(57)【要約】【課題】  媒体に光パルスを照射することにより波動を誘起し、その光のスポット形状を変えることで波動の関数を制御する波動の誘起・伝播制御システム及び波動の波動の誘起・伝播制御方法を提供する。【解決手段】  光源３０ａと、光源３０ａから出射された光のスポット形状を変更するスポット形状変更装置４０ａとを備え、当該光が試料２０ａに向けて照射されることにより試料２０ａ中に誘起され伝播する波動の関数を、スポット形状変更手段により試料２０ａに照射した光のスポット８０ａの形状を変化させて、当該光のスポット８０ａにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して所定の式に基づいて制御することを特徴とする。【選択図】図３
2014060229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射された光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段とを備え、
前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポットの形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御すること
を特徴とする波動の誘起・伝播制御システム。
2014060229.tif 000015
【請求項２】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されること
を特徴とする請求項１に記載の波動の誘起・伝播制御システム。
【請求項３】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の波動の誘起・伝播制御システム。
【請求項４】
スピン波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項１又は２に記載の波動の誘起・伝播制御システム。
【請求項５】
光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段と、
前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を検出する少なくとも１つの波動検出器とを備え、
前記スポット形状変更手段は、前記波動検出器により検出される波動の関数を、前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御すること
を特徴とする波動のスイッチング制御デバイス。
2014060229.tif 000016
【請求項６】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されること
を特徴とする請求項５に記載の波動のスイッチング制御デバイス。
【請求項７】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項５に記載の波動のスイッチング制御デバイス。
【請求項８】
スピン波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項５又は６に記載の波動のスイッチング制御デバイス。
【請求項９】
光源から出射された光を、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して媒体に照射して当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、
前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程とを有すること
を特徴とする波動の誘起・伝播制御方法。
2014060229.tif 000017
【請求項１０】
光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して光を媒体に照射して、当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、
前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程と、
前記波動の関数を少なくとも１つの波動検出器に検出させる第３工程とを有すること
を特徴とする波動のスイッチング制御方法。
2014060229.tif 000018
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス照射による好適な波動の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の情報社会を支えるエレクトロニクスでは、電子の持つ電荷の自由度やその電荷の流れである電流が情報を担ってきた。しかし、電流は、ジュール発熱が避けられず、情報デバイスの高密度化は、限界に達しつつある。
【０００３】
そうした中、近年、電子が持つもう一つの自由度である電子スピン（以下、「スピン」という）を積極的に利用するスピントロニクスという分野が立ち上がり、次世代の情報社会を支える技術として世界で研究開発が進んでいる。
【０００４】
エレクトロニクスでは、電子が持っている電荷がそのまま情報となっていたが、このスピントロニクスでは、電子の持っているスピンの向きが一つの情報となる。例えば、スピンの向きが、上向きか又は下向きかということが「１」、「０」の情報となる。
【０００５】
図１０に示すとおり、一つのスピンの回転軸が円を描くように揺れる現象を歳差運動と呼ぶ。このスピンが歳差運動を始めると、スピン間の相互作用によって、例えば、Ａ点にある一つのスピンの周囲にある他のＡ点以外のスピンも同じ周波数で歳差運動を始める。ここで、互いに隣り合うスピン同士が、その間で位相のずれを持ちながら歳差運動をするとき、有限な波長を持った波動となり、これをスピン波と呼ぶ。このスピン波は、電流と異なりジュール発熱が生じないことから、新しい情報デバイスとして期待されている。図１０に示す場合では、このＡ点からＢ点までの長さをスピン波の波長と呼ぶ。
【０００６】
従来から提案されているスピントロニクスのスピン波に関する技術としては、約１００フェムト秒のパルス幅を持つ円偏光パルスを磁性体に集光することで逆ファラデー効果を利用してスピン波を誘起する技術が開示されている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００７】
非特許文献１に開示された技術は、図１１に示すとおり、試料９０に照射されるポンプ光に対するプローブ光の相対的位置を磁場と同じ方向に徐々にずらしていくことによって、スピン歳差運動の時間空間分解測定を可能としている。このポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播の観測法による観測結果は、図１２に示されている。この図１２に示す場合は、ポンプ光とプローブ光との距離を、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍと順番にずらしていくと、スピン歳差運動が起きる時間が徐々にずれていき、スピン波の波束が伝播していく様子がわかる。
【０００８】
また、同様に、ポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播を観測した結果、ポンプ光のスポット形状を変えることで、スピン波が異方的に伝播する様子が明瞭に観測されたという実験結果が得られた。この結果は、スピン波の分散関係を用いた数値計算によっても再現されたということが開示されている。（例えば、非特許文献２参照）
【非特許文献１】佐藤琢哉他、希土類鉄ガーネットにおける光誘起スピンダイナミクス、日本物理学会講演概要集第６６巻第１号（第６６回年次大会）第４分冊、７５１頁、２０１１年３月３日発行
【非特許文献２】照井勇輝他、光誘起スピン波の異方的伝播の観測、第５９回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、１０−０７６頁、２０１２年２月２９日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の非特許文献１に開示された実験結果は、誘起されたスピン波が周囲に伝播していることはわかるものの、いかなるスピン波が誘起されたのかという点と、この誘起されたスピン波が、そもそも何に依存して誘起されたのかという点は開示されていない。
【００１０】
また、上述の非特許文献２に開示された実験結果は、振幅と位相の情報が混合されているため、スポット形状を変更した際にいかなる方法によりスピン波がエネルギーとしていかなる方向に伝播していくかという点と、いかなる数値計算によるシミュレーションによって実験結果と同じ結果が再現されたのかという点については、開示されていない。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、媒体に光パルスを照射することにより波動を誘起し、その光のスポット形状を変えることで波動の関数を制御する波動の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明に係る波動の誘起・伝播制御システム及びは波動の誘起・伝播制御方法は、次のように構成する。
【００１３】
本願請求項１に係る波動の誘起・伝播制御システムは、光源と、前記光源から出射された光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段とを備え、前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポットの形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御することを特徴とする。
2014060229.tif 000003
【００１４】
本願請求項２に係る波動の誘起・伝播制御システムは、前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されることを特徴とする。
【００１５】
本願請求項３に係る波動の誘起・伝播制御システムは、前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御することを特徴とする。
【００１６】
本願請求項４に係る波動の誘起・伝播制御システムは、本願請求項１又は２に記載の発明において、スピン波としての前記波動を制御することを特徴とする。
【００１７】
本願請求項５に係る波動のスイッチング制御デバイスは、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段と、前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を検出する少なくとも１つの波動検出器とを備え、前記スポット形状変更手段は、前記波動検出器により検出される波動の関数を、前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御することを特徴とする。
2014060229.tif 000004
【００１８】
本願請求項６に係る波動のスイッチング制御デバイスは、本願請求項５に記載の発明において、前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されることを特徴とする。
【００１９】
本願請求項７に係る波動のスイッチング制御デバイスは、本願請求項５に記載の発明において、前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御することを特徴とする。
【００２０】
本願請求項８に係る波動のスイッチング制御デバイスは、本願請求項５又は６に記載の発明において、スピン波としての前記波動を制御することを特徴とする。
【００２１】
本願請求項９に係る波動の誘起・伝播制御方法は、光源から出射された光を、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して媒体に照射して当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程とを有することを特徴とする。
2014060229.tif 000005
【００２２】
本願請求項１０に係る波動のスイッチング制御方法のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して光を媒体に照射して、当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程と、前記波動の関数を少なくとも１つの波動検出器に検出させる第３工程とを有することを特徴とする。
2014060229.tif 000006
【発明の効果】
【００２３】
本願請求項１〜４，９に記載の発明は、スポット形状変更手段により（１）式のモデルに基づいて波動の関数を制御することにより、所望の波動の関数を得るには、いかなる光のスポット形状を作ればいいかという設計が可能となる。また、（１）式により、試料の特性は、波動の分散関係と波動の緩和係数に基づくため、事前に試料特性を数値計算により予測を行い、所望の波動を誘起するための試料の選定又は所望の試料の合成が可能となる。即ち、媒体に照射した光の空間的強度分布のフーリエ変換により、所望のスポット形状を計算することもできるうえに、波動の分散関係と波動の緩和係数により目的に合わせて所望の試料を合成することもできる。これにより、所望の波動を作ることができる。
【００２４】
本願請求項６〜８，１０に記載の発明は、本願請求項１に記載の発明と同様に、（１）式のモデルに基づいて、所望のスポット形状、所望の試料、所望の波動を作ることができる。また、当該波動のスイッチング制御デバイスは、本願請求項１〜４に記載の発明と比較して、光源が構成要素になく、代わりに波動検出器が構成要素に追加されている。従って、当該波動のスイッチング制御デバイスは、必要に応じて所望の光源のある場所に当該波動のスイッチング制御デバイスを移動させて使用することが可能となる。また、当該波動のスイッチング制御デバイスは、光源が予め設置されていないため、本願請求項１〜４に記載の発明に波動検出器が追加された場合や、光源よりも波動検出器が安価である場合には、安価に製作でき経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・伝播制御装置の構成を示した模式図である。
【図２】本発明を適用した図１に示すスピン波の誘起・伝播制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播制御システムの概念図である。
【図３】本発明を適用した一般的な波動の誘起・伝播制御システムの概念図である。
【図４】本発明を適用したスポット形状変更装置における略長方形状の開口部と媒体中に投影された光のスポット形状と媒体に照射した光の空間的強度分布のフーリエ変換の平面図である。
【図５】本発明を適用したスポット形状変更装置が、不透明な平板の略中央に略長方形状の開口部がある場合の平面図である。
【図６】本発明を適用したスポット形状変更装置の開口部が略長方形状の場合におけるポンプ光照射１．５ｎｓ後のスピン波波形の実験結果の図である。
【図７】本発明を適用したスポット形状変更装置の開口部が略長方形状の場合におけるポンプ光照射１．５ｎｓ後のスピン波波形の数値シミュレーション結果の図である。
【図８】本発明を適用したスポット形状変更装置の開口部が略長方形状の場合におけるポンプ光照射１．５ｎｓ後のスピン波振幅マップの数値シミュレーション結果の図である。
【図９】本発明を適用したスポット形状変更装置とスピン波検出器を備えたスイッチング素子の概念図である。
【図１０】有限な波数を持ったスピン波の概念図である。
【図１１】スピン波の二次元的な伝播のポンプ・プローブ法による観測を示した概念図である。
【図１２】ポンプ・プローブ法により観測した、磁場と平行方向にスピン波が伝播する様子を示した実験グラフの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態として、媒体中を伝播する波動の関数を制御する波動伝播制御装システム及び波動の誘起・伝播制御方法において、媒体中を伝播する波動がスピン波の場合について、図１、２を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・伝播制御装置１の構成を示した模式図である。図２は、本発明を適用した図１に示すスピン波の誘起・伝播制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播制御システム１０の概念図である。
【００２８】
図１に示すスピン波の誘起・伝播制御装置１は、平板の試料２の面直方向にポンプ光を入射し、電磁石４１により試料２の面内方向に磁場を印加することにより試料２中のスピンを面内方向に向けて、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とする装置であって、光源３と、光源３から出射された光を分離するビームスプリッター１１と、このビームスプリッター１１を通過したポンプ光の光路上に配されるとともにその光の波長を変換する光パラメトリック増幅器１２と、光パラメトリック増幅器１２によって略直交方向に折り曲げられたポンプ光の繰り返し周波数の半分の周波数で光をチョップするチョッパー１３と、チョッパー１３を通過したポンプ光を分離するビームスプリッター１４と、分離された一方のポンプ光の強度を検出する光検出器１５と、分離された他方のポンプ光を略直交方向に反射させるミラー１６と、ポンプ光の偏光面を回転させる１／２波長板１７と、ポンプ光を直線偏光にする偏光子１８と、ポンプ光を円偏光にする１／４波長板１９と、通過したポンプ光のスポット形状を変更することができるスポット形状変更装置４と、このスポット形状変更装置４の開口部７を通過したポンプ光を集光するレンズ５とを備えている。
【００２９】
また、このスピン波の誘起・伝播制御装置１は、ビームスプリッター１１により略直交方向に折り曲げられて分離されたプローブ光の光路上に配されたミラー２１と、ミラー２１により略直交方向に折り曲げられたプローブ光を遅延ステージ側へと導く偏光ビームスプリッター２２と、偏光ビームスプリッター２２からのプローブ光を直線偏光から円偏光に変換する１／４波長板２３と、１／４波長板２３を通過したプローブ光をポンプ光に対して時間遅延をつける遅延ステージ２４と、遅延ステージ２４から戻ってきたプローブ光が偏光ビームスプリッター２２により略直交方向に折り曲げられ、当該プローブ光の光路上に配されたＮＤフィルタ２６と、ＮＤフィルタ２６を通過した光を試料２側へと反射させるミラー２８と、ミラー２８で反射されたプローブ光を集光するレンズ５５と、試料２を透過したプローブ光の偏光回転角を測定する偏光回転角測定器６とを備えている。
【００３０】
図２に示すスピン波の誘起・伝播制御システム１０は、平板の試料２０の面直方向にポンプ光を入射し、試料２０中のｘ方向に磁場を印加することにより試料２０中のスピンをｘ方向に向けて、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とするシステムであって、光源３０と、光源３０から出射された光を通過させるスポット形状変更装置４０と、スポット形状変更装置４０の開口部７０を通過した光を集光するレンズ５０と、試料２０に照射された光のスポット８０内に誘起されスポット８０外に伝播されたスピン波の情報を得るために、何れかの光源（図示省略）から出射されたプローブ光を試料２０に透過させることにより、当該プローブ光の偏光回転角を測定可能とする偏光回転角測定器６０とから構成される。
【００３１】
試料２，２０は、例えば、希土類鉄ガーネットのようなフェリ磁性絶縁体によって具体化させる。
【００３２】
電磁石４１は、試料２中の全てのスピンの向きを試料２の面内方向に揃えることとスピン波の分散関係そのものが印加する磁場に依存することから印加している。なお、電磁石４１の強度は約１ｋＯｅである。
【００３３】
光源３，３０は、例えば、フェムト秒パルスレーザー光源である。この光源３，３０は、具体的には、中心波長８００ｎｍ、時間幅１２０ｆｓ程度からなる光パルスを１ｋＨｚの繰り返し周波数で誘起する、再生増幅チタンサファイアレーザー等を用いるようにしてもよい。この光源３，３０の光のパルスエネルギーは、約１ｍJである。
【００３４】
ビームスプリッター１１は、光源３から出射された光パルスをポンプ光とプローブ光に分離する。ビームスプリッター１１は、この分離された光パルスのうちの約８０％の光パルスをポンプ光として光パラメトリック増幅器１２側に導き、残りの約２０％をプローブ光として遅延ステージ２４側へと導く。
【００３５】
また、このビームスプリッター１１で分離されたプローブ光の強度は、ＮＤフィルタ２６を通過後、更に低下する。従って、試料２に照射される直前には、ポンプ光とプローブ光との強度比は、約１０００：１までに達している。これにより、プローブ光の強度をポンプ光の強度よりも非常に小さくすることで、試料２中に誘起されるスピン波は、プローブ光による影響を小さく抑えることができる。
【００３６】
光パラメトリック増幅器１２は、ポンプ光の波長を約１２００〜２４００ｎｍに変換する。光が光パラメトリック増幅器１２を通過すると、波長約１８００ｎｍのアイドラー光と波長約１４００ｎｍのシグナル光という２つの波長が生まれる。そのうちシグナル光だけをチョッパー１３へと導く。この光パラメトリック増幅器１２を通過した光のパルスエネルギーは、約３０μＪである。
【００３７】
チョッパー１３は、光パラメトリック増幅器１２により波長変換されるポンプ光の繰り返し周波数の半分の周波数で周期的に断続することにより、当該ポンプ光を周期的にチョッピングする。チョッパー１３は、光反射部と光透過部とが周方向に交互に配された回転ディスクとして構成され、モータの回転駆動によって光ビームを周期的に反射させ又は通過させるようにしてもよい。このチョッパー１３を配設する目的は、取得すべき信号のＳＮ比を向上させるためである。チョッパー１３により変調されたポンプ光は、ビームスプリッター１４に導かれる。
【００３８】
ビームスプリッター１４は、チョッパー１３でチョップされた光パルスのうち約９０％の光をそのまま透過させるとともに、残りの約１０％は、これと略直交する方向に反射させて光検出器１５に導く。
【００３９】
光検出器１５は、ポンプ光の強度をモニタリングすることができる。光パラメトリック増幅器１２から出射されたポンプ光の繰り返し周波数の半分の周波数として、１ｋＨｚのポンプ光をチョッパー１３でチョップすると、５００Ｈｚに低下する。この強度を光検出器１５で検出することができる。
【００４０】
ミラー１６は、入射されてくる光を反射させることによりその光路を変換する反射板として構成される。この中で、ミラー１６は、ビームスプリッター１４を透過したポンプ光の光路を略直交方向に折り曲げて試料２側へと導く。
【００４１】
１／２波長板１７は、ポンプ光の強度調整を行う。この１／２波長板１７を配置するのは、試料２に照射される光の強度が、強過ぎる場合は、試料２を損傷する可能性があり、弱過ぎる場合は、試料２に対するポンプ光の影響が測定できなくなるからである。
【００４２】
偏光子１８は、１／２波長板１７を通過したポンプ光を直線偏光にして１／４波長板１９へと導く。
【００４３】
１／４波長板１９は、この光学軸をポンプ光の直線偏光の面に対してプラス４５度又はマイナス４５度に傾けると、ポンプ光の直線偏光は、それぞれ右回り又は左回りの円偏光とすることができる。同様に、１／４波長板２３は、この光学軸をプローブ光の直線偏光の面に対してプラス４５度又はマイナス４５度に傾けると、プローブ光の直線偏光は、それぞれ右回り又は左回りの円偏光とすることができる。
【００４４】
スポット形状変更装置４、４０は、例えば、略矩形のステンレスで構成される。スポット形状変更装置４、４０は、それぞれ略中央に開口部７、７０がある。図１、図２に示すそれぞれの開口部７、７０は、略長方形状である。しかし、これに限定されることなく、光のスポット形状を自在に変更することができれば、例えば、空間光変調器といったものでもよい。
【００４５】
レンズ５，５０は、ポンプ光を試料２，２０に集光する。ポンプ光は、このレンズ５，５０により直径約５０μｍに絞られて試料２，２０に到達する。ここで、図２に示すとおり、スポット形状変更装置４，４０とレンズ５，５０の間の距離は、それぞれ２５ｃｍである。また、レンズ５，５０と試料２，試料２０の間の距離は、それぞれ２５ｃｍである。即ち、このスポット形状変更装置４，４０とレンズ５，５０の間の距離と、レンズ５，５０と試料２，試料２０の間の距離は、等間隔に設けられている。
【００４６】
ミラー２１、２８は、入射されてくる光を反射させることによりその光路を変換する反射板として構成される。ミラー２１は、ビームスプリッター１１を透過したプローブ光を略直交方向に反射されて遅延ステージ２４側へ導く。ミラー２８は、この偏光ビームスプリッター２２により折り曲げられて到達するプローブ光を試料２側へと反射させる。
【００４７】
偏光ビームスプリッター２２は、プローブ光におけるＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。
【００４８】
遅延ステージ２４は、可動ミラー２５と固定ミラー２７による光路長の調整を利用した光学系により構成されている。可動ミラー２５は図１中の右方に移動したとき光路長が長く、また図１中の左方に移動したとき光路長が短く調整されることになる。従って、遅延ステージ２４は、可動ミラー２５の移動により、ポンプ光とプローブ光との遅延時間を調整することが可能となる。また、固定ミラー２７は、可動ミラー２５から垂直に入射した光を垂直に反射させることで、入射光の光路上に正確に反射光を戻すことができる。ここで、ポンプ光の光路長の可変範囲は、一般的には、９０ｃｍ程度であり、プローブ光とポンプ光との間に、例えば、０〜３ｎｓの遅延時間の設定範囲を与えることになる。
【００４９】
なお、遅延ステージ２４は、プローブ光の光路を調整することにより時間遅延させる場合を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、ポンプ光の光路上に設けるようにしてもよい。これにより、ポンプ光の光路を調整することにより時間を遅延させることも可能となる。
【００５０】
ここで、光源３を出射された光は、Ｐ偏光のままミラー２１を反射され、偏光ビームスプリッター２２を透過して１／４波長板２３に到達する。このＰ偏光は、１／４波長板２３により左回りの円偏光に変換される。この左回り円偏光は、遅延ステージ２４の可動ミラー２５及び固定ミラー２７で反射されると右回りの円偏光に変換される。この右回りの円偏光が、一度通過した１／４波長板２３を再度通過すると、Ｓ偏光に変換される。Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッター２２により略直交方向に反射されてミラー２８側に導かれる。
【００５１】
ＮＤフィルタ２６は、プローブ光の強度調整を行う。このＮＤフィルタ２６を配置するのは、試料２に照射される光の強度が、強過ぎる場合は、試料２を損傷する可能性があり、弱過ぎる場合は、プローブ光の信号が見えなくなるからである。
【００５２】
レンズ５５は、ミラー２８で反射されたプローブ光を集光して、試料２の表面に対して、試料２の法線の７°方向から照射する。
【００５３】
偏光回転角測定器６は、ウォラストンプリズム３３と、光検出器３４と、光検出器３５とを備える。偏光回転角測定器６０は、偏光回転角測定器６と同様に図示はされていないウォラストンプリズムや光検出器を備えている。
【００５４】
ウォラストンプリズム３３は、２つの直交した直線偏光に分離する。ここで、ポンプ光を試料２に照射しない場合は、ウォラストンプリズム３３に垂直に入射したプローブ光の偏光面に対して、プラス４５度とマイナス４５度の直交した同じ強度の直線偏光に分離する。しかし、ポンプ光を試料２に照射する場合は、スピン波の誘起によってプローブ光にファラデー回転が起きる。これにより、ウォラストンプリズム３３に垂直に入射したプローブ光のプラス４５度とマイナス４５度に分離した光の強度が異なる結果となる。
【００５５】
光検出器３４、３５は、ウォラストンプリズム３３で分離された異なるプローブ光の強度をそれぞれ測定する。光検出器３４と光検出器３５で検出されたプローブ光の強度の差分をとることで、試料２、２０中を伝播したスピン波の面直方向の情報を得ることができる。
【００５６】
ポンプ光は、約５００Ｈｚであり、その強度は、光検出器１５で検出される。また、試料２を透過したプローブ光は、約１ｋＨｚであり、その強度は、光検出器３４と、光検出器３５で検出される。この光検出器１５、３４、３５の３つを比較することで、ポンプ光のＯＮとＯＦＦを区別することができる。
【００５７】
次に、本発明を適用した媒体中を伝播する波動の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御装置における波動の誘起・伝播制御方法について、媒体中を伝播する波動がスピン波の場合について、図１、２を参照しながら詳細に説明する。
【００５８】
まず、図２を参照しながら、スピン波の誘起・伝播制御システム１０におけるスピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。
【００５９】
光源３０から出射された光をスポット形状変更装置４０を介して、当該光をレンズ５０により集光させて試料２０に照射して試料２０中にスピン波をスポット８０内に誘起し、当該スピン波をスポット８０外に伝播させる。次に、スポット形状変更装置４０の開口部７０の形状を変化させることにより、試料２０に照射された光のスポット８０の形状も変化させ、試料２０中に伝播するスピン波の関数も変化させる。更に、プローブ光を試料２０に照射して透過させ、その透過したプローブ光の偏光回転角を偏光回転角測定器６０により検出し、試料２０中を伝播するスピン波の関数の情報を得る。このため、スポット形状変更装置４０は、光のスポット形状を自在に変更させることにより、試料２０中に異方的に伝播するスピン波の関数を制御することができる。
【００６０】
次に、図１を参照しながら、スピン波の誘起・伝播制御システム１０において、例えば、スピン波の誘起・伝播制御装置１の場合に、具体的にスピン波の誘起と分析を行いスピン波の関数を制御する、スピン波の誘起・伝播制御方法について説明する。
【００６１】
このスピン波の誘起・伝播制御装置１においては、ポンプ・プローブ法によりプローブ光の光路途中に置かれた遅延ステージ２４の可動ミラー２５を物理的に移動させることにより光路長を変更して、ポンプ光との間の遅延時間を調整する。
【００６２】
ポンプ光は、チョッパー１３によりチョッピングされた後に試料２に照射される。このポンプ光の照射により、試料２中のポンプ光のスポット内にスピン波が誘起され、そのスピン波が当該スポット外に伝播されることになる。
【００６３】
またプローブ光は、試料２に対して試料２の法線の７°方向から入射され、偏光回転角測定器６で偏光回転角を測定し、伝播するスピン波の情報を分析する。ここで、スポット形状変更装置４で試料２中に照射される光のスポット形状を変更することによりスピン波の伝播方向、波長、波数等を含めたスピン波の関数が変化する。ポンプ光とプローブ光とは、遅延ステージ２４による遅延時間をずらし、試料２中に照射する箇所をポンプ光に対するプローブ光の相対的な２次元座標をずらしていくことで、スピン波の時間空間分解が可能となり、時間空間的なスピン波の関数の情報を得ることができる。
【００６４】
なお、スピン波の誘起・伝播制御装置１及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０で使用されるプローブ光は、ポンプ光により誘起され伝播されるスピン波の情報を検出するための一つの手段である。従って、スピン波の関数の情報を検出できれば、プローブ光に限定されることなく、いかなる手段であってもよい。
【００６５】
次に、本発明を適用した一般的な波動の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御方法について、図３を参照しながら詳細に説明する。
【００６６】
図３は、本発明を適用した一般的な波動の誘起・伝播制御システムの概念図である。特に、図３ではポンプ光のみを利用して波動を誘起した場合を示している。
【００６７】
図３に示す波動の誘起・伝播制御システム１０ａは、図２と比較すると、スピン波の誘起・伝播制御システム１０のうち、偏光回転角測定器６０を除いた構成となっている。波動の誘起・伝播制御システム１０ａは、平板の試料２０ａの面直方向にポンプ光を入射し、試料２０ａ表面上のｘ方向に磁場を印加することにより試料２０ａ中を伝播する波動を制御するシステムであって、光源３０ａと、光源３０ａから出射された光を通過させるスポット形状変更装置４０ａと、スポット形状変更装置４０ａの開口部７０ａを通過した光を集光するレンズ５０ａとから構成される。
【００６８】
波動の誘起・伝播制御システム１０ａは、光源３０ａから出射された光をスポット形状変更装置４０ａを介して、当該光をレンズ５０ａにより集光させて試料２０ａに照射して試料２０ａ中にスピン波をスポット８０ａ内に誘起し、当該スピン波をスポット８０ａ外に伝播させる。次に、スポット形状変更装置４０ａの開口部７０ａの形状を変化させることにより、試料２０ａに照射された光のスポット８０ａの形状も変化させ、試料２０ａ中に伝播するスピン波の関数も変化させる。図３に示す試料２０ａ中の点線で表現された複数の略楕円は、ある瞬間のスピン波の波形を表している。このように、スポット形状変更装置４０ａは、光のスポット形状を自在に変更させることにより、試料２０ａ中に異方的に伝播するスピン波の関数を制御することができる。図３に示すスポット形状変更装置４０ａは、開口部７０ａを有する場合を示しているが、これに限定されることなく、光のスポット形状を自在に変更することができれば、例えば、空間光変調器等、いかなるものであってもよい。
【００６９】
次に、本発明を適用した図３に示された波動の誘起・伝播制御システム１０ａにおける数値計算モデルについて説明する。
【００７０】
2014060229.tif 000007
は、スポット形状変更装置表面上の２次元の位置ベクトルを表している。（以下、「ベクトルｒ´」という。）従って、開口部７０ａの形状は、Ｅ（ベクトルｒ′）で表される。
【００７１】
図４（ｂ）は、試料２０ａに照射された光のスポット８０ａを示している。
ここで、
2014060229.tif 000008
は、試料２０ａ表面上の２次元の位置ベクトルを表している。（以下、「ベクトルｒ」という。）従って、スポット８０ａの形状は、Ｅ（ベクトルｒ′）をフーリエ変換したＥ（ベクトルｒ）で表される。また、図４（ｂ）に示す｜Ｅ（ベクトルｒ）｜2は、光のスポット８０ａにおける光の強度である。
【００７２】
ここで、
2014060229.tif 000009
は、当該媒体表面上の２次元の波数ベクトルを表している。（以下、「ベクトルｋ」という。）
【００７３】
図４（ｃ）に示すｈ（ベクトルｋ）は、この光の強度｜Ｅ（ベクトルｒ）｜2をフーリエ変換したものであり、即ち、媒体に照射した光の空間的強度分布のフーリエ変換を表している。
【００７４】
このｈ（ベクトルｋ）をスピン波の波源として、下記に示す（１）式のモデルを立てた。
2014060229.tif 000010
【００７５】
ここで、
2014060229.tif 000011
は時間を表している。
2014060229.tif 000012
は、波動の関数である。
2014060229.tif 000013
は、波の式である。
2014060229.tif 000014
は、波の減衰を表す式である。
【００７６】
ここで、ω（ベクトルｋ）は、スピン波の分散関係を表す。αは、ベクトルｋ＝０の時のスピン波の緩和係数である。このαは、フェリ磁性共鳴の実験で求めることができる。また、δは、初期位相を表している。波動の関数であるｍ（ベクトルｒ，ｔ）は、波数空間で積分を行っている。波動がスピン波の場合には、このδは、光と磁性体の相互作用の仕方に依存している。逆ファラデー効果によって、円偏光パルスがスピン歳差運動を誘起する場合、円偏光の電場の回転方向に応じてδは、０かπになる。
【００７７】
上記に示された（１）式の数値計算モデルは、図３に示す波動の誘起・伝播制御システム１０ａにおいて、スポット形状変更装置４０ａにより波動の関数を制御する際に利用できる。この（１）式により、所望の波動の関数を得るには、いかなる光のスポット形状を作ればいいかという設計が可能となる。また、（１）式により、試料の特性は、波動の分散関係ω（ベクトルｋ）と波動の緩和係数αに基づくため、事前に試料特性を数値計算により予測を行い、所望の波動を誘起するための試料２０ａの選定又は所望の試料２０ａの合成が可能となる。即ち、ｈ（ベクトルｋ）により、所望のスポット８０ａの形状を計算することもできるうえに、ω（ベクトルｋ）とαにより目的に合わせて所望の試料２０ａを選定又は合成することが可能となる。これにより、所望の波動を作ることができる。
【実施例１】
【００７８】
次に、波動がスピン波である場合において、スピン波の誘起・伝播制御装置１及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０による実際の実験結果とこの（１）式のモデルによる数値シミュレーション結果について図５〜８を参照しながら詳細に説明する。
【００７９】
図５は、スポット形状変更装置４、４０が、不透明な平板の略中央に略長方形状の開口部７、７０を短手方向１．２ｍｍと長手方向６ｍｍの略長方形状の開口部としたときの平面図である。図５（a）は、長手方向と磁場方向が平行な場合であり、図５（ｂ）は、長手方向が磁場方向と垂直な場合である。この２つの場合を使って実験を行うこととする。
【００８０】
図６（ａ）は、スポット形状変更装置４，４０の略長方形状の開口部７，７０の長手方向が、磁場に平行な場合におけるポンプ光に対するプローブ光の試料２，２０に到達する相対的時間差である遅延時間が１．５ｎｓ後の偏光回転角測定器６，６０で検出されたスピン波の波形の実験結果の図である。図６（ｂ）は、開口部７，７０の長手方向が、磁場に垂直な場合における図６（a）と同様なスピン波波形の実験結果の図である。
【００８１】
ここで、縦軸は、磁場と垂直方向の距離を表し、横軸は、磁場と平行方向の距離を表している。また、図６中グラフの右側の白黒の濃淡は、プローブ光の偏光回転角（ｍｒａｄ）を表している。ここでは、図６中の点線部分が、スポット８，８０を示している。スピン波の場合、波動の関数はスピン歳差運動の回転角であり、スピン歳差運動の回転角の面直成分は、プロープ光の偏光回転角として測定できる。
【００８２】
図６（ａ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と平行方向な場合は、スポット８，８０が試料２，２０の略中央に磁場と垂直方向に長手方向となる略楕円形上になる。
【００８３】
また、図６（ｂ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と垂直方向な場合は、スポット８，８０が試料２，２０の略中央に磁場と平行方向に長手方向となる略楕円形上になる。
【実施例２】
【００８４】
図７（ａ）は、スポット形状変更装置４，４０の略長方形状の開口部７，７０の長手方向が、磁場に平行な場合におけるポンプ光に対するプローブ光の試料２、２０に到達する相対的時間差である遅延時間が１．５ｎｓ後のスピン波波形の（１）式による数値シミュレーション結果の図である。図７（ｂ）は、開口部７，７０の長手方向が、磁場に垂直な場合における図７（a）と同様なスピン波波形の数値シミュレーション結果の図である。ここで、図７の縦軸と横軸等は、図６と同様な構成である。
【００８５】
図７（ａ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と平行方向な場合の数値シミュレーションでは、スポット８，８０が試料２，２０の略中央に磁場と垂直方向に長手方向となる略楕円形状になる。
【００８６】
また、図７（ｂ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と垂直方向な場合の数値シミュレーションでは、スポット８，８０が試料２，２０の略中央に磁場と平行方向に長手方向となる略楕円形状になる。
【００８７】
これにより、実施例１の実験結果と実施例２の数値シミュレーションのそれぞれのスピン波の波形がほぼ同じであるといえ、（１）式の数値計算式が正しいことが証明された。
【００８８】
しかしながら、図６の実験結果と、図７の数値シミュレーション結果とでは、振幅の情報と位相の情報の両方が含まれているため、スピン波が波束としていかなる伝播をしているかが明確でないという問題点もある。
【実施例３】
【００８９】
そこで、図７の数値シミュレーション結果の各点において、時間的な変動を見ると振動をしているため、そのエンベロープを抽出することとする。そのエンベロープだけを抽出したものが図８に示すスピン波の振幅マップである。ここでは、図８の縦軸と横軸等は、図６と同様な構成である。図８中の白黒の濃淡は、スピン波の振幅を示している。
【００９０】
図８（ａ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と平行方向な場合の数値シミュレーションでは、スポット８，８０の強度が、グラフ中央に点線で示された略楕円形状で示されており、その周囲に色の濃い部分が、磁場に平行方向に流れており、スピン波が磁場に平行に流れていることがわかる。
【００９１】
また、図８（ｂ）に示すとおり、開口部７，７の長手方向が、磁場と垂直方向な場合の数値シミュレーションでは、スポット８，８０の強度が、グラフ中央に点線で示された略楕円形状で示されており、その周囲に色の濃い部分が、磁場と垂直方向に流れており、スピン波が磁場に垂直に流れていることがわかる。
【００９２】
次にスピン波を応用例として、スピン波を使った波動のスイッチング制御デバイスについて、図９を参照しながら詳細に説明する。
【００９３】
図９に示すとおり、スイッチング素子１００は、平板の試料２００の面直方向にポンプ光を入射し、試料２００表面上に磁場を印加することにより試料２００中を伝播する波動を制御するシステムであって、光源３００と、光源３００から出射された光を通過させるスポット形状変更装置４００と、スポット形状変更装置４００の開口部７００を通過した光を集光するレンズ５００と、試料２００の表面上に照射された光のスポット８００外であって試料２００中に少なくとも１つ設けられたスピン波検出器６００から構成される。
図９では、スピン波検出器６００では、例えば、複数設けられたスピン波検出器６００が示されている。
【００９４】
いずれかの光源から出射された光をスポット形状変更装置４００を介して、当該光をレンズ５００により集光させて試料２００に照射して、スピン波を試料２００中の光のスポット８００内に誘起し、当該スピン波をスポット８００外に伝播させる。次にスポット形状変更装置４００の開口部７００の形状を変化させることにより、試料２００に照射された光のスポット８００の形状を変化させ、試料２００中に伝播するスピン波の関数を変化させる。このため、スポット形状変更装置４００は、光のスポット８００の形状を自在に変更させることができる。更に、スポット８００外に伝播されたスピン波は、スピン波検出器６００により検出させる。
【００９５】
例えば、図９に示すとおり、スポット形状変更装置４００の略長方形状の開口部７００の長手方向が磁場に平行な場合は、試料２００中の光のスポット８００は、長軸が磁場に垂直な略楕円形状となる。また、スポット形状変更装置４００の略長方形状の開口部７００の長手方向が磁場に垂直な場合は、試料２００中の光のスポット８００は、長軸が磁場に平行な略楕円形状となる。このため、スポット形状変更装置４００の略長方形状の開口部７００の方向を自在に変化させることで、開口部７００の方向に合せて試料２００中の光のスポット８００の略楕円形状の方向も変化させることができる。なお、図９に示すスポット形状変更装置４００は、開口部７００を有する場合を示しているが、これに限定されることなく、光のスポット形状を自在に変更することができれば、例えば、空間光変調器等、いかなるものであってもよい。
【００９６】
これにより、スピン波の伝播方向の切り替えを可能とするスイッチング素子１００が実現される。スイッチング素子１００は、試料２００中に伝播するスピン波の関数を変化させることができるため、スピン波の関数を制御できる。
【００９７】
スイッチング素子１００は、光源が構成要素にないため必要に応じて所望の光源のある場所にスイッチング素子１００を移動させて使用することが可能となる。また、スイッチング素子１００は、光源が予め設置されていないため、図３に示す波動の誘起・伝播制御システム１０ａにおいて波動がスピン波とした場合に、波動の誘起・伝播制御システム１０ａの構成にスピン波検出器６００が追加されたスピン波の誘起・伝播制御システムや、光源３０ａよりスピン波検出器６００が安価である場合には、比較的安価に製作でき経済的である。
【００９８】
このスピン波の速度は、スピン波の誘起・伝播制御装置１及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０及びスイッチング素子１００の場合、約１０5ｍ／ｓであった。光速は、３×１０8ｍ／ｓであるため、光速と比較すると圧倒的に遅い。しかしながら、速度が遅いというのは、逆にメリットにもなり得る。例えば、光の速度は、速すぎるためデバイス中でその情報を保持することができない。一方、スピン波は、速度が光の速度と比較してある程度遅いため、例えば、図９に示すスポット形状変更装置４００を通過した光が、スピン波検出器６００に届くまでにはある一定時間がかかる。即ち、スピン波を利用したスイッチング素子１００は、試料２００中にスピン波の情報を一定時間保持することができるとも言える。
【００９９】
上述のような構成で示された、波動の誘起・伝播制御システム１０ａ、スピン波の誘起・伝播制御システム１０、スピン波の誘起・伝播制御装置１及びスイッチング素子１００は、スピン波に限られるものではない。例えば、弾性波等といったものであっても、これらの波動を光で誘起することができる。即ち、同じしくみを使うことで、弾性波の伝播方向、波長、波数等を含めた弾性波の関数を制御できることは勿論である。
【０１００】
以上、本発明の実施例及び応用例について詳細に説明したが、前述した実施例及び応用例は、何れも本発明を実施するにあたって具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。
【符号の説明】
【０１０１】
１          スピン波の誘起・伝播制御装置
２、２０、２０ａ、９０、２００    試料
３、３０、３０ａ    光源
４、４０、４０ａ、４００    スポット形状変更装置
５、５０、５０ａ、５５、５００    レンズ
６、６０    偏光回転角測定器
７、７０、７０ａ、７００    開口部
８、８０、８０ａ、８００    スポット
１０        スピン波の誘起・伝播制御システム
１０ａ      波動の誘起・伝播制御システム
１１、１４  ビームスプリッター
１２        光パラメトリック増幅器
１３        チョッパー
１５、３４、３５    光検出器
１６、２１、２８    ミラー
１７        １／２波長板
１８        偏光子
１９、２３  １／４波長板
２２        偏光ビームスプリッター
２４        遅延ステージ
２５        可動ミラー
２６        ＮＤフィルタ
２７        固定ミラー
３３        ウォラストンプリズム
４１        電磁石
１００      スイッチング素子
６００      スピン波検出器
【図２】
2014060229.tif 000019
【図３】
2014060229.tif 000020
【図９】
2014060229.tif 000021
【図１０】
2014060229.tif 000022
【図１１】
2014060229.tif 000023
【図１２】
2014060229.tif 000024
【図１】
2014060229.tif 000025
【図４】
2014060229.tif 000026
【図５】
2014060229.tif 000027
【図６】
2014060229.tif 000028
【図７】
2014060229.tif 000029
【図８】
2014060229.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月2日(2012.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射された光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段とを備え、
前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御すること
を特徴とする波動の誘起・伝播制御システム。
2014060229.tif 000031
【請求項２】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されること
を特徴とする請求項１に記載の波動の誘起・伝播制御システム。
【請求項３】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の波動の誘起・伝播制御システム。
【請求項４】
スピン波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項１又は２に記載の波動の誘起・伝播制御システム。
【請求項５】
光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段と、
前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を検出する少なくとも１つの波動検出器とを備え、
前記スポット形状変更手段は、前記波動検出器により検出される波動の関数を、前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御すること
を特徴とする波動のスイッチング制御デバイス。
2014060229.tif 000032
【請求項６】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されること
を特徴とする請求項５に記載の波動のスイッチング制御デバイス。
【請求項７】
前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項５に記載の波動のスイッチング制御デバイス。
【請求項８】
スピン波としての前記波動を制御すること
を特徴とする請求項５又は６に記載の波動のスイッチング制御デバイス。
【請求項９】
光源から出射された光を、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して媒体に照射して当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、
前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程とを有すること
を特徴とする波動の誘起・伝播制御方法。
2014060229.tif 000033
【請求項１０】
光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して光を媒体に照射して、当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、
前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程と、
前記波動の関数を少なくとも１つの波動検出器に検出させる第３工程とを有すること
を特徴とする波動のスイッチング制御方法。
2014060229.tif 000034
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、同様に、ポンプ・プローブ法によるスピン波の空間伝播を観測した結果、ポンプ光のスポット形状を変えることで、スピン波が異方的に伝播する様子が明瞭に観測されたという実験結果が得られた。この結果は、スピン波の分散関係を用いた数値計算によっても再現されたということが開示されている。（例えば、非特許文献２参照）
【非特許文献１】照井勇輝他、希土類鉄ガーネットにおける光誘起スピンダイナミクス、日本物理学会講演概要集第６６巻第１号（第６６回年次大会）第４分冊、７５１頁、２０１１年３月３日発行
【非特許文献２】照井勇輝他、円偏光パルスの成形によるスピン波の波数分布制御、第５９回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、１０−０７６頁、２０１２年２月２９日発行
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明に係る波動の誘起・伝播制御システム及び波動の誘起・伝播制御方法は、次のように構成する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本願請求項１に係る波動の誘起・伝播制御システムは、光源と、前記光源から出射された光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段とを備え、前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御することを特徴とする。
2014060229.tif 000035
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本願請求項２に係る波動の誘起・伝播制御システムは、本願請求項１に記載の発明において、前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての磁性体の相互作用により前記波動が誘起されることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本願請求項３に係る波動の誘起・伝播制御システムは、本願請求項１に記載の発明において、前記光が前記媒体に照射されることにより生じる、前記光と前記媒体としての弾性体の相互作用により弾性波としての前記波動を制御することを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本願請求項５に係る波動のスイッチング制御デバイスは、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段と、前記光が媒体に向けて照射されることにより当該媒体中に誘起され伝播する波動の関数を検出する少なくとも１つの波動検出器とを備え、前記スポット形状変更手段は、前記波動検出器により検出される波動の関数を、前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御することを特徴とする。
2014060229.tif 000036
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本願請求項９に係る波動の誘起・伝播制御方法は、光源から出射された光を、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して媒体に照射して当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程とを有することを特徴とする。
2014060229.tif 000037
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本願請求項１０に係る波動のスイッチング制御方法は、光のスポット形状を変更するスポット形状変更手段を介して光を媒体に照射して、当該媒体中に波動を誘起し伝播させる第１工程と、前記波動の関数を、前記スポット形状変更手段により前記媒体に照射した光のスポット形状を変化させて、当該光のスポットにおける当該光の空間的強度分布のフーリエ変換を利用して下記（１）式に基づいて制御する第２工程と、前記波動の関数を少なくとも１つの波動検出器に検出させる第３工程とを有することを特徴とする。
2014060229.tif 000038
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
本願請求項１〜４，９に記載の発明は、スポット形状変更手段により（１）式のモデルに基づいて波動の関数を制御することにより、所望の波動の関数を得るには、いかなる光のスポット形状を作ればいいかという設計が可能となる。また、（１）式により、試料の特性は、波動の角周波数の分散関係と波動の緩和係数に基づくため、事前に試料特性を数値計算により予測を行い、所望の波動を誘起するための試料の選定又は所望の試料の合成が可能となる。即ち、媒体に照射した光の空間的強度分布のフーリエ変換により、所望のスポット形状を計算することもできるうえに、波動の角周波数の分散関係と波動の緩和係数により目的に合わせて所望の試料を合成することもできる。これにより、所望の波動を作ることができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本願請求項５〜８，１０に記載の発明は、本願請求項１に記載の発明と同様に、（１）式のモデルに基づいて、所望のスポット形状、所望の試料、所望の波動を作ることができる。また、当該波動のスイッチング制御デバイスは、本願請求項１〜４、９に記載の発明と比較して、光源が構成要素になく、代わりに波動検出器が構成要素に追加されている。従って、当該波動のスイッチング制御デバイスは、必要に応じて所望の光源のある場所に当該波動のスイッチング制御デバイスを移動させて使用することが可能となる。また、当該波動のスイッチング制御デバイスは、光源が予め設置されていないため、本願請求項１〜４、９に記載の発明に波動検出器が追加された場合や、光源よりも波動検出器が安価である場合には、安価に製作でき経済的である。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
【図１】本発明を適用したポンプ・プローブ法によるスピン波の誘起・伝播制御装置の構成を示した模式図である。
【図２】本発明を適用した図１に示すスピン波の誘起・伝播制御装置の主要な構成要素を抽出したスピン波の誘起・伝播制御システムの概念図である。
【図３】本発明を適用した一般的な波動の誘起・伝播制御システムの概念図である。
【図４】本発明を適用したスポット形状変更装置における略長方形状の開口部と媒体中に投影された光のスポット形状と媒体に照射した光の空間的強度分布のフーリエ変換の平面図である。
【図５】本発明を適用したスポット形状変更装置が、不透明な平板の略中央に略長方形状の開口部がある場合の平面図である。
【図６】本発明を適用したスポット形状変更装置の開口部が略長方形状の場合におけるポンプ光照射１．５ｎｓ後のプローブ光の偏光回転角の実験結果の図である。
【図７】本発明を適用したスポット形状変更装置の開口部が略長方形状の場合におけるポンプ光照射１．５ｎｓ後のスピン波の関数の数値シミュレーション結果の図である。
【図８】本発明を適用したスポット形状変更装置の開口部が略長方形状の場合におけるポンプ光照射１．５ｎｓ後のスピン波振幅マップの数値シミュレーション結果の図である。
【図９】本発明を適用したスポット形状変更装置とスピン波検出器を備えたスイッチング素子の概念図である。
【図１０】有限な波数を持ったスピン波の概念図である。
【図１１】スピン波の２次元的な伝播のポンプ・プローブ法による観測を示した概念図である。
【図１２】ポンプ・プローブ法により観測した、磁場と平行方向にスピン波が伝播する様子を示した実験グラフの図である。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
図１に示すスピン波の誘起・伝播制御装置１は、平板の試料２の面内方向に電磁石４１により磁場を印加することにより試料２中のスピンを面内方向に向けて、試料２の面直方向にポンプ光を入射し、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とする装置であって、光源３と、光源３から出射された光を分離するビームスプリッター１１と、このビームスプリッター１１を通過したポンプ光の光路上に配されるとともにその光の波長を変換する光パラメトリック増幅器１２と、光パラメトリック増幅器１２によって略直交方向に折り曲げられたポンプ光の繰り返し周波数の半分の周波数で光をチョップするチョッパー１３と、チョッパー１３を通過したポンプ光を分離するビームスプリッター１４と、分離された一方のポンプ光の強度を検出する光検出器１５と、分離された他方のポンプ光を略直交方向に反射させるミラー１６と、ポンプ光の偏光面を回転させる１／２波長板１７と、ポンプ光を直線偏光にする偏光子１８と、ポンプ光を円偏光にする１／４波長板１９と、通過したポンプ光のスポット形状を変更することができるスポット形状変更装置４と、このスポット形状変更装置４の開口部７を通過したポンプ光を集光するレンズ５とを備えている。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図２に示すスピン波の誘起・伝播制御システム１０は、平板の試料２０中のｘ方向に磁場を印加することにより試料２０中のスピンをｘ方向に向けて、試料２０の面直方向にポンプ光を入射し、ポンプ・プローブ法により当該スピンにより生じるスピン波の時間空間分解測定を可能とするシステムであって、光源３０と、光源３０から出射された光を通過させるスポット形状変更装置４０と、スポット形状変更装置４０の開口部７０を通過した光を集光するレンズ５０と、試料２０に照射された光のスポット８０内に誘起されスポット８０外に伝播されたスピン波の関数の情報を得るために、何れかの光源（図示省略）から出射されたプローブ光を試料２０に透過させることにより、当該プローブ光の偏光回転角を測定可能とする偏光回転角測定器６０とから構成される。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
電磁石４１は、試料２中の全てのスピンの向きを試料２の面内方向に揃えることとスピン波の分散関係そのものが印加する磁場に依存することから印加している。なお、電磁石４１の磁場の強度は約１ｋＯｅである。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
光源３，３０は、例えば、フェムト秒パルスレーザー光源である。この光源３，３０は、具体的には、中心波長８００ｎｍ、時間幅１２０ｆｓ程度からなる光パルスを１ｋＨｚの繰り返し周波数で生成する、再生増幅チタンサファイアレーザー等を用いるようにしてもよい。この光源３，３０の光のパルスエネルギーは、約１ｍＪである。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
ポンプ光は、繰り返し周波数約５００Ｈｚであり、その強度は、光検出器１５で検出される。また、試料２を透過したプローブ光は、約１ｋＨｚであり、その強度は、光検出器３４と、光検出器３５で検出される。この光検出器１５、３４、３５の３つを比較することで、ポンプ光のＯＮとＯＦＦを区別することができる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
ポンプ光は、チョッパー１３によりチョッピングされた後に試料２に照射される。このポンプ光の照射により、試料２中のポンプ光のスポット内にスピン波が誘起され、そのスピン波が当該スポット外に伝播することになる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
またプローブ光は、試料２に対して試料２の法線の７°方向から入射され、偏光回転角測定器６で偏光回転角を測定し、伝播するスピン波の関数の情報を分析する。ここで、スポット形状変更装置４で試料２中に照射される光のスポット形状を変更することによりスピン波の伝播方向、波長、波数等を含めたスピン波の関数が変化する。ポンプ光とプローブ光とは、遅延ステージ２４による遅延時間をずらし、試料２中に照射する箇所をポンプ光に対するプローブ光の相対的な２次元位置をずらしていくことで、スピン波の時間空間分解が可能となり、時間空間的なスピン波の関数の情報を得ることができる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
なお、スピン波の誘起・伝播制御装置１及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０で使用されるプローブ光は、ポンプ光により誘起され伝播されるスピン波の関数の情報を検出するための一つの手段である。従って、スピン波の関数の情報を検出できれば、プローブ光に限定されることなく、いかなる手段であってもよい。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
図３に示す波動の誘起・伝播制御システム１０ａは、図２と比較すると、スピン波の誘起・伝播制御システム１０のうち、偏光回転角測定器６０を除いた構成となっている。波動の誘起・伝播制御システム１０ａは、平板の試料２０ａの面直方向にポンプ光を入射することにより試料２０ａ中を伝播する波動を制御するシステムであって、光源３０ａと、光源３０ａから出射された光を通過させるスポット形状変更装置４０ａと、スポット形状変更装置４０ａの開口部７０ａを通過した光を集光するレンズ５０ａとから構成される。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
波動の誘起・伝播制御システム１０ａは、光源３０ａから出射された光をスポット形状変更装置４０ａを介して、当該光をレンズ５０ａにより集光させて試料２０ａに照射して試料２０ａ中に波動をスポット８０ａ内に誘起し、当該波動をスポット８０ａ外に伝播させる。次に、スポット形状変更装置４０ａの開口部７０ａの形状を変化させることにより、試料２０ａに照射された光のスポット８０ａの形状も変化させ、試料２０ａ中に伝播する波動の関数も変化させる。図３に示す試料２０ａ中の点線で表現された複数の略楕円は、ある瞬間の波動の関数を表している。このように、スポット形状変更 装置４０ａは、光のスポット形状を自在に変更させることにより、試料２０ａ中に異方的に伝播する波動の関数を制御することができる。図３に示すスポット形状変更装置４０ａは、開口部７０ａを有する場合を示しているが、これに限定されることなく、光のスポット形状を自在に変更することができれば、例えば、空間光変調器等、いかなるものであってもよい。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
このｈ（ベクトルｋ）を波動の波源として、下記に示す（１）式のモデルを立てた。
2014060229.tif 000039
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
ここで、ω（ベクトルｋ）は、波動の角周波数の分散関係を表す。αは、ベクトルｋ＝０の時の波動の緩和係数である。波動がスピン波の場合には、このαは、磁性共鳴の実験で求めることができる。また、δは、初期位相を表している。波動の関数であるｍ（ベクトルｒ，ｔ）は、波数空間で積分を行うことで得ることができる。波動がスピン波の場合には、このδは、光と磁性体の相互作用の仕方に依存している。逆ファラデー効果によって、円偏光パルスがスピン歳差運動を誘起する場合、円偏光の電場の回転方向に応じてδは、０かπになる。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
図６（ａ）は、スポット形状変更装置４，４０の略長方形状の開口部７，７０の長手方向が、磁場に平行な場合におけるポンプ光に対するプローブ光の試料２，２０に到達する相対的時間差である遅延時間が１．５ｎｓの偏光回転角測定器６，６０で検出されたプローブ光の偏光回転角の実験結果の図である。図６（ｂ）は、開口部７，７０の長手方向が、磁場に垂直な場合における図６（a）と同様なプローブ光の偏光回転角の実験結果の図である。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
図６（ａ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と平行方向な場合は、スポット８，８０が試料２，２０の略中央に磁場と垂直方向に長手方向となる略楕円形状になる。
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
また、図６（ｂ）に示すとおり、開口部７，７０の長手方向が、磁場と垂直方向な場合は、スポット８，８０が試料２，２０の略中央に磁場と平行方向に長手方向となる略楕円形状になる。
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
図７（ａ）は、スポット形状変更装置４，４０の略長方形状の開口部７，７０の長手方向が、磁場に平行な場合におけるポンプ光に対するプローブ光の試料２、２０に到達する相対的時間差である遅延時間が１．５ｎｓのスピン波の関数の（１）式による数値シミュレーション結果の図である。図７（ｂ）は、開口部７，７０の長手方向が、磁場に垂直な場合における図７（a）と同様なスピン波の関数の数値シミュレーション結果の図である。ここで、図７の縦軸と横軸等は、図６と同様な構成である。
【手続補正２９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９３】
図９に示すとおり、スイッチング素子１００は、平板の試料２００表面上に磁場を印加し、試料２００の面直方向にポンプ光を入射することにより試料２００中を伝播する波動を制御するシステムであって、何れかの光源（図示省略）から出射された光を通過させるスポット形状変更装置４００と、スポット形状変更装置４００の開口部７００を通過した光を集光するレンズ５００と、試料２００の表面上に照射された光のスポット８００外であって試料２００中に少なくとも１つ設けられたスピン波検出器６００から構成される。図９では、スピン波検出器６００では、例えば、複数設けられたスピン波検出器６００が示されている。
【手続補正３０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９８】
このスピン波の速度は、スピン波の誘起・伝播制御装置１及びスピン波の誘起・伝播制御システム１０及びスイッチング素子１００の場合、約１０5ｍ／ｓであった。光速は、３×１０8ｍ／ｓであるため、光速と比較すると圧倒的に遅い。しかしながら、速度が遅いというのは、逆にメリットにもなり得る。例えば、光の速度は、速すぎるためデバイス中でその情報を保持することができない。一方、スピン波は、速度が光の速度と比較してある程度遅いため、例えば、図９に示すスポット形状変更装置４００を通過した光が、スピン波検出器６００に届くまでにはある一定時間がかかる。即ち、スピン波を利用したスイッチング素子１００は、試料２００中にスピン波の関数の情報を一定時間保持することができるとも言える。
【手続補正３１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2014060229.tif 000040