(57)【要約】  【課題】  デジタルホログラムに適した高密度記録が可能で、近紫外から可視領域の任意の波長のレーザ光を用いることができ、長期安定性に優れ、瞬時に記録することができる記録方法、該記録方法により記録された情報を再生する再生方法、前記記録方法又は再生方法の実施に直接使用する記録媒体を提供する。  【解決手段】  基板１上に白金元素からなる金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜２が形成された記録媒体１７に、情報を有する情報光４０と参照光３０との二光束に分離したレーザ光を照射して干渉させる。記録媒体１７に、照射エネルギーによって前記金属薄膜２を凝集粒状化した部分と、凝集粒状化していない部分とから構成される干渉縞を形成する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成した記録層に情報を記録する記録媒体において、
前記記録層は、金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜であることを特徴とする記録媒体。
【請求項２】
前記金属薄膜は、白金、パラジウム、白金及びパラジウムの合金、白金及びニッケルの合金、パラジウム及びニッケルの合金からなる群より選ばれる金属を１つ含むことを特徴とする請求項１に記載された記録媒体。
【請求項３】
前記金属薄膜の平均膜厚及び前記金属ナノ粒子の粒径夫々は、３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載された記録媒体。
【請求項４】
基板上に前記記録層が複数積層してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された記録媒体。
【請求項５】
記録媒体に対して、光を照射して情報の記録を行う記録方法において、
基板上に金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜を形成した記録媒体を用い、
照射エネルギーによって前記金属ナノ粒子を凝集粒状化し、
凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成されるパターンを形成することにより情報を記録することを特徴とする記録方法。
【請求項６】
情報を有する情報光及び参照光の二光束に分離したコヒーレント光を前記金属薄膜に照射して干渉させ、
凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成される干渉縞を形成することを特徴とする請求項５に記載された記録方法。
【請求項７】
前記金属薄膜に照射されるコヒーレント光は、０．５ミリジュール／平方ミリメートル以上のエネルギー密度を有し、５ナノ秒以下のパルス幅を有する単発パルスレーザ光であることを特徴とする請求項６に記載された記録方法。
【請求項８】
光を照射して情報を記録する記録方法により情報を記録した記録媒体に対して、光を照射して情報の再生を行う再生方法において、
前記記録方法は、請求項５に記載された記録方法であり、照射した光の反射率の差異に基づいて、情報を再生することを特徴とする再生方法。
【請求項９】
コヒーレント光を干渉させて情報を記録する記録方法により情報を記録した記録媒体に対して、光を照射して情報の再生を行う再生方法において、
前記記録方法は、請求項６又は請求項７に記載された記録方法であり、
前記コヒーレント光と同一波長の光を照射して情報を再生することを特徴とする再生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の金属薄膜に光を照射して情報の記録を行う記録方法、該記録方法により記録された情報を再生する再生方法、前記記録方法又は再生方法の実施に直接使用する記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
音楽データ、動画データ、又はパーソナルコンピュータ用のアプリケーションプログラムなどの記録媒体として、ＣＤ又はＤＶＤなどの光ディスクが普及している。光ディスクは、基板上に予め形成された凹凸のピットパターンにレーザ光を照射し、反射光量の変化したポイントを「１」、又は「０」として情報を読み出し、再生を行う。このため、記録密度の向上には、ピットパターンの微細化技術が必要になる。
【０００３】
光ディスクの記録密度を高めるために、直径１００ナノメートル以下の金属粒子を離散的に二次元分布させた金属薄膜（島状金属薄膜）を１つの光記録層とし、金、銀、銅などの分光特性の異なる複数の島状金属薄膜を、透明樹脂層を間にはさんで積層した光ディスクが提案されている。これは、各金属薄膜の共鳴波長近傍の高エネルギー密度のレーザ光の照射により、金属粒子の形状、又は周辺の透明樹脂媒質の局所的融解若しくは変形を生じさせ、レーザ照射部の反射率を変化させることによりマークを記録するものである（特許文献１参照）。
【０００４】
一方、記録密度を増大するため、ホログラフィック記録再生技術を利用するものが提案されている。これは、従来のＣＤ又はＤＶＤが１記録マーク当たり１ビットの情報を記録するのに対し、ホログラフィック記録再生では、１記録マーク当たりページデータというデータの塊を記録することにより、１記録マークで記録できる情報量を飛躍的に増大させる。
【０００５】
ホログラフィック記録再生では、情報を記録するための記録層の材料として、光の吸収により屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料、又はモノマーに増感剤を加えたフォトポリマーを用いたものが注目されている。例えば、フォトポリマーを記録層に用いたホログラフィック記録再生は、記録時に強いレーザ光を、記録する情報を有する情報光と参照光との二光束に分離して記録層に照射し、記録層を露光させることにより記録層の構造を変化させて干渉縞を形成した後に、現像処理、定着処理などの後処理を行うことによって、情報の記録を行う。
【特許文献１】特開２００２−１１９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の例にあっては、金属薄膜の共鳴波長近傍の高いエネルギー密度を有するレーザ光を照射するため、記録又は再生時において、金属薄膜の材料に応じた共鳴波長により特定される波長を有するレーザ光を用いる必要があった。また、レーザ光を照射した部分近傍に記録された記録マークは１ビットの情報しか有しないため、さらに記録密度を上げることが望まれていた。
【０００７】
また、従来のホログラフィック記録再生の例にあっては、記録層の材料は、感光性を有するため光に対して敏感で、光の照射に対して不安定であり、長時間光にさらされると光学的性質に変化が生じるため、記録媒体としての長期安定性を向上させることが求められていた。また、情報の記録の際には、記録層にレーザ光を照射して露光した後に、現像及び定着などの後処理が必要であり、簡便な方法で情報を記録することが望まれていた。さらに、レーザ光を照射して記録層を露光する間に、記録層が形成された記録媒体又はレーザ光を記録層に導く光学系に振動が生じた場合には、正しく情報が記録されないときがあり、振動を吸収するための機構が必要であった。
【０００８】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜に光を照射して、照射した光のエネルギーによって前記金属薄膜を凝集粒状化した部分と、凝集粒状化していない部分とから構成されるパターンを形成する記録層を備えることにより、現像又は定着などの後処理が不要であり、高密度に情報を記録することができる記録媒体、及び該記録媒体を用いた記録方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜に、コヒーレント光を干渉させて、前記コヒーレント光のエネルギーによって前記金属薄膜を凝集粒状化した部分と、凝集粒状化していない部分とから構成される干渉縞を形成する記録層を備えることにより、デジタルホログラムに適した干渉縞を形成することができる記録媒体、該記録媒体を用いた記録方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、白金、パラジウム、白金及びパラジウムの合金、白金及びニッケルの合金、パラジウム及びニッケルの合金からなる群より選ばれる金属を１つ含む金属薄膜を備えることにより、レーザ光の照射の前後において、近紫外から可視領域において反射率及び透過率の変化が大きく、高い空間分解能を得ることができ、また、長期安定性に優れた記録媒体を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、金属ナノ粒子の粒径及び平均膜厚は３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内である金属薄膜を備えることにより、レーザ光の照射の前後において、反射率又は透過率の変化を確保し、干渉縞の分解能の低下を防止できる記録媒体を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、基板上に複数積層した前記記録層を備えることにより、情報を多重記録することができる記録媒体を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、０．５ミリジュール／平方ミリメートル以上のエネルギー密度を有し、５ナノ秒以下のパルス幅を有する単発パルスレーザ光を金属薄膜に照射することにより、ナノ秒単位の時間内に準連続の金属薄膜を凝集粒状化して、振動を吸収するための機構が不要な記録方法を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、照射した光の反射率に基づいて記録された情報の再生をすることができる再生方法を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、記録時のコヒーレント光と同一の波長を有する光を照射して情報を再生することにより、記録時の波長と同一であれば近紫外から可視領域における任意の波長の光で再生することができる再生方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１発明に係る記録媒体は、基板上に形成した記録層に情報を記録する記録媒体において、前記記録層は、金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜であることを特徴とする。
【００１７】
第２発明に係る記録媒体は、第１発明において、前記金属薄膜は、白金、パラジウム、白金及びパラジウムの合金、白金及びニッケルの合金、パラジウム及びニッケルの合金からなる群より選ばれる金属を１つ含むことを特徴とする。
【００１８】
第３発明に係る記録媒体は、第２発明において、前記金属薄膜の平均膜厚及び前記金属ナノ粒子の粒径夫々は、３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内であることを特徴とする。
【００１９】
第４発明に係る記録媒体は、第１発明乃至第３発明のいずれかにおいて、基板上に前記記録層が複数積層してなることを特徴とする。
【００２０】
第５発明に係る記録方法は、記録媒体に対して、光を照射して情報の記録を行う記録方法において、基板上に金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜を形成した記録媒体を用い、照射エネルギーによって前記金属ナノ粒子を凝集粒状化し、凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成されるパターンを形成することにより情報を記録することを特徴とする。
【００２１】
第６発明に係る記録方法は、第５発明において、情報を有する情報光及び参照光の二光束に分離したコヒーレント光を前記金属薄膜に照射して干渉させ、凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成される干渉縞を形成することを特徴とする。
【００２２】
第７発明に係る記録方法は、第６発明において、前記金属薄膜に照射されるコヒーレント光は、０．５ミリジュール／平方ミリメートル以上のエネルギー密度を有し、５ナノ秒以下のパルス幅を有する単発パルスレーザ光であることを特徴とする。
【００２３】
第８発明に係る再生方法は、光を照射して情報を記録する記録方法により情報を記録した記録媒体に対して、光を照射して情報の再生を行う再生方法において、前記記録方法は、第５発明に記載された記録方法であり、照射した光の反射率の差異に基づいて、情報を再生することを特徴とする。
【００２４】
第９発明に係る再生方法は、コヒーレント光を干渉させて情報を記録する記録方法により情報を記録した記録媒体に対して、光を照射して情報の再生を行う再生方法において、前記記録方法は、第６発明又は第７発明に記載された記録方法であり、前記コヒーレント光と同一波長の光を照射して情報を再生することを特徴とする。
【００２５】
第１発明及び第５発明にあっては、予め電子ビーム描画で情報パターンが記録されたマスクを通してレーザ光を金属薄膜に照射する。レーザ光が照射された部分の金属薄膜では、照射された光のエネルギーを吸収した金属ナノ粒子は発熱して溶融し、複数の金属ナノ粒子が合体するとともに表面張力により球状液滴化することにより、金属ナノ粒子は凝集粒状化する。照射する光のエネルギーは、金属ナノ粒子が溶融するのに必要なエネルギー以上であればよく、光の照射時間は、金属ナノ粒子が溶融するまでの時間でよい。一方、前記マスクによりレーザ光が照射されない金属薄膜では、金属薄膜の構造変化は発生せず、凝集粒状化しない。これにより、金属ナノ粒子が凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成されるパターンを形成する。
【００２６】
金属ナノ粒子の光吸収は、金属ナノ粒子が有する小さな空間に束縛された自由電子の集団励起（表面プラズモン）により生じる。金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜においては、近接する表面プラズモンの間の相互作用により、可視領域において光の吸収が生じ、数十％の反射率及び透過率を有する。一方、金属ナノ粒子が凝集粒状化した金属薄膜においては、光を照射する前の金属ナノ粒子が複数個合体し、凝集粒状化した金属ナノ粒子が１０ナノメートル程度の平均間隔で相互に独立して存在するため、表面プラズモンの間の相互作用がなくなり光学的性質（光学濃度、反射率、透過率など）が変化し、光の吸収が少なくなり、反射率の低下、透過率の増加が生じる。これにより、光を照射した前後において記録層の光学的性質が異なることを利用して情報の記録をする。
【００２７】
第６発明にあっては、同一光源から発せられるコヒーレント光を情報光と参照光とに分離した二光束を、前記金属薄膜において干渉させて、光の強度を強め合う部分と光の強度を打ち消し合う部分とで構成される干渉縞を形成する。光の強度を強め合う部分では、照射された光のエネルギーを吸収した金属ナノ粒子は発熱して溶融し、複数の金属ナノ粒子が合体するとともに表面張力により球状液滴化することにより、金属ナノ粒子は凝集粒状化する。照射する光のエネルギーは、金属ナノ粒子が溶融するのに必要なエネルギー以上であればよく、光の照射時間は、金属ナノ粒子が溶融するまでの時間でよい。一方、光の強度を打ち消し合う部分では、金属薄膜の構造変化は発生せず、凝集粒状化しない。これにより、金属ナノ粒子が凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成される干渉縞を形成する。
【００２８】
第２発明にあっては、金属薄膜は白金又はパラジウムの白金族元素からなる。白金族元素の金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜においては、表面プラズモンの間の相互作用により、近紫外から可視領域の全領域で、略フラットな光の吸収特性が生じ、透過率は約３０％、反射率も約３０％の光学的性質を示す。一方、光の照射により金属ナノ粒子が凝集粒状化した部分においては、白金族元素の金属ナノ粒子が単独で存在する場合の表面プラズモン吸収は紫外域にあるため、可視領域においては光の吸収が生じない。このため、可視領域において、透過率は約９０％以上、反射率は約１０％以下の光学的性質を示す。また、紫外域においても、約６０％の透過率、及び約１０％の反射率を示す。
【００２９】
白金族元素は、金、銀、又は銅に比較して熱伝導度が１／５程度と小さい。これにより、白金族元素の金属薄膜に光を照射した場合に、照射したエネルギーによる熱の伝導又は拡散を抑え、金属ナノ粒子同士が合体して凝集粒状化する範囲を抑制する。また、白金族元素は、金、銀、又は銅に比較して長期間の化学的安定性、熱的安定性に優れている。さらに、金属薄膜を白金とパラジウムとの合金、又は白金若しくはパラジウムとニッケルとの合金にすることにより、金属ナノ粒子に白金よりも硬い元素を含有して金属薄膜の機械的強度、又は基板への付着強度を増加する。
【００３０】
第３発明にあっては、金属ナノ粒子の粒径及び金属薄膜の平均膜厚は３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内にする。粒径及び平均膜厚が３ナノメートルより小さい場合は、膜厚が薄すぎて光の吸収が十分でなく、光を照射した前後における透過率又は反射率の差に基づく情報の記録をするに足るだけの光学的変化を示さない。粒径及び平均膜厚が２０ナノメートルを越える場合は、金属ナノ粒子同士の密着度合いが増加するため、金属薄膜への光の照射したときには、金属ナノ粒子が溶融して凝集粒状化する前に、照射された光のエネルギーによる熱が金属薄膜を伝導又は拡散し、金属ナノ粒子の球状液滴化が抑制され、干渉縞が得られない。金属ナノ粒子の粒径及び金属薄膜の平均膜厚は３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内にすることにより、光を照射した前後において情報を記録するのに足るだけの光学的変化を生じさせるとともに、干渉縞を形成する。
【００３１】
第４発明にあっては、基板上に複数積層した記録層を備える。これにより、記録層毎に別個の情報を多重記録する。
【００３２】
第７発明にあっては、０．５ミリジュール／平方ミリメートル以上のエネルギー密度を有し、５ナノ秒以下のパルス幅を有する単発パルスレーザ光を金属薄膜に照射する。０．５ミリジュール／平方ミリメートルより小さいエネルギー密度のレーザ光を照射した場合は、金属ナノ粒子が十分に発熱せず溶融しないため、金属ナノ粒子は凝集粒状化しない。５ナノ秒以下のパルス幅を有する単発パルスレーザ光を金属薄膜に照射することにより、ナノ秒単位の間に金属ナノ粒子は溶融して球状液滴化した後に凝集粒状化する。
【００３３】
第８発明にあっては、金属薄膜に光を照射して、金属ナノ粒子を凝集粒状化し、凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成されるパターンを形成することにより記録された情報を、照射した光の反射率の差異を利用して情報を再生する。
【００３４】
第９発明にあっては、情報を記録する場合に照射したコヒーレント光の波長と同一波長の光を照射して記録した情報を再生する。記録時に二光束（情報光と参照光）を干渉させて記録層に干渉縞を形成する。情報の再生は、記録時の光の波長と同一波長の光を干渉縞に照射することにより、干渉縞が回折格子の役割を果たし、干渉縞に記録された元の情報を再生する。
【発明の効果】
【００３５】
第１発明、第５発明及び第６発明にあっては、基板上に金属ナノ粒子が近接する状態又は接触する状態にある金属薄膜を形成したのみの単純な構成を有し、製作も容易な記録媒体を提供することができる。また、光の照射前後において、金属ナノ粒子が凝集粒状化して光学的性質が変化して情報を記録するため、現像又は定着などの後処理が一切不要であり、高密度の情報を記録することができる。さらに、二光束を干渉させて記録層に干渉縞を形成する場合には、多重デジタルホログラムに適し高密度の情報を記録することができる。
【００３６】
第２発明にあっては、近紫外から可視領域の広い範囲に亘って、任意の波長の光を利用することができる。また、光の照射前後において、光の透過率及び反射率が大きく異なるため、記録した情報を再生する場合には、透過光又は反射光のいずれを使用することができる。また、金属ナノ粒子の凝集粒状化の範囲を抑制することにより干渉縞の幅を小さくでき、良好な空間分解能を得ることができる。さらに、長期間の機械的、化学的、及び熱的安定性に優れている。
【００３７】
第３発明にあっては、光の照射前後における光学的性質の変化が大きく干渉縞の分解能が高いため、干渉縞の鮮明度が高く多重デジタルホログラムに適した干渉縞を得ることができる。
【００３８】
第４発明にあっては、記録層毎に情報の多重記録をすることができ記録密度を向上することができる。
【００３９】
第７発明にあっては、ナノ秒単位の短い時間に情報の記録をすることができ、露光中における記録媒体又は光学系の振動の影響を受けない。
【００４０】
第８発明にあっては、照射光の反射率を利用して記録された情報を再生することができる。
【００４１】
第９発明にあっては、再生光の波長が記録時の光の波長と同一波長であれば、情報の再生は、近紫外から可視領域の広い範囲における任意の波長を有する透過光又は反射光を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
実施の形態１
図１は本発明に係る記録媒体１７（図３参照）の金属薄膜２の観察例を示す説明図であり、図２は本発明に係る記録媒体１７の構造を示す説明図である。図において、１は基板である。基板１はマイカ又はガラスなどの光学的に平滑で光透過性を有し、基板１上にはスパッタ法により堆積した白金元素の金属薄膜２が形成してある。金属薄膜２は、粒径が５ナノメートル〜１０ナノメートルであって回転楕円体状の金属ナノ粒子２ａ同士が数ナノメートル以下の距離で近接する状態又は接触（点接触又は面接触を含む）する状態（準連続）にある薄膜である。金属薄膜２の平均膜厚は７ナノメートル〜８ナノメートルである。なお、ナノ粒子は、一般的には粒径が１００ナノメートル以下のものをいう。
【００４３】
準連続の金属薄膜２は、ＤＣスパッタ法を用いて作成することができる。基板１と白金元素である薄膜材料の入ったソースとをアルゴンガスが封入された真空容器の中に入れ、アルゴンガス圧を約０．１５Ｔｏｒｒ、基板１の温度を約１５０℃、薄膜の堆積速度を約２ナノメートル／分の条件で金属薄膜２を作成する。
【００４４】
図１は金属薄膜２の原子間力顕微鏡による観察例を示し、図２は図１の金属薄膜２を拡大してモデル化した例を示す。
【００４５】
図３は本発明に係る記録方法を実施するための装置の模式図である。図において、１０はレーザである。レーザ１０はパルス幅が５ナノ秒で波長５３２ナノメートルの直線偏光されたレーザ光を出力する小型パルスＹＡＧレーザである。レーザ光はコヒーレント性を有する。レーザ１０の光軸上には、出力される平行ビームのビームサイズを所要の値に拡大又は縮小するためのビーム径変換レンズ１１、入射したレーザ光を透過光と反射光とに分離するハーフミラー１２、及びレーザ光の進路を変えるプリズム１４をこの順序に配置してある。プリズム１４は、入射したレーザ光を後述の記録媒体１７上の所要の範囲（例えば、直径１００μｍオーダーの範囲）に収束させる。
【００４６】
また、ハーフミラー１２に対向して適長の離隔寸法でミラー１３が配置してある。ミラー１３の中心は、ハーフミラー１２の中心軸であってレーザ１０の光軸に直角方向の光軸上にあり、ミラー１３の反射面はハーフミラー１２の反射面と平行に配置してある。ミラー１３の中心を通りレーザ１０の光軸と平行方向の軸上には、平行光を記録媒体１７上に収束させる対物レンズ１５、記録する情報をページデータとして格子状に配列したページコンポーザ１６、及び基板１上に記録層としての金属薄膜２が形成された記録媒体１７をこの順序に配置してある。
【００４７】
ページコンポーザ１６は空間光変調器であり、磁性膜を挟んで２枚の偏光子が積層してある。磁性膜の磁化方向によって偏光面が正負に回転し、入射したレーザ光の偏光方向を制御することにより、格子状に配列したピクセルに対応してレーザ光の出力をスイッチングする。
【００４８】
ハーフミラー１２からプリズム１４を介して記録媒体１７までのレーザ光の光路長Ｌ１と、ハーフミラー１２からミラー１３、対物レンズ１５、及びページコンポーザ１６を介して記録媒体１７までの光路長Ｌ２との光路長差Ｌは、レーザ光が有するコヒーレンス長よりも短くしてある。これにより、ハーフミラー１２で分離された二光束を記録媒体１７の金属薄膜２上で干渉させて、光路長差Ｌが周期的に変化する各点において干渉縞を形成
する。
【００４９】
レーザ１０から出力されたレーザ光は、ビーム径変換レンズ１１を通過することにより所要のビーム径にされ、ハーフミラー１２に入射される。ハーフミラー１２は、入射されたレーザ光を透過光と反射光とに分離し、透過光をプリズム１４に入射する。プリズム１４はハーフミラー１２を透過したレーザ光を参照光３０として記録媒体１７に入射角度θで入射する。
【００５０】
一方、ハーフミラー１２は反射したレーザ光をミラー１３に入射する。ミラー１３は入射されたレーザ光を対物レンズ１５へ入射する。対物レンズ１５は入射されたレーザ光をページコンポーザ１６へ入射するとともに記録媒体１７上に収束させる。ページコンポーザ１６は対物レンズ１５から入射されたレーザ光を、二次元格子状に配列されたページデータに基づいて情報光４０として記録媒体１７に入射角度ゼロで入射する。情報光４０は、ページコンポーザ１６のページデータに対応してピクセル毎にレーザ光の出力がスイッチングされた情報を有する。
【００５１】
記録媒体１７の金属薄膜２に照射された参照光３０と情報光４０とは、相互に干渉し、レーザ光の強度を強め合う部分及び打ち消し合う部分で構成される矩形干渉縞を所定の間隔ｄを有して形成する。干渉縞の間隔ｄは、レーザ光の波長λ、及び参照光の入射角θで決定される。ホログラフィの原理に基づいて、この干渉縞には情報光４０の波面がそのまま記録され、金属薄膜２に情報が記録される。
【００５２】
レーザ光が干渉してその強度を強め合う部分においては、レーザ光のエネルギーにより金属薄膜２が局所的に構造変化を示す。図４はレーザ光照射後の記録媒体の金属薄膜の観察例を示す説明図であり、図５はレーザ光照射後の記録媒体の構造を示す説明図である。照射したレーザ光は、波長５３２ナノメートル、５ナノ秒のパルスレーザで、エネルギー密度は０．６ミリジュール／平方ミリメートル〜２．０ミリジュール／平方ミリメートルの範囲である。図４はレーザ光照射後の金属薄膜３の原子間力顕微鏡による観察例を示し、図５は、図４の金属薄膜３を拡大してモデル化した例を示す。
【００５３】
金属薄膜２にレーザ光が照射されると、金属ナノ粒子２ａ、２ａ、…はレーザ光のエネルギーを吸収し発熱して溶融する。白金元素は、金、銀、銅などの金属に比較して熱伝導度が約１／５程度と小さいため、照射した光エネルギーによる熱伝導又は熱拡散は抑制される。このため溶融した金属ナノ粒子２ａは、近接又は接触する他の少なくとも１〜２個の金属ナノ粒子２ａと合体して、表面張力により球状液滴化して合体した金属ナノ粒子３ａとなる。レーザ光の照射がなくなると、合体した金属ナノ粒子３ａは急速に冷やされ独立した粒状の状態で固化する。これにより、準連続の金属薄膜２の金属ナノ粒子２ａ、２ａ、…は、レーザ光の照射により凝集粒状化した金属ナノ粒子３ａに構造変化し、金属薄膜２は金属ナノ粒子３ａを含有した金属薄膜３となる。
【００５４】
図６はレーザ光照射による干渉縞モデルを示す説明図であり、図７はレーザ光照射による吸収スペクトルの変化を示す説明図である。レーザ光を金属薄膜２に照射することにより、図６に示すように金属薄膜２及び金属薄膜３から構成される等間隔の矩形干渉縞を形成する。
【００５５】
金属ナノ粒子の光吸収は、表面プラズモンと呼ばれる金属ナノ粒子が有する小さな空間に束縛された自由電子の集団励起により生じ、その吸収が生じる波長域は、波長の関数として与えられる金属の複素誘電率に依存する。
【００５６】
白金元素からなる金属ナノ粒子２ａの準連続の金属薄膜２においては、近接する表面プラズモンの間の相互作用により、近紫外から可視領域の全領域で、略フラットな光の吸収特性が生じ、光学濃度は約０．４５、透過率は約３０％、反射率も約３０％の光学的性質を示す。
【００５７】
一方、金属ナノ粒子２ａが凝集粒状化した金属薄膜３においては、光を照射する前の金属ナノ粒子２ａが複数個合体し、凝集粒状化した金属ナノ粒子３ａが１０ナノメートル程度の平均間隔で相互に独立して存在する。白金族元素の金属ナノ粒子３ａが単独で存在する場合の表面プラズモン吸収は紫外域にあるため、可視領域においては光の吸収が生じない。このため、可視領域において、光学濃度は約０．０５以下、透過率は約９０％以上、反射率は約１０％以下の光学的性質を示す。また、紫外域においても、光学濃度は約０．２、透過率は約６０％、反射率は約１０％の光学的性質を示す。図７に示すように、レーザ光の照射前後において、金属薄膜２及び金属薄膜３の光学的性質（光学濃度）が大きく変化する。
【００５８】
図８は干渉により生じたレーザ光のエネルギー密度の空間的な変調の度合いと干渉縞の線幅の関係を示す説明図である。全体としてレーザ光のエネルギー密度のレベルが上がり、閾値Ｐ（０．５ミリジュール／平方ミリメートル）を超える区間の幅（Ｌ１）が大きくなると、凝集粒状化した金属ナノ粒子３ａを含有する金属薄膜３の範囲が大きくなる。これにより、干渉縞の金属薄膜３の線幅が増加する。また、レーザ光のエネルギー密度が閾値Ｐを超える区間において、そのエネルギーがさらに大きくなると、吸収された過剰のエネルギーが、閾値Ｐを超えないレベルで露光された隣接区間にまで伝導又は拡散することにより、両区間で凝集粒状化が進行してしまい、金属薄膜２と３とからなる領域が明瞭に分離された図８に示す正常な干渉縞は得られない。
【００５９】
一方、レーザ光のエネルギー密度が全体として低く抑えられ、閾値Ｐを超える区間の幅（Ｌ２＜Ｌ１）が減少すると、凝集粒状化した金属ナノ粒子３ａを含有する金属薄膜３の範囲が小さくなる。これにより、干渉縞の金属薄膜３の線幅が減少する。また、このような露光条件においては、露光量の異なる隣接区間の間で過剰エネルギーの伝導又は拡散による干渉縞の崩れ（あるいは金属薄膜２と３との境界のぼやけ）が生じることがない。
【００６０】
照射するレーザ光のエネルギー密度を閾値Ｐにできるだけ近づけることにより、干渉縞の金属薄膜３の線幅を小さくし、金属薄膜２の線幅を大きくすることができ、１回の露光により残存する金属薄膜２の面積が増加する。これにより後述する多重記録を容易に行うことができる。従って、エネルギー密度は、より好ましくは、０．９ミリジュール／平方ミリメートル〜１．７ミリジュール／平方ミリメートルの範囲がよい。なお、参照光３０のエネルギー密度を閾値Ｐよりも若干小さい値に設定し、情報光４０のエネルギー密度を参照光３０の１／４程度に設定することが好ましい。
【００６１】
図９は角度多重記録の概念を示す説明図である。図に示すように、情報光４０を記録媒体１７の法線方向から入射し、参照光３０を所定の入射角で入射することにより、１回目の露光を行い、次に参照光３０を情報光４０の回りに９０度回転させた方向から入射させて２回目の露光を行い、さらに情報光４０と参照光３０とにより定まる入射平面の方向を４５度、及び９０度回転させて３回、及び４回目の露光を行う。レーザ光のエネルギー密度が大きい場合には、金属薄膜３の線幅が大きいため、４回の露光により残存する金属薄膜２の範囲は、ほとんどなくなる。一方、エネルギー密度を小さくした場合には、金属薄膜３の線幅が小さいため、４回の露光を行った後でも、残存する金属薄膜２の面積は大きい。これにより、照射するレーザ光のエネルギー密度を閾値Ｐより大きく、かつ閾値Ｐに近づけることにより、多重記録を容易に行うことが可能になる。
【００６２】
図１０は二重記録による正方格子ホログラムの例を示す説明図である。情報光４０を記録媒体１７の法線方向から入射し、参照光３０を所定の入射角で入射することにより、１回目の露光を行い、次に参照光３０を情報光４０の回りに９０度回転させた方向から入射させて２回目の露光を行うことにより正方格子をなす干渉縞を形成してある。
【００６３】
図１１は本発明に係る再生方法を実施するための装置の模式図である。図において１７は記録媒体である。記録媒体１７は、予め参照光３０と情報光４０を干渉させることにより情報が記録してある。参照光３０と同一の波長を有し、参照光３０と共役な再生光５０（透過光）を記録媒体１７に照射するための対物レンズ１８が、再生光５０を記録媒体１７上に収束させる位置に配置してある。記録媒体１７の中心を通る軸上に光軸を一致させた再生用レンズ１９が記録媒体１７に近傍に配置され、さらに前記光軸上に中心を位置させた二次元に配列されたフォトダイオード２０が再生用レンズ１９と適長の離隔寸法を有して配置してある。なお、再生時のレーザ光のエネルギー密度は記録時の場合より小さくする。これにより、再生光により金属薄膜２の構造変化は生じない。
【００６４】
直線偏光されたレーザ光（パルスレーザ又はＣＷレーザ）が対物レンズ１８に入射されると、対物レンズ１８は入射されたレーザ光を再生光５０として記録媒体１７に入射する。再生光５０が記録媒体１７に入射されると、記録媒体１７の記録層に記録された金属薄膜２及び金属薄膜３とから構成される等間隔の矩形干渉縞が回折格子の役割を果たし、基板１を有する記録媒体１７から記録した情報を含む回折波が再生用レンズ１９に入射される。再生用レンズ１９は入射された回折波をフォトダイオード２０上に収束させて、記録された情報を電気信号として出力することにより、記録した情報を再生する。再生光５０として参照光３０の共役な光を用いることにより、再生光５０と参照光３０を同時に記録媒体１７に照射することができ、記録をしながら同時に記録した情報を再生することが可能になる。なお、再生光５０として参照光３０と共役な光を使用せず、再生光５０を参照光３０と同一方向から記録媒体１７に照射する構成でもよい。
【００６５】
図１２は本発明に係る記録媒体の例を示す説明図である。図に示すように基板１上に適長の厚みを有する透明樹脂層４を挟んで金属薄膜２からなる記録層が形成してある。レーザ光が入射する方向に上側の記録層を第１層、下側の記録層を第２層とする。金属薄膜２面における法線方向に光軸を一致させて対物レンズ１５が、情報光４０を金属薄膜２上に収束させる位置に配置してある。なお、参照光３０は、上述した内容と同じであるので、以降において説明は省略する。
【００６６】
まず、第１層に焦点を結んで情報光４０が有する情報を記録する。照射された情報光４０は第２層にも達するが、第１層の反射及び吸収によりその強度が弱められとともに、焦点を第２層に合わせていないため、第２層において情報の記録は行われない。
【００６７】
次に、対物レンズ１５の焦点を第２層に合わせ、情報光４０を照射すると情報光４０が有する情報が第２層に記録される。この場合、情報光４０の焦点は第１層においてずれているため、第１層において情報の記録は行われない。情報光４０は第１層を透過することにより光強度は低下するが、第２層においてレーザ光の強度が閾値Ｐ以上になるように設定する。以上のように、情報光４０の焦点深度を変更することにより、情報を多層に記録でき記録密度を向上することができる。
【００６８】
図１３は本発明に係る記録媒体の例を示す説明図である。図に示すように基板１上に約数ナノメートルの厚みを有する透明樹脂層４を挟んで金属薄膜２からなる記録層が形成してある。レーザ光が入射する方向に上側の記録層を第１層、下側の記録層を第２層とする。金属薄膜２面における法線方向に光軸を一致させて対物レンズ１５が、情報光４０を金属薄膜２上に収束させる位置に配置してある。なお、参照光３０は、上述した内容と同じであるので、以降において説明は省略する。
【００６９】
まず、直線偏光された情報光４０を第１層に照射すると（１回目の露光）、第１層には金属薄膜２及び金属薄膜３から構成される帯状の干渉縞が等間隔に形成される。第１層の金属薄膜３は１回目の露光により透過率が９０％以上に増加している。第２層においては、レーザ光の強度は閾値Ｐ以下であるため干渉縞を形成しない。
【００７０】
次に参照光３０を情報光４０の回りに９０度回転させて第１層に照射すると（２回目の露光）、第１層には金属薄膜２及び金属薄膜３から構成される９０度回転した帯状の干渉縞を形成され、１回目の露光により形成した干渉縞と合わせて格子状の干渉縞を形成する。情報光４０は、１回目の露光で透過率が９０％以上に増加した金属薄膜３を透過することにより、第２層には格子状の干渉縞が重なった部分の正方形状の金属薄膜３から構成される干渉縞を形成する。これにより、第２層には、１回の露光により第１層に記録した情報と同じ情報を記録することができ、かつ、第２層の露光されずに残存する金属薄膜２の面積は第１層の場合に比較して大きいため、さらに多重記録をすることが可能になる。これにより１層のみを用いた場合に比べて、多重記録できる回数が増加し、記録密度を向上することができる。
【００７１】
上述の通り、白金元素からなる準連続の金属薄膜２にレーザ光を照射して干渉させることにより、近紫外から可視領域の広い範囲に亘って光学濃度、透過率、反射率が大きく変化する金属薄膜２及び金属薄膜３から構成される矩形干渉縞を形成することができる。すなわち、透過率、反射率などの光学的性質及び構造の異なる２種類の相が約１ミクロン以下の間隔で規則正しく二次元配列された高精細（１ｍｍあたり少なくとも２０００本以上）パターンを基板上の任意の位置に容易に形成することができる。例えば、５３２ナノメートルのレーザ光を用いた場合には、空間周波数は約２０００本／ｍｍであり、金属薄膜２の線幅は約０．２ミクロン、金属薄膜３の線幅は約０．３ミクロンとなる。
【００７２】
また、本発明の記録方法及び記録媒体は、閾値Ｐを境として光学的性質が大きく変化するオン・オフ記録特性に基づいているため、干渉縞の線明度が高く回折効率を高め、デジタルホログラムに適したものである。
【００７３】
また、白金元素の金属ナノ粒子からなる準連続の金属薄膜を唯一の機能材料とした極めて単純な構成であり、成膜装置で容易に製作することができる。情報の記録には近紫外から可視領域の広い範囲にある任意の波長のレーザが利用可能であり、露光のみで現像又は定着などの後処理は一切不要であり、ナノ秒以下の単発パルスレーザにより瞬時の記録が可能で振動の影響を受けない。
【００７４】
また、本発明の記録媒体は、レーザ光の照射により金属ナノ粒子の構造が変化するのみであり、廃棄される金属がなく、使用後の記録媒体を回収した場合に使用した金属を１００％回収することができ、環境面においても優れている。
【００７５】
また、約１０ナノメートルという極端に薄い金属薄膜を用いながら、レーザ光を照射した前後において、透過率及び反射率が二つの相の間で数十％も変化する高精細二次元規則格子が形成された記録媒体上に、光に可逆的に応答する材料（例えば、光の吸収により色が変わり、加熱すると元の状態に戻る可逆的ホトクロミズムなど）の薄膜を形成することにより、前記記録媒体に記録した情報をトラッキング用の情報として用いることにより、書き換え可能な光メモリへの応用も可能である。また、前記記録媒体上に磁性を有する金属薄膜を形成することにより、磁気記録再生への応用も可能である。
【００７６】
このように本発明は次世代光メモリ技術としてのホログラフィの応用と発展に向けて産業的に大きな波及効果を有するのみならず、金属ナノ粒子を基本にしたナノテクノロジーの具体的な応用例としても関連する研究の活性化をもたらすなど、産業上の利用価値は極めて高いものといえる。
【００７７】
上述の実施の形態においては、金属ナノ粒子２ａの粒径が５ナノメートル〜１０ナノメートルの範囲であり、金属薄膜２の平均膜厚は７ナノメートル〜８ナノメートルであったが、これに限られるものではない。上述の通り、解像度を上げて記録密度を向上するためには、金属ナノ粒子の粒径は小さいほどよい。しかし、金属ナノ粒子の粒径が小さくなると、それに比例して平均膜厚も薄くなり、情報の記録に必要な光学濃度の変化を得ることができない。すなわち、粒径及び平均膜厚が３ナノメートルより小さい場合は、膜厚が薄すぎて光の吸収が十分でなく、光学濃度が０．２程度に減少するため、光を照射した前後における透過率又は反射率の差に基づく情報の記録をするに足るだけの光学的変化を示さない。一方、金属ナノ粒子の粒径を大きくすると平均膜厚も厚くなり、光学濃度は増加するものの、金属ナノ粒子同士の密着度合いが増加するため、金属薄膜へ光を照射したときには、照射された光のエネルギーによる熱が金属薄膜を伝導又は拡散し易くなり凝集粒状化に要するエネルギー閾値が大きく増加する。さらに、この閾値を越える大きなエネルギーを与えようとすると、エネルギー閾値を下回るレベルで露光された部分（干渉により光強度が弱まる部分）においても周りから拡散してきた熱により凝集粒状化が引き起こされるため、明瞭な干渉縞が得られない。以上から、金属ナノ粒子の粒径は、３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内であり、平均膜厚も３ナノメートル〜２０ナノメートルの範囲内であればよい。さらに上述の効果を高めるためには、金属ナノ粒子の粒径は、５ナノメートル〜１０ナノメートルの範囲内であり、平均膜厚も５ナノメートル〜１０ナノメートルの範囲内であることがより好ましい。これにより、光学濃度は０．３〜０．６の範囲になり、光を照射した前後における透過率又は反射率の差に基づく情報の記録をするに足るだけの光学的変化を示すことができる。
【００７８】
上述の実施の形態においては、レーザ光のエネルギー密度は、０．６ミリジュール／平方ミリメートル〜２．０ミリジュール／平方ミリメートルの範囲であったが、これに限られるものではなく、エネルギー密度は、金属薄膜２の平均膜厚により変更することが可能である。例えば、平均膜厚が３ナノメートルの場合は、１．４ミリジュール／平方ミリメートル〜８．０ミリジュール／平方ミリメートルの範囲を、平均膜厚が５ナノメートルの場合は、１．１ミリジュール／平方ミリメートル〜２．２ミリジュール／平方ミリメートルの範囲を、平均膜厚が１０ナノメートルの場合は、１．０ミリジュール／平方ミリメートル〜１．２ミリジュール／平方ミリメートルの範囲を用いることが好ましい。
【００７９】
上述の実施の形態においては、金属ナノ粒子２ａは白金元素からなるものであったが、これに限られるものではなく、パラジウムなどの白金族元素、白金とパラジウムとの合金、又は白金とニッケルとの合金、パラジウムとニッケルとの合金でもよい。合金化することにより、金属薄膜の機械的強度、又は基板への付着強度が増加する。
【００８０】
上述の実施の形態においては、再生時に参照光と共役な透過光を用いたが、これに限られるものではない。すなわち、光を照射した前後における金属薄膜の構造変化により透過率が数十％変化するだけではなく、反射率も数十％変化するため、反射光を用いて情報の再生を行うことも可能である。
【００８１】
上述の実施の形態においては、レーザ光を用いる構成であったが、これに限らず、より波長の短い電子線を用いることも可能である。
【００８２】
上述の実施の形態においては、参照光３０を情報光４０の回りに回転させることにより多重記録を行う構成であったが、これに限らず、参照光３０の入射角を変更すること、又は波長を変更することによっても同一の場所に異なる情報を多重記録することができる。
【００８３】
実施の形態２
上述の実施の形態１においては、レーザ光を参照光３０と情報光４０との二光束に分離して、金属薄膜２において干渉させる構成であった。以下に単一光を金属薄膜２に照射する場合について説明する。
【００８４】
予め電子ビーム描画などにより情報パターンが書き込まれた光マスクを作成しておく。金属薄膜２を有する記録媒体１７上に金属薄膜２に当接して前記光マスクを配置する。低エネルギーを有するレーザ光を前記光マスク上において走査する。前記光マスクのレーザ光を通過する部分では、通過した照射光のエネルギーを吸収した金属ナノ粒子は発熱して溶融し、複数の金属ナノ粒子が合体するとともに表面張力により球状液滴化することにより、金属ナノ粒子は凝集粒状化する。
【００８５】
一方、前記光マスクのレーザ光を通過しない部分では、金属ナノ粒子を溶融させるのに必要なエネルギーが供給されないため、金属ナノ粒子は凝集粒状化しない。これにより、前記光マスクの情報パターンに対応した、金属ナノ粒子が凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とから構成されるパターンを形成して情報を記録する。
【００８６】
これにより、低エネルギーのレーザ光を用いて、１度だけスキャン露光することにより、ごく短時間で情報を記録することができ、現像又は定着などの後処理が一切不要であり、高密度に情報が記録できる記録媒体及び該記録媒体を用いた記録方法を提供することができる。
【００８７】
金属ナノ粒子が凝集粒状化した部分と凝集粒状化していない部分とでは、光学的性質が異なり、反射率が大きく変化する。これにより、上述の記録方法により情報が記録された記録媒体に、光を照射して反射率の変化を検出することにより、記録された情報の再生をすることができる。
【００８８】
上述の実施の形態では、光マスクを用いる構成であったが、これに限らず、電子ビーム描画で直接記録媒体に情報を記録する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係る記録媒体の金属薄膜の観察例を示す説明図である。
【図２】本発明に係る記録媒体の構造を示す説明図である。
【図３】本発明に係る記録方法を実施するための装置の模式図である。
【図４】レーザ光照射後の記録媒体の金属薄膜の観察例を示す説明図である。
【図５】レーザ光照射後の記録媒体の構造を示す説明図である。
【図６】レーザ光照射による干渉縞モデルを示す説明図である。
【図７】レーザ光照射による吸収スペクトルの変化を示す説明図である。
【図８】干渉により生じたレーザ光のエネルギー密度の空間的な変調の度合いと干渉縞の線幅の関係を示す説明図である。
【図９】角度多重記録の概念を示す説明図である。
【図１０】二重記録による正方格子ホログラムの例を示す説明図である。
【図１１】本発明に係る再生方法を実施するための装置の模式図である。
【図１２】本発明に係る記録媒体の例を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る記録媒体の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９０】
１  基板
２，３  金属薄膜
２ａ，３ａ  金属ナノ粒子
４  透明樹脂層
１０  レーザ
１１  ビーム径変換レンズ
１２  ハーフミラー
１３  ミラー
１４  プリズム
１５、１８  対物レンズ
１６  ページコンポーザ
１７  記録媒体
１９  再生用レンズ
２０  フォトダイオード
３０  参照光
４０  情報光
５０  再生光
【図１】
2006039225.tif 000003
【図２】
2006039225.tif 000004
【図３】
2006039225.tif 000005
【図４】
2006039225.tif 000006
【図５】
2006039225.tif 000007
【図６】
2006039225.tif 000008
【図７】
2006039225.tif 000009
【図８】
2006039225.tif 000010
【図９】
2006039225.tif 000011
【図１０】
2006039225.tif 000012
【図１１】
2006039225.tif 000013
【図１２】
2006039225.tif 000014
【図１３】
2006039225.tif 000015