(57)【要約】【課題】多光子吸収過程を利用して特に多層記録媒体への記録を実現する光記録方法及び光記録装置を提供する。【解決手段】少なくとも記録用のレーザ光のパルス幅を１ｐｓ以下とし、このパルスレーザ光を記録媒体３０に集光する対物レンズ５の開口数ＮＡを０．６以上とし、記録媒体３０として、記録しきい値エネルギーが１０ｎＪ以下の記録材料を有する記録媒体３０を用いて記録再生を行う。【選択図】図１
2006196084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも記録用のレーザ光のパルス幅を１ｐｓ以下とし、
上記パルスレーザ光を記録媒体に集光する対物レンズの開口数ＮＡを０．６以上として、
上記記録媒体として、記録しきい値エネルギーが１０ｎＪ以下の記録材料を有する記録媒体を用いて記録再生を行う
ことを特徴とする光記録方法。
【請求項２】
記録媒体に対する少なくとも情報の記録を行う光記録装置であって、
パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を発振する光源と、
上記光源からのパルスレーザ光を記録媒体に集光する開口数ＮＡが０．６以上の対物レンズとが少なくとも設けられて成り、
少なくとも記録しきい値が１０ｎＪ以下の記録媒体への記録がなされる
ことを特徴とする光記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に多光子吸収過程を利用して記録を行う光記録方法及び光記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元的な多層構造、あるいはそれに準じた構造を有する記録媒体に対し、レーザ光を用いて情報を記録する方法として、パルス幅の極めて短い例えばフェムト秒レーザを用いて多光子吸収過程を利用する技術が注目されている。
このようなフェムト秒レーザを利用して、材料に対し局部的に変化を生じさせる方法としては、例えば、透明無機材料に希土類イオン等を添加した材料に対して、パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を照射する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
上記特許文献１に記載の方法では、１ｐｓ以下のパルスレーザ光を照射することによって、無機材料内に、紫外線を照射した際に周囲とは異なる挙動を示す異質部分を形成するものであり、具体的には例えば透明ガラスに希土類イオン等を添加した材料において、数百ｆｓのパルス幅のパルスレーザ光を照射することによって、紫外線を照射した際に蛍光を発光する領域を部分的に形成することを試みている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１においては、上述したように紫外線照射により局部的な発光状態を示す有体物を形成し、これを例えば三次元メモリやディスプレイ、情報の表示媒体や装飾体などへ応用することを提案している。
しかしながら、多層記録媒体への記録再生を具体的に実現する手法については、上記特許文献１では全く検討されておらず、上述したような多光子吸収過程を利用する記録方法や記録装置について、特にその光学系や適用可能な記録材料に対する具体的かつ実用可能な指針については、上記特許文献１を含め全く検討されていないのが現状である。
【０００５】
このため、上述したようなフェムト秒レーザを用いて多光子吸収を生じさせて何らかの状態変化を生じさせる材料が見出されても、それに対応して個別に適切な光学系を設計することが必要であり、またそのような状態変化を生じさせるに十分なパルスエネルギーを確保するために、比較的高価な再生増幅器等の補助装置を光源に設けるなどの工夫が必要であった。このため、実用的な記録装置としての最適化は難しい状況にあった。
特に、再生増幅器を併用する場合、そのパルスの繰り返し周波数はせいぜい数ｋＨｚ程度しか出せないため、コンパクト・ディスク（ＣＤ）に代表されるような、いわゆる光ディスクに準じた形態で記録を行う場合には、高い回転数で信号品質を伴った記録を実現することは困難であり、結果として十分な転送レートを確保することが困難であった。
【０００６】
以上の問題に鑑みて、本発明は、多光子吸収過程を利用して特に多層記録媒体への記録を実現する光記録方法及び光記録装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明による光記録方法は、少なくとも記録用のレーザ光のパルス幅を１ｐｓ以下とし、上記パルスレーザ光を記録媒体に集光する対物レンズの開口数ＮＡを０．６以上として、上記記録媒体として、記録しきい値エネルギーが１０ｎＪ以下の記録材料を有する記録媒体を用いて記録再生を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による光記録装置は、記録媒体に対する少なくとも情報の記録を行う光記録装置であって、パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を発振する光源と、この光源からのパルスレーザ光を記録媒体に集光する開口数ＮＡが０．６以上の対物レンズとが少なくとも設けられて成り、少なくとも記録しきい値が１０ｎＪ以下の記録媒体への記録を行うことを特徴とする。
【０００９】
上述したように、本発明は、記録媒体への多層記録を行うにあたり、そのレーザ光源のパルス幅及び集光性能と、記録媒体の記録しきい値エネルギーとの適切な関係を提案するものであり、この様な条件として光記録装置を構成することによって、良好に多光子吸収過程による記録を行うことができて、前述の再生増幅器を用いることなく、パルスレーザ・オシレータによる実用的な多層記録が可能となる。
すなわち本発明は、光記録装置における構成要素の連携や、光記録装置と記録媒体との全体における構成条件について具体的な指針を検討したものであり、その結果、特に光源のパルスレーザのパルス幅と、対物レンズの集光性能との適切な選定、また記録媒体においては特に記録しきい値の適切な選定が、多層記録を実現する光記録方式及び光記録装置における必要な構成要素であることが判明した。本発明は、これらについて、実用的な記録が可能な構成を明らかにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の光記録方法及び光記録装置によれば、多光子吸収過程を利用した実用的な多層記録が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
上述したように、本発明は、多光子吸収過程を利用して特に多層記録を実現するにあたって、光源のパルス幅と集光性能、記録媒体の記録しきい値を規定するものである。
図１は、本発明構成の光記録装置の一例の基本構成を示す概略構成図である。
【００１２】
この例では、パルス幅１ｐｓ以下のパルスレーザを発振する光源１が設けられ、この光源１から出射されたパルスレーザは、光軸Ｃ１に沿って光量調節用のＮＤフィルター等より成るフィルター２を介してビームスプリッター３に入射される。ビームスプリッター３により反射されたパルスレーザ光は、光軸Ｃに沿って例えばコンピュータ制御された３次元ステージより成り層間移動及び収差補正がなされる光学系４に入射され、ここにおいてフォーカス方向及びトラッキング方向に制御され、また収差補正されて、開口数が０．６以上とされる対物レンズ５を介して、記録しきい値が１０ｎＪ以下とされる記録媒体３０の所望の記録層に合焦されて照射される。
【００１３】
本発明において用いる光源用レーザは、そのパルス幅が１ｐｓ以下のパルス幅を有するパルスレーザとし、いわゆるパルスレーザ・オシレータと呼ばれるものを利用する。具体的には、Ti:Sapphireレーザに代表されるような非線形結晶を用いたモード・ロック・レーザ、例えばスペクトラ・フィジックス社製MaiTai（商品名）や、Ｅｒ添加ファイバのような非線形ファイバを用いたファイバ・レーザ、例えば米国IMRA America（イムラアメリカ）社製Femtolite（商品名）等が使用可能であり、現行製品レベルでの典型的なパルスの繰り返し周波数は５０〜１００ＭＨｚ程度である。
【００１４】
繰り返し周波数は、共振器長を短くすればより高く設定できるが、これは光源の小型化にとって有効なだけでなく、より高速な記録に適合しやすくなる。また、現行製品レベルでの典型的なパルス幅は、数十〜２００ｆｓ程度であるが、多光子吸収を誘起できるという観点から言えば１ｐｓ以下であれば概ね問題ない。もちろん、より小さなパルス幅であれば、より高い確率で多光子吸収を誘起できるため、できる限り低いパルス幅が望ましい。また、より小さなパルス幅の採用は、多光子吸収に寄与する励起エネルギーが実質的に増えることを意味しており、結果としてより低いパルスエネルギーでの記録が可能となる。すなわち、記録しきい値の低減に繋がる。
【００１５】
従来用いられている前述の再生増幅器は、これら繰り返し周波数を分周等の手法で数ｋＨｚ以下に落として、その分、１パルスあたりのエネルギーを大きく取るものであり、製品レベルで言えば、例えばスペクトラ・フィジックス社製のSpitfire（商品名）等がこれに相当する。この光源は、その繰り返し周波数は１ｋＨｚ程度、パルスエネルギーは１ｍＪとなる。再生増幅器の併用は、１パルスあたりのエネルギーは大きく取れる反面、単純に３桁以上の記録速度の低下を招くだけでなく、上述のように装置の大型化、複雑化を招き、更に、高コスト化、信頼性の低下等を招くため、利用しないことが望ましい。
【００１６】
これを解決するために、本発明においては、光源のパルス幅、集光性能に対して適切な記録しきい値を有する記録媒体を用いることによって、光源として再生増幅器を用いることなく、上述したようなオシレータ光源を用いることを可能とする。
例えば前出のスペクトラ・フィジックス社製MaiTai（商品名）は、平均出力が１Ｗ、繰り返し周波数が８０ＭＨｚのオシレータ光源であるため、現状で実用的な出力値として、例えば８００ｍＷ程度の出力が利用できれば、１パルスあたりのパルスエネルギーは１０ｎＪとなる。従って、記録しきい値が１０ｎＪ以下の記録媒体を用いることによって、１パルス乃至は数パルス程度の照射による記録が可能となり、実用上不適切な記録時間を要するなどの不都合を回避できて、より確実で実用的な記録形態を実現することができる。
【００１７】
一方、記録媒体への記録に際しては、多層記録構造を前提としているため、照射されたレーザ光がいわゆる多光子吸収によって照射部位の状態変化を誘起し、これにより情報の記録がなされることが望まれる。従って、上述の記録媒体のしきい値エネルギーの指針と共に、記録時の集光性能をある程度明確にする必要がある。
一般的に、対物レンズを構成する集光光学系の集高性能は、開口数（ＮＡ）で記述、評価されるが、例えば２光子吸収過程を例に取ると、２光子吸収過程に寄与する集光エネルギーは開口数ＮＡの４乗に比例するため、集光光学系への入射パルスエネルギーが同じでも、ＮＡが０．８５の場合と１．３５の場合では、利用可能な集光エネルギーは６倍以上の差になる。
【００１８】
本発明者が検討した結果、この開口数ＮＡを０．６以上とすることによって、上述のパルス幅をもった光源を用いて、記録しきい値が１０ｎＪ以下の記録媒体に対して、多光子吸収過程を誘起した実用的な記録が可能となることがわかった。なお、開口数ＮＡを０．６として光記録装置を構成するときは、ＤＶＤ（ディジタル・ヴァーサタイル・ディスク）との互換が可能となる。
したがって、このような構成とすることによって、従来利用されてきた光記録装置における再生増幅器を不要とし、また、その他の構成においては装置構成の互換を可能とし、より低コストかつ簡素な光学系によう光記録装置を実現できる。
なお、記録に必要なエネルギーとの兼ね合いで、より集光性能を高くする必要がある場合は、開口数ＮＡを０．６以上の例えば１以上の値とすることが好ましい。特に実用的な見地に立って、適切な転送レートの確保を優先的に行いたい場合、より高い繰り返し周波数を必要とするが、そのような場合は、より高い開口数を選択することはもちろん有効である。
【００１９】
このように、開口数が高い対物レンズとしては、例えば図２に示すように、オイル４４を介して記録媒体３０と対物レンズ４３を対向させるいわゆる油浸レンズを用いるとか、また例えば図３に示すように、対物レンズ４３と記録媒体３０の表面との間に、記録媒体３０の表面との間隔ｇが数十ｎｍ程度と微小間隔とされて対向される固浸レンズを介在させる構成とすることによって、開口数ＮＡ＞１程度の高開口数を実現する対物レンズが利用可能である。このような高開口数の対物レンズを用いることによって、光軸Ｃに沿って集光されるレーザビームＬが、エバネッセント波を介して、記録媒体３０内へ結合し、かつ媒体３０内の任意の場所、すなわち例えば図２及び図３に示すように、第１〜第３の記録層３１〜３３の所望の記録層表面に合焦可能な集光光学系が得られる。図３においては、固浸レンズ４５をサスペンション４７に支持されるスライダ４６に固定した例を示すが、その他光学系４により制御される２軸アクチュエータ等に搭載するなど、種々の態様を採り得る。
【００２０】
なお、図１に示す例においては、再生用の光源６を設け、共焦点光学系による再生光学系を構成する場合を示す。
この場合、例えば青色レーザ等の光源６から出射された光は、光軸Ｃ２に沿ってコリメータレンズ７を介してビームスプリッター８に入射される。ビームスプリッター８により反射されたレーザ光は、光軸Ｃに沿って、ビームスプリッター３を透過して光学系４に入射され、ここにおいてフォーカス方向及びトラッキング方向に制御され、かつ収差補正がなされて対物レンズ５を介して記録媒体３０に入射される。記録媒体３０から反射された光は、光学系４、ビームスプリッター３を透過して、集光レンズ９により集光されて、ピンホール１０を介して検出手段１１において検出される。
このように、再生用の光源６を設ける構成とする場合は、例えば記録媒体の記録材料の選択の自由度を高めることができる。これについて説明すると、例えば記録情報の再生時に、光励起により蛍光発光等を生じさせて検出する場合があるが、記録に用いる光源の波長に関係なく、再生時の光励起波長に適した光源を任意に選定することができる。また、再生用光源を記録用光源と兼用する場合は、記録及び再生用励起波長を、少なくとも一方が多光子吸収過程を利用できるような一定の波長関係とする必要があるが、再生用光源を用いる場合は、波長関係を考慮することなく記録材料を自由に選択することができる。
また、上述したように共焦点光学系を構成する場合は、比較的簡易な構成で確実に多層記録媒体に対する安定した記録再生が可能となる。
【００２１】
なお、上述した記録及び再生の少なくとも一方に多光子吸収過程を利用する場合に、記録用励起波長と再生用励起波長とが適切な波長関係となり、光源１のパルスレーザで再生用のレーザ光源を兼用できる場合は、図１における光源６からビームスプリッター８に至る光学系４１、ピンホール１０を省略して光記録再生装置を構成することができる。
【００２２】
以上説明した本発明構成の光記録装置において、光源１から出射されたパルスレーザ光を記録媒体３０内の任意の場所に照射して多層記録を行う場合、照射されたレーザ光がいわゆる多光子吸収によって照射部位の状態変化を誘起し、これにより情報の記録がなされ、実用的な多層記録が実現される。
【００２３】
次に、上述の本発明の光記録方法を実施するための最良の形態の一実施例を説明する。
上述の図１において説明した光記録再生装置において、光源１として、Ti:Sapphire結晶を使ったフェムト秒レーザ・オシレータを使う。その出射端でのパルス幅はおよそ１００ｆｓ、繰り返し周波数は８０ＭＨｚである。また、発振波長中心は８００ｎｍである。
記録媒体３０へ照射する際の集光光学系、すなわち対物レンズ５は、例えば油浸対物レンズを用いて開口数ＮＡを１．３５とする。この対物レンズ５としては、その他前述の固浸レンズを用いることもできる。
【００２４】
このような光記録再生装置により記録再生が可能な記録媒体としては、ホスト材料に光酸発生剤、酸敏感性蛍光材料を適宜添加したポリマー材料を記録材料とした記録媒体を用いることが可能である。
ホスト材料は例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）が利用可能である。光酸発生剤は、特定の波長の光照射に対し、酸を発生するものであり、例えばトリフェニルスルフォニウム・トリフルオロメタンスルフォネート（Triphenylsulfoniumtrifluoromethanesulfonate）等が適している。同材料の光吸収の波長範囲は２００ｎｍ前後を中心とした範囲となるため、上記フェムト秒レーザ・オシレータを光源として用いる場合は、４フォトンでの励起により、酸を発生させる。
また、敏感性蛍光材料は特に限定されないが、その特徴としては、以下の性質を持つものが望ましい。すなわち、酸の有無によってその光吸収特性、蛍光の発光特性が変化する色素材料であり、酸のない場合、その光吸収波長が３５０ｎｍ前後、酸がある場合、４００ｎｍ前後になる材料が望ましい。これにより、再生時の励起波長を４００〜５００ｎｍ付近とすることができる。
また、蛍光の発光特性は、酸のない場合は４００ｎｍ付近の励起に対して非発光、酸がある場合に５００〜７５０ｎｍの範囲でその発光中心があるものが適している。あるいはまた、５００〜７５０ｎｍの範囲で、酸の有無に対して５０ｎｍ以上の波長シフトが実現できるものでもよい。また、同蛍光材料は、酸の有無によって可逆的、非可逆的にその光吸収、発光特性が変化するものであれば、書き換え可能な記録再生を行うことができる。
【００２５】
上記の組み合わせにおいて、ホスト材料をＰＭＭＡ、酸敏感性蛍光材料を例えばモレキュラプローブス社製のLysoSensor L-7545（商品名）とする場合、光酸発生剤として用いるトリフェニルスルフォニウム・トリフルオロメタンスルフォネートと共に、それぞれ適切な添加割合として上記光記録装置に対応した記録媒体を構成することができる。
【００２６】
この記録材料の、記録時の光励起波長λｒｅｃ、再生時の光励起波長λｒｄ１及びλｒｄ２、再生時の発光波長λｐｌ及び光源の発振波長λｆｓの波長構成を示す吸収／発光スペクトルを図４に示す。この場合、記録時の波長λｒｅｃすなわちこの場合２００ｎｍ前後の光励起によって、光酸発生剤の作用により材料のｐＨがｐＨ＞７からｐＨ＜７に変化する。そして、酸敏感性蛍光材料の吸収スペクトルが矢印ｅで示すように変化し、励起前は中心波長λｒｄ１が例えば３３０ｎｍ程度であったものが、中心波長λｒｄ２が４００ｎｍ前後の吸収スペクトルに変化する。更に、蛍光の発光スペクトルも矢印ｆで示すように変化して、十分な発光強度が得られ、λｐｌの波長の光を検出することによって、記録情報の再生が良好に行えることとなる。
【００２７】
このような記録材料を用いて、図５に示すように、第１〜第３の記録層３１〜３３を有する記録媒体３０の各記録層に記録を行って再生光を検出した結果を図６Ａ〜Ｃに示す。図６Ａ〜Ｃは、それぞれ第１〜第３の記録層に記録した情報を再生した状態の光学顕微鏡による観察写真図である。この例においては、記録媒体の記録しきい値は、検出器としてフォトマルチプライヤーを用いた場合、約２ｎＪ程度であった。
この結果から、再生増幅器を用いないパルスレーザ・オシレータより成る光源１によって、多光子吸収過程を利用した多層記録媒体に対する実用的な記録再生が実現されることがわかる。
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、記録媒体に対し、多層に情報を記録するにあたり、適切な光記録方法及び装置構成を提供することができる。
すなわち、光源のパルスレーザのパルス幅、対物レンズの集光性能及び記録媒体の記録しきい値を適切に選定することによって、記録においてオシレータ光源のみを用いることができ、その結果、従来に比して簡素な構成によるレーザ光源の使用が可能となり、結果として高い信頼性を確保することができる。
更に、装置構成の簡易化によって、小型化、低消費電力化を図り、結果として装置全体としての低コスト化を実現できる。
また、記録においてオシレータ光源だけを用いることから、パルスの繰り返し周波数を十分に大きく取ることができるため、記録媒体を回転させて記録する形態の場合、より高い回転数を確保することが可能であり、この結果、より高い転送レートの実現が可能となる。
【００２９】
なお、上述の実施例においては、パルス幅が１００ｆｓのパルスレーザを光源として記録を行ったが、パルス幅は１ｐｓ以下であれば同様の効果が得られる。すなわち、パルス幅が１ｐｓ以下であれば、多光子吸収過程を誘起することができて、多層記録媒体に対し所望の記録位置への記録が可能となる。パルス幅の下限としては、より短いパルス幅であれば１パルス当たりの尖頭値を高くできるが、多光子吸収を誘起できる範囲であればよく、１ｆｓ以上で同様の効果が得られる。
【００３０】
また、対物レンズの開口数としては、上述の例においては、ＮＡ＝１．３５の油浸レンズを用いたが、開口数としては０．６以上であればよい。開口数は高いほど集光性能が高くなり、より微小な範囲への集光が可能であるので、高いほど望ましい。現状で高い開口数が得られる対物レンズの構造では、開口数はレンズ材料の屈折率値に制限される。屈折率の比較的高い材料としては、高屈折率ガラスであるオハラ株式会社製のＳ−ＬＡＨ７９（商品名）や、高屈折率セラミックス、高屈折率単結晶材料であるＢｉ４Ｇｅ３Ｏ１２、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどがあり、屈折率ｎとしては、ｎ≦３．０程度が得られている。
【００３１】
更に、記録媒体の記録しきい値としては、上述の例においては、検出器としてフォトマルチプライヤーを用いた場合、約２ｎＪであったが、記録しきい値としては１０ｎＪ以下であればよい。
記録しきい値の下限としては、記録プロセスを誘起できるエネルギー以上である必要がある。例えば、記録媒体の記録材料として上述の光酸発生剤及び酸敏感性蛍光材料等を用いる場合は、記録プロセスは１分子単位で反応が誘起され、また例えば希土類添加ガラスなどにおいては、記録プロセスは１イオン単位で反応が誘起されるので、記録しきい値は１分子もしくは１イオンの反応が誘起できるエネルギー以上となる。
ただし、記録マークを良好な再生特性をもって検出することを考慮すると、記録しきい値の下限は、記録マークの発光を検出する検出器の感度に依存する。ちなみに、現状で比較的容易に入手可能である高感度の光検出器としては、フォトマルチプライヤーが挙げられる。このフォトマルチプライヤーを使用して記録情報を検出する場合、検出の積分時間の設定にもよるが、０．１ｎＪ程度以上の記録しきい値であることが望ましい。
【００３２】
また、本発明による光記録方法及び光記録装置は、その他の構成において上述の例に限定されるものではなく、例えば上述したように再生光学系をも備える構成とする場合に、その他の再生光学系を採用するなど、本発明構成を逸脱しない範囲において種々の装置構成とすることができ、また記録媒体についても、１０ｎＪ以下の記録しきい値を実現できるものであればその他種々の材料構成とし得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による光記録装置の一例の概略構成図である。
【図２】対物レンズの一例の概略構成図である。
【図３】対物レンズの一例の概略構成図である。
【図４】記録媒体の一例の吸収／発光スペクトルを示す図である。
【図５】記録媒体の一例の概略断面構成を示す図である。
【図６】Ａは本発明による光記録方式の実施例における観察写真図である。Ｂは本発明による光記録方式の実施例における観察写真図である。Ｃは本発明による光記録方式の実施例における観察写真図である。
【符号の説明】
【００３４】
１．光源、２．フィルター、３．ビームスプリッター、４．光学系、５．対物レンズ、６．光源、７．コリメータレンズ、８．ビームスプリッター、９．集光レンズ、１０．ピンホール、１１．検出手段、３０．記録媒体、３１．第１の記録層、３２．第２の記録層、３３．第３の記録層、４１．光学系、４３．対物レンズ、４４．オイル、４５．固浸レンズ、４６．スライダ、４７．サスペンション
【図１】
2006196084.tif 000003
【図２】
2006196084.tif 000004
【図３】
2006196084.tif 000005
【図４】
2006196084.tif 000006
【図５】
2006196084.tif 000007
【図６】
2006196084.tif 000008