒体に照射すればよい。参照光は、エネルギー準位Ｃにトラップされたキャリアを伝導帯（ＣＢ）に励起するためのエネルギーを有さない故、不揮発再生が達成できる。

本発明によるホログラム記録媒体は、Ｍｎを１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍだけ添加した実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶からなる。このようなＭｎ―ＳＬＮは、連続原料供給型の二重るつぼ法単結晶引き上げ装置を用いて作製され得るがこの限りでない。単結晶引き上げ装置に用いられる融液は、モル分率［Ｌｉ₂Ｏ］／（［Ｌｉ₂Ｏ］＋［Ｎｂ₂Ｏ₅］）＝０．５６〜０．６０であるニオブ酸リチウムに、不純物として１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍから選択される量のＭｎを加えた融液である。上記融液から育成されるＭｎ―ＳＬＮは、モル分率［Ｌｉ₂Ｏ］／（［Ｌｉ₂Ｏ］＋［Ｎｂ₂Ｏ₅］）＝０．４９５〜０．５０の組成を有し、光学的均質性に優れている。

次に、ａｓ―ｇｒｏｗｎの１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍのうち８重量ｐｐｍおよび５０重量ｐｐｍだけＭｎを添加した実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶（それぞれ、Ｍｎ８―ＳＬＮ、Ｍｎ５０―ＳＬＮと称する）、および、ａｓ―ｇｒｏｗｎの無添加の実質的に定比組成のニオブ酸リチウム単結晶（無添加ＳＬＮ）（参照用）について、種々の光学実験を行った結果を示す。作製された単結晶は、各々厚さ２mmの平板形状に加工した。

なお、本明細書において、「実質的に定比組成」とはモル分率［Ｌｉ₂Ｏ］／（［Ｌｉ₂Ｏ］＋［Ｎｂ₂Ｏ₅］）が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論に近い組成（［Ｌｉ₂Ｏ］／（［Ｌｉ₂Ｏ］＋［Ｎｂ₂Ｏ₅］）＝０．４９５〜０．５０）を言う。

図２は、ゲート光吸収係数（α_g）のゲート光の波長（λ₁）依存性を示す図である。図の横軸は、ホログラム記録媒体に照射されるゲート光の波長λ₁（ｎｍ）を示す。縦軸は、ゲート光を照射した際のホログラム記録媒体のゲート光吸収係数α_g（ｃｍ―¹）を示す。

無添加ＳＬＮ、Ｍｎ８―ＳＬＮおよびＭｎ５０−ＳＬＮのそれぞれに、ゲート光として３００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の光を照射した。図中、実線は無添加ＳＬＮの結果であり、破線はＭｎ８―ＳＬＮの結果であり、点線は、Ｍｎ５０―ＳＬＮの結果である。Ｍｎ８―ＳＬＮおよびＭｎ５０―ＳＬＮのゲート光吸収係数（α_g）は、４１０ｎｍの波長において増大した。波長が４１０ｎｍから短くなるにしたがって、Ｍｎ８―ＳＬＮおよびＭｎ５０―ＳＬＮのゲート光吸収係数（α_g）は、増加した。一方、無添加ＳＬＮにおいては、波長３５０ｎｍにおいてもゲート光吸収係数α_gは十分な値が得られなかった。

次に、ゲート光吸収係数（α_g）と、２色ホログラム方式におけるホログラム記録媒体の記録感度Ｓとの関係を説明する。２色ホログラム方式において、式（１）および（２）が成り立つ。

S∝Δα_IR∝ｎ_B …………… （１）
ｎ_B＝Ｋ・α_g・ｅ^-αg・x ………… （２）
ここで、Δα_IRは光誘起吸収係数であり、ゲート光の照射によって記録光の波長に誘起する光吸収変化である。ｎ_Bは、図１における第１のエネルギー準位Ａから第２のエネルギー準位Ｂに励起されるキャリア密度である。Ｋは、任意の定数である。ｘは、ゲート光がホログラム記録媒体に入射する表面からの距離である。上式（1）より、記録感度Ｓは、光誘起吸収に比例し、かつ、エネルギー準位Ｂのキャリア密度に比例することが分かる。上式（２）より、ホログラム記録媒体の表面から所定の距離（すなわち、ｘ＝一定の場合）におけるキャリア密度ｎ_Bは、ゲート光吸収係数α_gに密接に関係することが分かる。つまり、２色ホログラム方式におけるホログラム記録媒体の記録感度を高めるためには、ゲート光吸収係数α_gは適正な値である必要がある。

したがって、本発明のＭｎ―ＳＬＭからなるホログラム記録媒体においては、図2に示されるように、４１０ｎｍ以下のより短波長の光をゲート光として用いることによって、より記録感度の高いホログラム記録媒体を提供することができる。また、本発明のＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体は、ａｓ―ｇｒｏｗｎな状態であっても第１のエネルギー準位Ａ（図１）を確立している故、還元処理を施すことなく、従来を凌ぐキャリア密度ｎ_Bが達成できる。このことは、本発明によるＭｎ―ＳＬＭからなるホログラム記録媒体が、還元処理を要することなく高記録感度を達成できることを意味する。

図２から、同一波長を有するゲート光におけるゲート光吸収係数（α_g）は、Ｍｎ添加量に依存していることがわかる。すなわち、同一波長を有するゲート光におけるゲート光吸収係数（α_g）は、Ｍｎ添加量が増加するにつれて増大した。このことは、所定の波長を有するゲート光を用いた場合、Ｍｎ添加量を制御することにより、ゲート光吸収係数（α_g）を所望の値に設定することができる。

図２は、Ｍｎ添加量が８重量ｐｐｍおよび５０重量ｐｐｍの場合を示すが、Ｍｎ添加量が１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍの範囲であれば、同様の結果が得られる。

次に、第２のエネルギー準位（中間励起準位またはスモールポーラロン準位）Ｂ（図１）におけるキャリアの寿命時間τ_Bについて測定した。

表１は、第２のエネルギー準位Ｂにおけるキャリアの寿命時間を示す。

ここで、Ｆｅ１０−ＳＬＮは、不純物としてＦｅを１０ｐｐｍ含有した実質的に定比組成のニオブ酸リチウムである。Ｆｅ２５−ＳＬＮは、不純物としてＦｅを２５ｐｐｍ含有した実質的に定比組成のニオブ酸リチウムである。

表１からわかるように、寿命時間τ_Bは、Ｆｅを添加した場合に比べて、Ｍｎを添加した場合の方が不純物添加量の依存性は小さいことが分かる。このことは、Ｍｎ添加量によって、第２のエネルギー準位Ｂにおける寿命時間τ_Bが変化しないので、Ｍｎ添加による記録感度の制御が容易であることを示唆する。また、寿命時間τ_Bが、１０分の数秒の範囲にあることから、比較的パワーが小さな連続発振レーザを記録光用の光源に用いることができる。

次に、本発明によるホログラム記録媒体における、ゲート光照射によるファニング（光損傷）について調べた。

ゲート光は情報記録時において媒体に感度をもたらすためのものであり、ゲート光の照射そのものに対してはフォトリフラクティブ効果が生じない方が望ましい。この効果を示す指標の１つが飽和空間電界である。

図３は、飽和空間電界に対するゲート光の波長依存性を示す図である。図中、横軸はゲート光の波長（ｎｍ）であり、縦軸は飽和空間電界（Ｖ／ｃｍ）である。この飽和空間電界が大きいと、ファニング（光損傷）が発生することが知られている。

図３は、Ｍｎ８−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体に、３５０ｎｍ〜５３２ｎｍの波長領域のゲート光を照射した場合の飽和空間電界の変化を示す。図３から明らかな如く、Ｍｎ８−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体の場合、ゲート光の波長が短くなるにつれて、飽和空間電界が小さくなる。このことは、短波長のゲート光を用いれば、ファニング（光損傷）を低減することができることを意味している。本発明によれば、４１０ｎｍ以下の波長を有する光をゲート光として使用する。４１０ｎｍ以下の波長における飽和空間電界は、いずれもホログラム記録媒体にファニング（光損傷）を発生させる値（例えば１０⁵Ｖ／ｃｍ）に達していない。したがって、本発明によるＭｎ−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体のゲート光の波長として４１０ｎｍ以下の波長の光を採用することによって、ファニング（光損傷）を低減することができる。

図３は、Ｍｎ添加量が８重量ｐｐｍの場合を示すが、Ｍｎ添加量が１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍの範囲であれば、同様の結果が得られる。

次に、本発明によるホログラム記録媒体を用いた場合の記録感度について調べた。

図４は、本発明によるＭｎ−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体における、光誘起吸収係数のゲート光の強度依存性を示す図である。横軸はゲート光の強度（Ｗ／ｃｍ²）であり、縦軸は波長８５２ｎｍ（記録光の波長に相当する）における光誘起吸収係数Δα_IR（ｃｍ^-1）である。図中、■はＭｎ８−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体にゲート光として３５０ｎｍの波長の光を用いた結果であり、●はＭｎ８−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体にゲート光として４０７ｎｍの波長の光を用いた結果であり、▲はＭｎ５０−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体にゲート光として４０７ｎｍの波長の光を用いた結果である。

図４からわかるように、いずれもゲート光の強度が大きくなるにつれて、光誘起吸収係数も大きくなる。また、光誘起吸収係数は、通常用いられるゲート光強度の範囲０Ｗ／ｃｍ²〜２Ｗ／ｃｍ²においては、飽和しない。図２を参照して説明したように、記録感度が光誘起吸収係数に比例することから、ゲート光の強度を大きくすることによって、さらなる記録感度の向上が可能である。

図４からわかるように、光誘起吸収係数は、Ｍｎ添加量およびゲート光の波長にも依存している。このことは、Ｍｎ添加量およびゲート光を適切に設定することによって、所望の記録感度が得られることを示唆している。

図４は、Ｍｎ添加量が８重量ｐｐｍおよび５０重量ｐｐｍの場合を示すが、Ｍｎ添加量が１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍの範囲であれば、同様の効果が得られる。

図５は、本発明によるＭｎ−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体における、記録感度のゲート光の強度依存性を示す図である。横軸はゲート光の強度（Ｗ／ｃｍ²）であり、縦軸は記録感度（ｃｍ／Ｊ）である。図４のうちＭｎ８−ＳＬＮの試料に対して、波長３５０ｎｍを有するゲート光を用いた場合の結果を示す。図４を参照して上述したように、記録感度は、ゲート光の強度が増大するにつれて、増加している。より詳細には、ゲート光の強度が１．５Ｗ／ｃｍ²において記録感度は０．２ｃｍ／Ｊであった。この値は、従来の還元処理が施されたＰｒ、ＭｎまたはＦｅを添加したＬＮの値（約０．０３ｃｍ／Ｊ）に比べて約１桁大きい。この記録感度は、ホログラム記録媒体として使用するに十分な値である。したがって、本発明によるＭｎ−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体は、還元処理を要することなく、ａｓ−ｇｒｏｗｎにおいて十分な記録感度が得られる。

図５は、Ｍｎ添加量が８重量ｐｐｍの場合を示すが、Ｍｎ添加量が１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍの範囲であれば、同様の結果が得られる。

以上、図２〜図５を参照して、本発明によるＭｎ−ＳＬＮからなるホログラム記録媒体が、ゲート光が入射する表面から所定の深さにおいてホログラム記録媒体として使用するに十分な記録感度を達成し得ることを説明してきた。大量の情報をホログラム記録媒体に記録するには、Ｍｎ−ＳＬＮの厚さ方向の記録感度もまた、考慮する必要がある。式（２）から明らかなように、ゲート光吸収係数α_gが所定の値である場合、ホログラム記録媒体の第１のエネルギー準位Ａ（図１）から第２のエネルギー準位Ｂ（図１）に励起されるキャリアのキャリア密度ｎ_Bは、ホログラム記録媒体の厚さ（深さ）ｘが増加するにしたがって、指数関数的に減少する。このことから、記録感度は、ゲート光吸収係数α_gが所定の値である場合には、ホログラム記録媒体の厚さ（深さ）ｘ方向に減少することが分かる。したがって、ホログラム記録媒体の厚さｘおよびゲート光吸収係数α_gを最適化することが重要である。

図６は、光誘起吸収係数のゲート光の入射方向の深さ依存性を示す図である。横軸は、ゲート光の入射方向におけるホログラム記録媒体の厚さをＬとし、ゲート光が入射するホログラム記録媒体の表面からの深さをｘとした場合の、ｘ／Ｌである。ｘ／Ｌが０に近いほど、ホログラム記録媒体のゲート光の入射表面近傍を表す。ｘ／Ｌが１に近いほど、ホログラム記録媒体のゲート光の出射表面近傍を表す。縦軸は、光誘起吸収係数Δα_IR（ｃｍ^-1）である。ゲート光吸収係数α_gとホログラム記録媒体の厚さＬとの積α_g・Ｌをパラメータとし、ホログラム記録媒体の深さ方向の誘起吸収係数Δα_IRが示されている。

図中、■はα_g・Ｌ＝０．１であり、▲はα_g・Ｌ＝０．３であり、×はα_g・Ｌ＝０．５であり、＊はα_g・Ｌ＝１であり、●はα_g・Ｌ＝２であり、◆はα_g・Ｌ＝３であり、□はα_g・Ｌ＝５である。関係α_g・Ｌ＞２を満たす場合、誘起吸収係数Δα_IRのホログラム記録媒体の深さ方向の依存性は大きい。ホログラム記録媒体のゲート光の入射表面近傍における誘起吸収係数Δα_IRは高いものの、ゲート光の出射表面近傍における誘起吸収係数Δα_IRは低い。このことは、誘起吸収がホログラム記録媒体の略表面においてのみ発生する故、ゲート光の入射表面から最も離れた位置に、情報を記録することができないことを意味する。一方、関係α_g・Ｌ＜０．５を満たす場合、誘起吸収係数Δα_IRのホログラム記録媒体の深さ方向の依存性は小である。しかしながら、その誘起吸収係数Δα_IRはホログラム記録媒体として使用するには低すぎる。この場合もホログラム記録媒体に情報を記録することはできない。したがって、以上の結果から、ホログラム記録媒体の材料として採用する場合には、関係０．５≦α_g・Ｌ≦２を満たすことが好ましい。さらに好ましくは、関係α_g・Ｌ≒１を満たすことが望まれる。本願の材料においては、このような好ましい条件を、Ｍｎ添加量の制御によって作り出すことができる。

以上、図２〜図６を参照して、本発明によるＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体の有効性を種々の光学特性を用いて説明してきた。実施の形態１では、ホログラム記録媒体の材料としてＭｎを添加したニオブ酸リチウムについて説明してきた。しかしながら、本発明のホログラム記録媒体の材料は、上述のＭｎ―ＳＬＮに限定されない。ホログラム記録媒体の材料として、Ｍｎを添加した実質的に定比組成のタンタル酸リチウムを採用しても良い。この場合もＭｎ―ＳＬＮと同様に、連続原料供給型の二重るつぼ法単結晶引き上げ装置を用いて作製され得、Ｍｎ添加量は、１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍである。タンタル酸リチウムを採用した場合においても、「実質的に定比組成」とは、モル分率［Ｌｉ₂Ｏ］／（［Ｌｉ₂Ｏ］＋［Ｔａ₂Ｏ₅］）が完全に０．５０ではないものの、コングルエント組成よりも化学量論比に近い組成（［Ｌｉ₂Ｏ］／（［Ｌｉ₂Ｏ］＋［Ｔａ₂Ｏ₅］）＝０．４９５〜０．５０）を言う。

ホログラム記録媒体の材料としてＭｎを添加した実質的に定比組成のタンタル酸リチウムを採用した場合も、還元処理を施すことなく、Ｍｎ―ＳＬＮと同様の結果が得られることを理解されたい。

（実施の形態２）
図７は、本発明によるホログラム記録再生装置７００の模式図である。ホログラム記録再生装置７００は、実施の形態１で説明した本発明によるホログラム記録媒体７０１に情報を記録し、そのホログラム記録媒体７０１に記録された情報を再生する。

ホログラム記録再生装置７００は、第１の光源部（第１照射手段）７０２と、第２の光源部（第２照射手段）７０３と、再生部７０４とを含む。

第１の光源部７０２は、例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波発振（ＴＨＧ）またはＧａＮ等の半導体レーザであり得るが、これに限定されない。第１の光源部７０２は、４１０ｎｍ以下の波長を有する第１の光（ゲート光）を発する。第１の光の波長は、例えば、３５０ｎｍである。第１の光源部７０２は、ホログラム記録媒体７０１を照射して、ホログラム記録媒体７０１にフォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成する。本発明によれば、ホログラム記録媒体７０１は４１０ｎｍ以下の波長を有する光をゲート光として使用することができるので、第１の光源７０２の小型化、さらには、ホログラム記録再生装置７００全体の小型化が可能である。

第２の光源部７０３は、信号／参照光源７０５と、ビームスプリッタ７０６と、エンコーダ７０７と、空間光変調器（ＳＬＭ）７０８と、第１のレンズ７０９とを含む。

信号／参照光源７０５は、例えば、単一縦モードＡｌＧａＡｓ系半導体レーザであり得るが、これに限定されない。信号／参照光源７０５は、第１の照射源７０２が発する第１の光（ゲート光）の波長よりも長い波長の第２の光を発する。第２の光は、例えば、８５０ｎｍの波長を有する可干渉性の光である。

ビームスプリッタ７０６は、第２の光を信号光ａと参照光ｂとに分ける。この時点においては、信号光ａは記録すべき情報を有していないことに留意されたい。参照光ｂは、ミラー７１３および７１４等を介してホログラム記録媒体７０１に入射する。参照光ｂをホログラム記録媒体７０１に入射せしめるための光学系は任意である。参照光ｂは、信号光ａの光軸に直交する基準線から角度βの入射角でホログラム記録媒体７０１に入射する。

エンコーダ７０７は、ホログラム記録媒体７０１に記録すべきデジタルデータを受け取り、そのデジタルデータを平面上に明暗を示すドットパターン画像に変換する。次いで、エンコーダ７０７は、変換されたドットパターン画像を、例えば、縦４８０ビット×横６４０ビットのデータ配列に並べ替え、単位ページ系列データを生成する。生成された単位ページ系列は、ＳＬＭ７０８に送られる。

ＳＬＭ７０８は、例えば、透過型のＴＦＴ液晶表示装置（ＬＣＤ）のパネルであり得るが、これに限定されない。ＳＬＭ７０８は、エンコーダ７０７から単位ページ系列データと、信号光ａとを受け取る。ＳＬＭ７０８は、単位ページに対応する縦４８０ピクセル×横６４０ピクセルの変調処理単位を有する。ＳＬＭ７０８は、信号光ａをエンコーダ７０７からの単位ページ系列データに応じて空間的な光のオンオフ信号に光変調する。次いで、ＳＬＭ７０８は、オンオフ信号（すなわち、変調された信号光ａ）をレンズ７０９へ送る。

より詳細には、ＳＬＭ７０８は、電気信号である単位ページ系列データの論理値“１”に応答して信号光ａを通過させ、論理値“0”に応答して信号光ａを遮断する。これにより、単位ページ系列データにおける各ビット内容にしたがった電気―光学変換が達成され、単位ページ系列データを有する信号光ａ′（すなわち、記録すべき情報を有する光）が生成される。

第１のレンズ７０９は、信号光ａ′を集光し、ホログラム記録媒体７０１に照射する。

このようにして、第２の光源部７０３は、第２の光をホログラム記録媒体７０１に照射するように機能する。

再生部７０４は、第２のレンズ７１０と、光検出器７１１と、デコーダ７１２とを含む。

第２のレンズ７１０は、ホログラム記録媒体７０１からの再生光ｃを集光し、集光された再生光ｃを光検出器７１１に入射させる。

光検出器７１１は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）であり得る。光検出器７１１は、再生光ｃの明暗を電気信号の強弱に変換し、再生光ｃの輝度に応じたレベルを有するアナログ電気信号を生成する。

デコーダ７１２は、生成されたアナログ電気信号を受け取り、アナログ電気信号と所定の振幅値（スライスレベル）とを比較する。デコーダ７１２は、比較結果に応じて、論理値“１”または“0”を生成する。なお、再生部７０４は、記録時には備えていなくても良い。

次に、ホログラム記録再生装置７００の記録動作を説明する。

第１の光源部７０２は、３５０ｎｍの波長を有する第１の光（ゲート光）をホログラム記録媒体７０１照射する。第１の光の波長は、３５０ｎｍに限定されない。第１の光の波長は、４１０ｎｍ以下の波長であれば良い。これにより、ホログラム記録媒体７０１にフォトリフラクティブ効果に関与するキャリアが生成する。

第１の光源部７０２が第１の光（ゲート光）を供給すると同時に、第２の光源部７０３の信号／参照光源７０５は第２の光（信号光および参照光）を発する。第２の光の波長は、例えば、８５０ｎｍである。第２の光は、ビームスプリッタ７０６で信号光ａと参照光ｂとに分けられる。信号光ａは、ＳＬＭ７０８を介してホログラム記録媒体７０１に記録すべき情報を担持する信号光ａ’となる。信号光ａ’は、第１のレンズ７０９を介して、ホログラム記録媒体７０１に入射する。参照光ｂは、信号光ａの光軸に直交する基準線から角度βの入射角でホログラム記録媒体７０１に入射する。第１の光（ゲート光）と第２の光（信号光と参照光）とは、ホログラム記録媒体７０１に同時に入射することに留意されたい。

図８は、ホログラム記録媒体に屈折率格子が形成される様子を示す模式図である。図８において、図７に示される構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

ホログラム記録媒体７０１に入射した信号光ａ′と参照光ｂは、ホログラム記録媒体７０１内に同時に照射されて干渉する。信号光ａ′と参照光ｂとが交差する領域８００に干渉縞（図８の斜線）が生成する。この干渉縞が、屈折率格子（図８の点線）としてホログラム記録媒体７０１に記録される。すなわち、情報が、参照光ｂによって指定されたホログラム記録媒体７０１の位置に記録される。

参照光ｂが入射する角度βを変更することにより、複数の単位ページ系列データ（２次元平面データ）が角度多重記録され、３次元データ記録が達成される。

再度、図７を参照して、ホログラム記録再生装置７００の再生動作を説明する。

第２の光源部７０３の信号／参照光源７０５は第２の光を発する。第２の光の波長は、例えば、８５０ｎｍである。第２の光は、ビームスプリッタ７０６で参照光ｂのみになる。すなわち、第２の光源部７０３は、第２の光のうち参照光ｂのみを出射する。参照光ｂは、再生すべき情報が記録されているホログラム記録媒体７０１の位置に入射される。例えば、記録時に参照光ｂを入射角βで入射した場合には、再生時にも参照光ｂを入射角βで入射すればよい。より詳細には、参照光ｂは、記録時に信号光ａ′と参照光ｂとが交差する領域８００の中心８０１（図８）に照射される。

参照光ｂは、ホログラム記録媒体７０１に記録されている干渉縞（図８の斜線部）で回折する。干渉縞で回折した光が再生光ｃである。再生光ｃは、第２のレンズ７１０を介して光検出器７１１に入射する。光検出器７１１は、上述したように、再生光ｃの明暗を電気信号の強弱に変換し、再生光ｃの輝度に応じたレベルを有するアナログ電気信号を生成する。アナログ電気信号は、デコーダ７１２に送られる。デコーダ７１２は、アナログ電気信号と所定の振幅値（スライスレベル）とを比較し、比較結果に応じて、論理値“１”または“0”を生成する。これにより、ホログラム記録媒体７０１に記録された情報が再生される。

本発明によるニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶からなるホログラム記録媒体は、実質的に定比組成であり、かつ、不純物としてＭｎを１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍ含む。ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶のエネルギー帯は、価電子帯と伝導帯との間に第１のエネルギー準位、第２のエネルギー準位および第２のエネルギー準位とを含み、第１のエネルギー準位は第２のエネルギー準位よりも深く、第３のエネルギー準位は第２のエネルギー準位よりも深い。４１０ｎｍ以下の波長を有する第１の光をニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶に照射することにより、第１のエネルギー準位から第２のエネルギー準位にキャリアが励起する。

上述のニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶は、ａｓ―ｇｒｏｗｎな状態において第１のエネルギー準位を有している。このことは、還元処理を単結晶に施すことなく、十分なキャリアが第１のエネルギー準位に存在することを意味する。したがって、本発明によるホログラム記録媒体は、還元処理を要することなく高記録感度が達成される。

フォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するための第１の光が、４１０ｎｍ以下であるため、従来のホログラム記録媒体に比べて光損傷が低減される。

４１０ｎｍ以下の波長を有する光をゲート光として使用することができるので、ゲート光の光源を小型化する、さらには、記録再生装置全体の光学系を小型化することが出来る。

本発明によるＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体のエネルギーバンド構造を示す図である。 ゲート光吸収係数（α_g）のゲート光波長（λ_１）依存性を示すグラフである。 飽和空間電界に対するゲート光の波長依存性を示すグラフである。 本発明によるＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体における、光誘起吸収係数のゲート光の強度依存性を示すグラフである。 本発明によるＭｎ―ＳＬＮからなるホログラム記録媒体における、記録感度のゲート光の強度依存性を示すグラフである。 ２色ホログラム記録媒体における、光誘起吸収係数のゲート光の入射方向の深さ依存性を示すグラフである。 本発明によるホログラム記録再生装置を示す構成図である。 ホログラム記録媒体に屈折率格子が形成される様子を示す図である。 ２色ホログラム方式における記録メカニズムを示す図である。

符号の説明

１００ エネルギーバンド構造
７００ ホログラム記録再生装置
７０１ ホログラム記録媒体
７０２ 第１の光源部
７０３ 第２の光源部
７０４ 再生部
７０５ 再生／参照光源
７０６ ビームスプリッタ
７０７ エンコーダ
７０８ 空間光変調器（ＳＬＭ）
７０９ 第１のレンズ
７１０ 第２のレンズ
７１１ 光検出器
７１２ デコーダ

Claims (3)

1. ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶からなる２色ホログラム記録媒体であって、
   前記ニオブ酸リチウム単結晶のモル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｎｂ _２ Ｏ _５ ］）が、０．４９５以上０．５０未満であり、
   前記タンタル酸リチウム単結晶のモル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｔａ _２ Ｏ _５ ］）が、０．４９５以上０．５０未満であり、
   Ｍｎのみが１重量ｐｐｍ〜１００重量ｐｐｍ添加され、
   前記Ｍｎは、ゲート光の照射によってフォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するよう機能することを特徴とする２色ホログラム記録媒体。
2. 前記ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶のエネルギー帯は、価電子帯と伝導帯との間に第１エネルギー準位、第２エネルギー準位および第３エネルギー準位を含み、
   前記第１エネルギー準位は前記伝導帯を基準として前記第２エネルギー準位よりも深く、
   前記第３エネルギー準位は前記伝導帯を基準として前記第２エネルギー準位よりも深く、
   ４１０ｎｍ以下の波長を有する前記ゲート光を前記ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶に照射することにより、前記第１エネルギー準位から前記第２エネルギー準位に前記キャリアが励起され、
   前記ゲート光の波長よりも長い波長を有する記録光および参照光が前記ニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶に照射されることにより、前記第２エネルギー準位に励起された前記キャリアが前記第３エネルギー準位に捕獲されることによって前記記録光に担持されている情報が記録されることを特徴とする、請求項１記載の２色ホログラム記録媒体。
3. ホログラム記録媒体に情報を記録し、前記ホログラム記録媒体に記録された前記情報を再生する２色ホログラム記録再生装置であって、
   前記ホログラム記録媒体へ４１０ｎｍよりも短波長のゲート光を照射する第１照射手段と、
   前記情報を担持する信号光と参照光とを前記ホログラム記録媒体へ照射する第２照射手段と、を含み、
   前記信号光と前記参照光はそれぞれ前記ゲート光よりも長波長の光であり、
   前記ホログラム記録媒体は、Ｍｎのみが１重量ｐｐｍから１００重量ｐｐｍ添加された、モル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｎｂ _２ Ｏ _５ ］）が０．４９５以上０．５０未満であるニオブ酸リチウム単結晶またはモル分率［Ｌｉ _２ Ｏ］／（［Ｌｉ _２ Ｏ］＋［Ｔａ _２ Ｏ _５ ］）が０．４９５以上０．５０未満であるタンタル酸リチウム単結晶であり、前記Ｍｎは、前記ゲート光の照射によってフォトリフラクティブ効果に関与するキャリアを生成するよう機能することを特徴とする２色ホログラム記録再生装置。

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