(57)【要約】  電磁輻射の波面を処理するための再構成可能静止要素である。この要素は、結晶状態と非結晶状態との間で可逆的に変質可能な相変化材料を含む。結晶化度に勾配を持たせることにより、本要素の相変化材料に位相テーパを保存する。この位相テーパは、反射または再放射電磁輻射の位相角制御を提供する。電磁輻射の入射波面は、本要素と相互作用し、保存した位相テーパが制御する伝搬特性を付与され、再放射される。本要素は、非正反射効果、操縦効果、集束効果、脱集束効果、対称および非対称断面効果、および波面修正効果を提供できる。好適実施例において、相変化材料の結晶母材内に非結晶マークパターンを形成する。マークの大きさ、形状、間隔、対称性、および分布を制御することにより、１以上の方向における様々な強さの結晶化度勾配を形成でき、波面処理を行う位相テーパを提供できる。本要素にマークパターンを形成する装置も提供する。
2005536776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射電磁輻射の波面を変更して反射電磁輻射を生成するための位相角制御静止要素であって、前記要素は相変化材料から成り、前記相変化材料は結晶状態と非結晶状態とを有し、前記相変化材料は複数のデータセルを含み、前記データセルは前記入射電磁輻射の波長を超える断面寸法を有さず、前記データセルは前記相変化材料の前記結晶状態の母材から成ると共に１以上のマークをその中に分散配置し、前記マークの各々は基本的に前記相変化材料の前記非結晶状態から成り、前記マークの全ては前記相変化材料内においてパターンを形成し、前記パターンは１以上の結晶化度勾配を提供し、前記結晶化度勾配は少なくとも２つの前記データセルに渡って延び、前記結晶化度勾配の前記少なくとも２つのデータセルの各々は異なる部分結晶化度を有し、前記結晶化度勾配は保存位相テーパを提供し、前記保存位相テーパは前記入射波面の２以上の異なる点において位相角に異なる大きさの影響を与えることにより前記反射輻射を提供する、前記位相角制御静止要素。
【請求項２】
前記反射輻射は非正反射方向に反射される、請求項１の要素。
【請求項３】
前記反射輻射は集束または脱集束する、請求項１の要素。
【請求項４】
前記入射電磁輻射の波面はゆがみを含み、前記要素は前記ゆがみを修正する、請求項１の要素。
【請求項５】
アドレッシング電磁輻射の供給源と相変化材料とを備え、前記アドレッシング電磁輻射が前記マークを形成するための十分なエネルギを有する、前記請求項１の要素を形成する装置。
【請求項６】
前記相変化材料はカルコゲンから成る、請求項１の要素。
【請求項７】
前記相変化材料はＴｅから成る、請求項１の要素。
【請求項８】
前記相変化材料はさらにＧｅ、ＳＢ、またはＣｄから成る、請求項７の要素。
【請求項９】
前記データセルのいずれの断面寸法も前記入射電磁輻射の波長の２分の１を超えない、請求項１の要素。
【請求項１０】
前記データセルのいずれの断面寸法も前記入射電磁輻射の波長の４分の１を超えない、請求項１の要素。
【請求項１１】
前記マークパターンは１以上の対称面に関して対称であり、前記対称面は前記要素に垂直である、請求項１の要素。
【請求項１２】
前記マークパターンは反転中心に関して対称である、請求項１の要素。
【請求項１３】
前記結晶化度勾配は２以上の方向に延びる、請求項１の要素。
【請求項１４】
前記結晶化度勾配は、少なくとも前記入射電磁輻射の波長に対応する距離に渡って延びる、請求項１の要素。
【請求項１５】
前記結晶化度勾配は、前記入射電磁輻射の波長の少なくとも２倍に対応する距離に渡って延びる、請求項１の要素。
【請求項１６】
前記非正反射方向は、正反射角から少なくとも５°異なる反射角を有する方向である、請求項２の要素。
【請求項１７】
前記非正反射方向は、正反射角から少なくとも１０°異なる反射角を有する方向である、請求項２の要素。
【請求項１８】
前記非正反射方向は、正反射角から少なくとも２０°異なる反射角を有する方向である、請求項２の要素。
【請求項１９】
前記反射輻射は、非対称に集束または脱集束する、請求項３の要素。
【請求項２０】
前記ゆがみは非平面ゆがみであり、前記反射電磁輻射の波面は平面である、請求項４の要素。
【請求項２１】
前記アドレッシング電磁輻射の供給源はレーザから成る、請求項５の装置。
【請求項２２】
前記請求項１の静止要素を提供し、前記要素は第１マークパターンを有し、
第１入射方向から前記要素へ第１入射電磁輻射を提供し、前記第１入射電磁輻射は前記要素から前記第１マークパターンが決定する第１反射方向へ反射され、
前記要素を再構成し、前記再構成は前記第１マークパターンを変更して第２マークパターンを形成するに十分な量のエネルギを前記要素に提供することを含み、
第２入射方向から前記要素へ第２入射電磁輻射を提供し、前記第２入射電磁輻射は前記要素から前記第２マークパターンが決定する第２反射方向へ反射される、各段階を備える電磁輻射を方向転換するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁輻射（electromagnetic radiation）の波面を制御するための装置に関する。さらに詳しくは、電磁輻射の伝搬方向、集束度、ゆがみ等の波面特性を制御する静止要素に関する。特に、プログラム可能で再構成可能な電磁輻射の位相角制御を提供する静止要素に関する。
【０００２】
背景技術
電磁輻射の流れを伝送し、方向を変え、制御する機能は、多くの技術分野において重要である。例えば光学的情報システムは、データの高速高密度伝送および格納に対する要求が急増するに伴い、ますます重要になると考えられる。光学装置の機能を最適化するには、光の伝搬方向を精密に制御しなければならない。例えば光データの読み出しおよび書き込みは、光学的記録媒体内の明瞭に区画した位置に対し、１以上の光ビームを正確に位置決めする必要がある。多くの応用分野において、ますます小型化する装置を用い、光の伝搬を正確に制御することが望まれる。光学部品の小型化および機能強化は、将来の技術のために不可欠である。光の範囲外の電磁周波数についても、同様の性能が求められる。
【０００３】
電磁輻射の伝搬を制御する従来の装置は、ミラーやビームスプリッタ等の反射要素と、レンズや放物ミラー等の集束要素と、プリズム等の分散要素とを含む。このような装置は、意図した方法において光を伝送する上で、極めて信頼性が高く有効なことが証明されている。しかしながらそのような装置は、いったん組み立て配置すると、電磁輻射伝搬を制御する機能を固定してしまう欠点を有する。伝搬が少しでも変化すると、装置を物理的に移動せねばならず、面倒で時間のかかる調整手順が必要になる。
【０００４】
電磁輻射伝搬の制御装置を小型化する最近の努力は、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）技術に焦点を当てている。ＭＥＭＳ部品は小型軽量であり、小型装置パッケージにおいて電磁輻射を伝送できる。ＭＥＭＳ技術は、アレイ構成の小型ミラーを含む。このミラーは、互いに正確に位置決めおよび／または傾斜した数百のミラーを含む。ＭＥＭＳは、将来的に有望な技術である。なぜなら部品質量が非常に低く、動的動作に必要な再位置決めの力が少ないからである。例えば静電駆動を使用してＭＥＭＳを再位置決めし、電磁輻射の伝搬方向を変えることができる。ＭＥＭＳ技術開発の努力のほとんどは、光学的スイッチングおよび光学的交差接続に向けられてきた。ＭＥＭＳ技術は、例えばファイバ束内の特定ファイバに光信号を向けること、および再位置決めにおいて他のファイバに信号を向け直すことに使用できる。またＭＥＭＳは、可変ミラーと組み合わせて使用し、波面収差を修正できる。この場合、ＭＥＭＳ部品は反射機能の提供ではなく、被覆した可変反射表面の局所点における精密動作を提供するために使用し、入射波面に存在する収差を補正する。電磁輻射の位置決めを精密に制御することは、ＭＥＭＳ技術によって基本的に可能である。
【０００５】
ＭＥＭＳ技術は、いくつかの有望な利点を提供するが、その実施はいくつかの問題を提起する。第１に、ＭＥＭＳ部品は再位置決め可能なものの、その再位置決めは機械的処理を通して行い、ミリ秒の時間で行われる。より高速な動的性能が多くの用途で求められる。第２に、ＭＥＭＳシステムはデリケートであり、振動等の外乱に左右されやすい。このような外乱は、ＭＥＭＳ部品の位置を変化させ、機能を麻痺させる。従って一般的な使用環境において動作の頑健さを確保するため、複雑なフィードバックシステムが必要になる。第３に、現在のＭＥＭＳシステムは極めて高価である。高コストは、小型部品を組み立てることの複雑さ、ある用途に必要となる部品の膨大さ、部品と駆動手段とを組み立てて多用途の３次元配列にする際の精密さに関係している。
【０００６】
従ってこの分野は、電磁輻射の伝搬を制御するための改良装置を必要としている。かかる装置の理想は、静止装置であり、動的に再構成可能であり、電磁輻射の反射、方向転換、集束、および脱集束を提供し、波面収差を修正できることである。
【０００７】
発明の概要
本発明は電磁輻射の伝搬を制御するための装置を提供する。この装置は静止要素であり、制御方向に電磁輻射を反射し、電磁輻射を集束または脱集束し、電磁輻射の波面収差を修正すべく設計する。本要素の動作は、入射電磁輻射の位相角を精密に制御することが基本である。入射電磁輻射は、本要素と相互作用し、本装置が含む相変化材料にプログラムしたまたは保存した位相角特性に基づき制御し再放射する。制御した再放射とは、入射電磁輻射の方向転換、反射、集束、脱集束、または修正を行うことである。これらは、再放射電磁輻射の位相角の適切な空間制御を通じて実現できる。
【０００８】
本装置の相変化材料は、非結晶状態と結晶状態とを有する。これら２状態は化学結合が異なるため、いわゆる光定数（ｎ，ｋ）によって定量化される光刺激への応答が著しく異なる。非結晶状態および結晶状態は、相変化材料の体積中に同時に存在でき、一方の状態の空間分布および他方に対する相対比率を利用して光応答を調整し、例えば再放射電磁輻射の位相角制御を提供できる。好適実施例において、相変化材料の体積を複数のデータセルに分割する。各データセルの大きさは、均一で入射電磁輻射の波長よりも小さい。各データセルは、結晶母材（matrix）内に非結晶マークを含む。位相角制御は、複数のデータセル内の非結晶マークパターンを適切に設計し形成することによって実現する。
【０００９】
本装置の相変化材料は、エネルギ、好適には光エネルギを提供することにより、非結晶状態と結晶状態との間を可逆的に変質可能である。この可逆性は、マークパターンの再構成を可能にし、装置に調整機能を提供する。再構成は、相変化材料の体積中における１以上のマークおよび／またはマークの空間分布形状を変化させることを含む。機能を調整することは、再放射電磁輻射の伝搬方向を変化させること、集束度または脱集束度を変化させること、または波面修正の性質を変化させることを含む。マークパターンの再構成は、高速で行うことにより、本装置の高速動的調整能力を提供する。
【００１０】
一実施例において、相変化材料内にマークのテーパパターンを形成し、電磁輻射の反射方向を制御可能な装置を提供する。
【００１１】
他の実施例において、相変化材料内にマークの対称パターンを形成し、電磁輻射の集束または脱集束を行う装置を提供する。
【００１２】
さらに他の実施例は、マークパターンを調整して波面修正を実行し、収差を補償する。
【００１３】
他の装置として、相変化材料の位相角制御層と組み合わせた１以上の追加層を含む装置も開示する。これら追加層は、誘電体層、金属層または基板を含むことができる。
【００１４】
さらに、相変化材料の位相角制御層を含む装置や、マークを形成し再構成する手段を含む装置も開示する。
【００１５】
詳細な説明
本発明は、電磁輻射の伝搬を制御するための装置を提供する。この装置は静止要素であり、制御方向に電磁輻射を反射し、電磁輻射を集束または脱集束し、電磁輻射の波面収差を修正すべく設計している。本静止要素を介して電磁輻射の伝搬を制御することは、当該要素から出射する電磁輻射の位相角を制御することによって実行する。電磁輻射の出射は、入射電磁輻射と本要素との相互作用によって生ずる。この電磁輻射は、本要素によって吸収または保持され、以下に説明する本発明の原理に基づいて動作し、本要素から制御方向に再放射される。この再放射は、制御されたレベルの集束および／または修正された形状を有する。再放射した電磁輻射は、以下において再放射輻射、出射輻射等と呼ぶことがある。
【００１６】
本要素が提供する基本的な効果は、再放射電磁輻射の位相角を局所的に空間制御することである。本要素は、任意の入射角で伝搬する入射電磁輻射を受け、それを再放射電磁輻射に変換できる。この再放射電磁輻射は、制御された伝搬、集束、および／または波面特性を有する。これら特性は、本要素の相変化材料の構成が基本的に決定する。以下に詳細を説明するように、相変化材料の構造は、本要素が出射する輻射の位相角の制御を提供すべく構成する。このため本要素の相変化材料の特定構成は、入射輻射の入射方向にかかわらず、特定の特性（例えば伝搬方向、集束度、波面特性）を有する電磁輻射を出射できる。
【００１７】
電磁輻射の伝搬を制御する上での位相角の重要性につき、ミラーからの反射を例に説明する。図１は、面法線１１を有する垂直面１０からの反射方向を概略的に示す図である。この面は、距離ｄの間隔を置いた散乱中心１２を含む。図１には４個の散乱中心が位置０、ｄ、２ｄ、および３ｄにある。実線の矢印１３は、面から出射する再放射電磁輻射の伝搬方向を示す。この反射方向を説明するため、反射角θを使用する。点線１４は、再放射電磁輻射の波面の展開を示し、散乱中心の増加数に依存する。入射電磁輻射の波面は図示省略しているが、容易に描ける。なぜなら正反射において入射角と反射角とは等しいからである。
【００１８】
入射電磁輻射の波長λに対する距離ｄの大きさは、前記面からの再放射電磁輻射の性質を左右する。ｄ＞λであれば、前記面は回折格子のように働き、再放射電磁輻射は正反射角（ｍ＝０）および全ての＋および−の回折次数（±１、±２、．．．）の電磁輻射を含む。
【００１９】
ミラーにおいて正反射が起きるのは、散乱中心が入射電磁輻射の波長λより近接した間隔にある時であり、全ての入射電磁輻射は再放射し、波長λにおける反射電磁輻射を生成する。正反射において、入射輻射の入射角は、反射輻射の反射角に等しい。正反射を行うためには２つの条件を満足しなければならない。第１に、散乱中心間の間隔ｄは、入射輻射の波長よりも小さくなければならない。実際のミラーにおいて、散乱中心は互いに無限に近接している。第２に、隣接の散乱中心が出射する再放射光の位相角における相対差は、一定でなければならない。例えば後者の一定差条件は、散乱中心０および散乱中心ｄが出射する輻射間の位相角における差または変位は、散乱中心ｄおよび散乱中心２ｄが出射する輻射間の位相角における差または変位と同一であり、以下同様になることである。隣接する散乱中心間の位相角の一定差または変位の大きさは、再出射輻射の反射角を示す。隣接する散乱中心間の位相角における差または変位は、以下において隣接する散乱中心間の位相ずれと呼ぶ。一連の散乱中心に関係する位相角の連続は、以下において位相テーパと呼ぶ。例えば図１の状況において、散乱中心０からの再出射輻射の位相がφであれば、散乱中心ｄからの再放射出射の位相はψ＋Δψであり、散乱中心２ｄからの再放射出射の位相はψ＋２Δψであり、以下同様である。ここで位相ずれはΔψであり、位相テーパはψ、ψ＋Δψ、ψ＋２Δψ、．．．である。
【００２０】
標準的なミラーにおいて、入射角は一連の散乱中心に沿った位相テーパを制御する。入射電磁輻射がミラーの表面に遭遇すると、その材料内に電子電荷の加速を発生する。これら加速した電子電荷は、ミラーの散乱中心に対応する。古典物理学によれば、電荷の加速は電磁輻射の出射を引き起こす。ミラーの場合、散乱中心から出射する出射電磁輻射は、反射電磁輻射に対応する。異なる散乱中心から出射する反射輻射の位相は、異なる中心が再放射する時間に相関する。正反射に必要な一定位相ずれ（すなわち位相角差）条件は、隣接中心からの再輻射の開始時間差が一定であれば実現する。例えば図１の状況において、位置０、ｄ、２ｄ、３ｄにおける散乱中心での一定位相ずれが実現するのは、再放射の開始時間遅延が、散乱中心０と散乱中心ｄとの間で同一であり、散乱中心ｄと散乱中心２ｄとの間で同一であり、以下同様である時である。特定の散乱中心が再放射する時間は、入射電磁輻射がその中心と相互作用する時間によって決まる。入射電磁輻射の相互作用の時間差が隣接散乱中心間で一定であることを保証することにより、隣接散乱中心間の位相ずれを一定にできる。これによって正反射を実現できる。
【００２１】
入射電磁輻射の入射角は、隣接散乱中心間の相互作用の時間差を決定する。例えば図１の状況において、入射電磁輻射の波面（図示せず）は、面法線１１に対し反射波面１４の反対側から接近する。入射波面は、最初に散乱中心０に遭遇し、次に散乱中心ｄに遭遇し、次に散乱中心２ｄに遭遇し、以下同様となる。散乱中心０からの再放射は、散乱中心ｄからのものより早く発生する。散乱中心ｄは、散乱中心２ｄよりも早く再放射する。以下同様である。別々の散乱中心からの再放射に関する時間遅延、すなわち位相ずれ（位相角差）は、それら散乱中心がその入射波面に遭遇する相対時間に直接関係する。この相対時間は、入射波面がそれら中心に遭遇する前に通過する通路長によって決まる。図１の例において、入射光は最短路を通過して散乱中心０と相互作用するため、この散乱中心が最初に再放射する。通路長は各後続の散乱中心についてｄｃｏｓθずつ増加する。例えば入射波面が通過する散乱中心ｄへの通路は、散乱中心０への通路よりｄｃｏｓθだけ長い。散乱中心２ｄへの通路は、２ｄｃｏｓθだけ長い。以下同様である。この通路長差は隣接散乱中心間で一定であるため、隣接中心間における再放射開始の時間差も一定である。従って位相ずれも一定であり、正反射が発生する。
【００２２】
前記した通り、正反射の方向は、隣接散乱中心間の一定位相ずれの大きさによって決まる。位相ずれが小さいほど、図１に示す反射角θは小さい。小さな位相ずれは、入射波面と隣接散乱中心との間の小さな通路長差となる。従って反射角は、入射方向が反射面の法線に近付くほど減少する。入射光が反射面に垂直（すなわち反射面に平行な波面）である限定的な場合、入射波面は同時に全ての散乱中心と相互作用する。この限定的な場合において位相ずれは一定であるが、その大きさはゼロである。なぜなら全ての散乱中心が同時に再放射を開始するからである。従って反射光は反射面に垂直に（θ＝０°）入射光と反対方向に伝搬する。非ゼロ角度の反射は、隣接散乱中心間に非ゼロ位相ずれを必要とする。位相ずれが大きいほど、反射角は大きい。
【００２３】
前記説明は、電磁輻射の伝搬方向を制御することは、一連の散乱中心に沿った位相テーパを制御することであることを示す。位相テーパは位相ずれを有し、この位相ずれは、入射波面が通過する隣接散乱中心間の通路長差によって制御する。従来の反射ミラーにおける通路長差は、入射角に相関する。入射角（反射面の法線から測定した角度）が大きいほど、通路長差が大きくなり、位相ずれが大きくなり、反射角が大きくなる。通路長差を分析すると、入射角は必ず反射角に等しいことが分かる。
【００２４】
前記従来のミラーにおいて、入射光は隣接散乱中心間に位相ずれを形成し、それによって反射光の伝搬方向を制御する。電磁輻射の方向を転換するには、隣接散乱中心間の位相ずれを変化させる必要がある。これは、固定反射面に対する入射光の入射角を変化させるか、固定の入射波面に対して反射面を傾斜させることで実現できる。いずれの場合も、要素を物理的に動かし、入射波面と隣接散乱中心間の通路長を変化させねばならない。この通路長の変化は位相ずれを変化させるために必要であり、この位相ずれは入射電磁輻射を方向転換するために必要である。
【００２５】
本要素は、電磁放射を方向転換するために必要な物理的動作を省略できる。これは、相変化材料を使用し、一連の散乱中心に沿った位相テーパを提供することにより実現する。従来の反射器は、入射波面と反射面の散乱中心との相互作用によって位相テーパを形成する。入射電磁輻射を取り除くと、位相テーパを形成する原動力が不在となり、位相テーパは消滅する。入射電磁輻射によって従来の反射器が生成する位相テーパは非持続的である。特定の入射波面によって生成した位相テーパを保持または保存できれば、その保存位相テーパを使用して、後続の入射電磁輻射が生成する位相テーパを補助または変更できる。この後続の入射電磁輻射は、保存位相テーパを生成した元の電磁輻射とは異なる入射角を持つ。この場合、入射角と反射角は等しくなくなり、反射電磁輻射の伝搬方向は正反射方向からずれるであろう。この正反射方向からのずれの大きさは、保存した位相テーパの特性による。基本的に、保存した位相テーパは持続的位相テーパであり、摂動を提供し、その摂動は伝搬方向を正反射方向からずらす。
【００２６】
通常の反射過程での入射電磁輻射は、保存位相テーパを持たない反射面に遭遇する。その結果、正反射が常に発生し、反射角は入射角に等しい。保存テーパが存在すると、正反射方向からのずれが発生する。本発明の一目的は、電磁輻射の伝搬および波面特性を制御するための要素を提供することであり、この要素は保存位相テーパを有する。本要素は、同時に共存可能な異なる構造状態を有する相変化材料を含む。以下に詳細を説明するように、相変化材料の所定体積内において、異なる構造状態の相対比および空間分布を変化させることにより、持続的位相テーパを保存できる。その結果、本要素は電磁輻射の伝搬に非正反射制御を提供する。本発明が実現可能な効果は、電磁輻射の伝搬方向と波面特性との一般的な操作を含み、非正反射、集束、脱集束、ビーム成形、および波面修正を含む。
【００２７】
本発明の相変化材料は、結晶状態と非結晶状態とを有し、エネルギの提供を介してこれら状態間の可逆的変換が可能である。相変化材料については多くの特性および成分が当業者に知られ、説明されている。例えば本代理人による米国特許第３，２７１，５９１号、第３，５３０，４４１号、第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，１６６，７５８号、第５，２９６，７１６号、第５，５３４，７１１号、第５，５３６，９４７号、第５，５９６，５２２号、第５，８２５，０４６号、第５，６８７，１１２号、第５，９１２，１０４号、第５，９１２，８３９号、第５，９３５，６７２号、第６，０１１，７５７号、および第６，１４１，２４１号が開示している。また本代理人による米国特許出願第１０／０２６３９５号および第６０／３１６５６６号も開示している。これら開示は参照によりここに組み込む。これら特性および成分は、本要素に関連して以下に簡単に説明する。
【００２８】
相変化材料にエネルギを印加すると、その構造が変質する。相変化材料は固有の融解温度および結晶化温度を有し、これら温度に応じたエネルギを制御下で適用することにより構造状態が変化する。その融解温度以上に加熱する十分なエネルギを相変化材料に印加し、続いて急冷すると非結晶相ができる。一方、緩やかに冷却すると結晶化が起き、相変化材料内に結晶領域ができ、部分結晶材または結晶材を提供する。結晶化温度と融解温度との間に相当する量のエネルギを相変化材料に印加すると、非結晶領域は結晶相へ部分的にあるいは完全に変化する。
【００２９】
非結晶領域から結晶領域が形成するか否か、あるいはその形成の程度は、相変化材料に印加するエネルギ量および／または印加するパワー（すなわちエネルギ印加率）による。結晶領域を形成するため、あるいは成長または衰退によって相変化材料に存在する結晶領域を変化させるために必要なエネルギ量および／またはパワー量は、相変化材料の化学成分、相変化材料の初期状態、および結晶核生成および成長過程の動力学および熱力学等に依存する。非結晶領域は、結晶領域から形成可能である。非結晶領域を形成するには、必要量のエネルギを印加し、融解状態または他の高度に可動な状態を引き起こし、十分な冷却速度を与えて結晶相の形成を妨げる。
【００３０】
相変化材料の体積の選択部分にエネルギを印加し、その相変化材料の周囲部分に影響を与えずに局所的構造変質を引き起こすことも可能である。このような局所的構造変質は、例えば周囲の結晶相内の一部体積を非結晶相に変化させるために使用できる。構造状態内の相安定化および変換は、結晶化過程の動力学および熱力学、相変化材料内のエネルギの分布および流れ（例えば散逸、拡散、伝導）、印加エネルギの強さ、期間、および空間分布等に左右される。局所的構造変質は、ある相の母材に囲まれた他の相の大きさ、形状、あるいは体積を制御するためにも使用できる。例えば低サーマルバジェット方式を用いて結晶母材内に非結晶相領域（例えばマーク）を形成することは、米国特許出願第１０／０２６３９５号が開示している。前記した通り、この開示は参照によりここに組み込む。
【００３１】
構造状態間の変換は、適切量のエネルギを適切速度において相変化材料に印加して実行する。様々な形のエネルギを使用して構造状態間の変換を行える。エネルギとしては、電磁輻射（赤外、光、レーザ、およびマイクロ波の供給源を含む）、電気エネルギ、熱エネルギ、化学エネルギ、磁気エネルギ、機械エネルギ、粒子ビームエネルギ、音響エネルギ、単一エネルギ源または複数エネルギ源を使用しての前記エネルギの組合せなどがある。例えば電気エネルギの供給は、電流または電圧とし、連続的でも良く、あるいは高さと幅を制御可能なパルスでも良い。光エネルギは、制御した波長とライン形状とエネルギおよび／またはパワーとを有するパルスレーザビームまたは連続レーザビームを使用できる。ダイオードレーザは、本発明の使用に適した光エネルギ源の一例である。
【００３２】
参照により組み込んだ前記米国特許第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，９１２，１０４号、第５，９３５，６７２号、および第６，０１１，７５７号、および米国特許出願第１０／０２６３９５号および第６０／３１６５６６号は、光記録媒体として使用する時の相変化材料の構造状態例を説明している。これら参考文献は、実質的な結晶状態と実質的な非結晶状態との間で相変化材料を可逆的に変換する機能を一般的に説明している。この変換に使用するのは、例えば適切な波長、強さ、パワー、およびライン形状を有する光励起源である。代表的な光記録の応用例は、相変化材料から成るデータセルを使用し、そこにデータを保存、書き込み、あるいは消去する。消去状態は一般に実質的な結晶状態である。書き込みを行うには、相変化材料内のデータセルに、非結晶マークを生成するに十分な量のエネルギを印加する。印加エネルギの速度、量、および空間分布とサーマルバジェットとを慎重に制御することにより、データセル内に形成する非結晶マークの形状および体積を正確に制御できる。その結果、データセル内における相変化材料の結晶状態および非結晶状態の相対的体積分率は、簡単に連続的に変えることができる。
【００３３】
参照により組み込んだ前記米国特許第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，９１２，１０４号、第５，９３５，６７２号、第６，０１１，７５７号、および米国特許出願第１０／０２６３９５号がさらに示すことは、積み重ねた層内に相変化材料を内包すると、相変化材料の非結晶相および結晶相の結晶寿命が延びることである。この積み重ねにおいて、相変化材料は、誘電体層（例えばＳｉＯ２、ＺｎＳ、Ａｌ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＴｉＯ２）、反射層または金属層（例えばＡｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔｉ）、または保護層（例えばアクリレート、ポリマ）等の一連の層内に内蔵する。理論に縛られたくはないが、本発明者の考えでは、隣接層が補助的な機械的支持を提供することで、非結晶相と結晶相との繰り返し変換による相変化層の劣化を防止していると思われる。
【００３４】
本発明に基づく使用に適切な相変化材料の例は、１以上のＩｎ、Ａｇ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、およびこれらの混合または合金、場合によっては共晶組成である。好適実施例において、相変化材料はカルコゲン元素を含む。最も好適な実施例において、相変化材料はカルコゲン元素としてＴｅを含む。同様に好適な相変化材料は、カルコゲンとＧｅおよび／またはＳｂとの組合せを含む。例えばＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、Ｇｅ４ＳｂＴｅ５、Ｓｂ２Ｔｅ３、および関連物質である。ＧｅＴｅのみ、またはＣｄＴｅとの固溶体も好適実施例である。他の好適実施例において、相変化材料はＡｇおよび／またはＩｎ、特にＳｂおよび／またはＴｅとの組合せを含む。ＡｇＩｎＳｂＴｅ族内の共晶組成、例えばＡＩＳＴは他の最も好適な実施例である。他の好適実施例において相変化材料は、カルコゲンと、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の遷移金属またはその混合および合金を含む。本発明に基づく使用に適切な相変化材料のいくつかの例は、参照により組み込んだ前記米国特許が開示している。本発明の範囲において適切な材料は、誘電体材料と相変化材料との混合を含む。このような混合の例は、同一出願人による米国特許第６，０８７，６７４号に開示がある。この開示は参照によりここに組み込む。
【００３５】
理論に縛られたくはないが、本発明者の考えでは、非結晶相から結晶相に変質する際に結合混成化が変化する相変化材料は本発明に最適である。ｄ軌道の関与およびある相のある混成構成から別の相の別の混成構成へのｄ軌道の転換は、本発明の範囲において特に有益である。前記相変化材料の非結晶状態から結晶状態への変換に伴う屈折率（ｎ）、吸光係数（ｋ）、および等価誘電率等の光学定数における大きな変化は、異なる混成構成による結合構成の大きな変化によるものと思われる。
【００３６】
本発明の範囲において、相変化材料の重要な側面は位相テーパを保存する能力である。位相テーパの保存は、相変化材料の層または体積内において結晶領域および非結晶領域の相対比を系統的に変化させることで行う。相変化材料の位相テーパを保存する能力は、当該相変化材料の結晶状態および非結晶状態の光学的定数における差に基本的に由来する。電磁輻射の位相を変えるには２つの方法がある。（１）光路長を変化させることおよび（２）境界面寄与を変化させることである。（２）においては、入射媒体の屈折率（ｎ０）が伝達媒体の屈折率（ｎ１）よりも大きいか小さいかにより、位相はそれぞれ０またはπ（すなわち０°または１８０°）となる。これら２つの値は、特別の場合にのみ厳密に発生する。特別の場合とは、伝達媒体における吸収がない場合である。すなわちｋ１＝０の場合である。しかしながらｋ１＞０であれば、位相は０またはπ以外、すなわち０とπの間になる。単一境界面に関し、位相φにおける非ゼロｋ１の寄与は、複素フレネル反射係数
【数１】
2005536776.tif 000003
【００３７】
を計算して決定できる。
【数２】
2005536776.tif 000004
【００３８】
ここで横棒は複素数を表す。媒体ｊにおける複素屈折率は次のようになる。
【数３】
2005536776.tif 000005
【００３９】
ここでｎｊは媒体ｊの卑近屈折率であり、ｋｊは媒体ｊの吸光率である。
【数４】
2005536776.tif 000006
【００４０】
を実数成分と虚数成分とに分解すれば、位相角（複素平面内における実数成分と虚数成分との間の角として与えられる）は次の通りである。
【数５】
2005536776.tif 000007
【００４１】
極限ｋｌがゼロに近付くと、ｔａｎφはｎ０＞ｎ１またはｎ０＜ｎ１に応じて＋０または−０に近付く。これら特別の場合において、φは明らかに０またはπに近付く。しかしながらｋ１＞０である時、φは０またはπから離れる。これもｎ０およびｎ１に依存する。ｎ０が空気（ｎ０＝１）ではなく、例えば誘電体（例えばｎ０＝２）であれば、位相角は２倍以上になりうる。
【００４２】
以下において、位相角に影響を与えるこれら２つの方法は、便宜上、より一般的な光路長の概念に共に含まれるものとする。この概念に基づき、以下の説明における光路長は、位相角に影響を与える前記２つの方法を包含するものとする。
【００４３】
前記した通り、異なる散乱中心を通過する入射波面の通路長が異なれば、異なる散乱中心の再放射の位相ずれに影響する。正式には、電磁輻射が通過する通路長は、通過した物理的距離だけでなく、電磁輻射を伝搬する媒体の特性も考慮しなければならない。通過した物理的距離は、物理的通路長と呼び、電磁輻射が空間のある点から他の点へ通過する際に通過する実距離に対応する。より一般的な概念では、光路長を導入し、電磁輻射を伝搬する媒体の特性をさらに考慮する。特に光路長は、電磁輻射の伝搬における媒体の屈折率ｎと吸光係数ｋとの影響を考慮する。この光路長という用語は、電磁輻射に広く関するものであり、光周波数を有する電磁輻射に限定するものではない。
【００４４】
一般に、電磁輻射が通過する光路長と物理的通路長とは異なる。これら２つの通路長は、特別の場合に等しい。特別の場合とは、電磁輻射を伝搬する媒体が、その電磁輻射の周波数に対して屈折率１および吸光係数０を有する場合である。これら条件は、例えば光周波数の空気伝搬等において近似される。伝搬媒体の屈折率が１ではない場合、またはその吸光係数が非ゼロである場合、光路長と物理通路長とは等しくない。例えばシリカガラス等の物質において、屈折率は約１．５であり、光路長と物理的通路長は異なる。同様に、異なるｎまたはｋの値を有する異なる物質中における電磁輻射の伝搬を比較すると、電磁輻射が通過する物理的距離が同一である時、２物質における光路長は異なる。特定の周波数の電磁輻射が例えばシリコン（ｎ＝３．４）中を１メートル移動する場合、その光路長は、同一周波数の電磁輻射がゲルマニウム（ｎ＝４．０）中を１メートル移動する時の光路長とは異なる。
【００４５】
光路長と物理的通路長とが等しくない場合、光路長を正式に使用して物質中の散乱中心に関連した位相角、位相ずれ、および位相テーパを分析すべきである。便宜上、従来の反射器の反射特性を分析する場合、光路長と物理的通路長とを区別しないことが多い。この慣例を正当化するのは、従来の反射器において、散乱中心の局所環境すなわちｎおよびｋの局所値は、等価だからである。従ってｎおよびｋのあらゆる影響は均一であり、一連の散乱中心に沿って同一効果を与える。その結果、位相テーパの保存はなく、従来の反射器における入射角と反射角は等しい。
【００４６】
本発明は、それとは逆に、相変化材料の層または体積の１以上の方向に沿った結晶状態および非結晶状態の相対比を変化させることにより、位相テーパを保存する。この能力は、相変化材料の結晶状態および非結晶状態の屈折率および／または吸光係数が、電磁輻射のほとんどの周波数について異なることにより生ずる。その結果、ｎおよび／またはｋの局所値は、非結晶状態と結晶状態の相対比が異なる相変化材料の各領域ごとに異なる。ｎまたはｋの局所値が異なると、異なる散乱中心の近辺における光路長に異なる影響を与える。例えば法線方向に入射する電磁輻射の場合、入射波面から相変化材料の表面の各散乱中心までの物理的通路長は同一である。しかしながら結晶化度の体積分率が表面に沿って変化すると、法線方向に入射する電磁輻射が通過する光路長は、散乱中心毎に異なる。これはｎおよび／またはｋの値が局所的に異なるからである。局所的に異なるｎおよび／またはｋの値は、相変化材料に差分非均一性を形成し、この差分非均一性は、その相変化材料に位相テーパを保存する。その結果、法線方向の入射光の反射は、散乱表面の法線方向に発生せず、保存した位相テーパに応じた角度において発生する。同様の効果が任意の入射角を有する入射電磁輻射にも当てはまる。すなわち、その反射角は、位相テーパを保存する相変化材料への入射角と等しくない。これは、結晶化度の体積分率が１以上の方向に沿って局所的に異なるためである。特定方向に沿った結晶化度の変化は、以下において結晶化度勾配と呼ぶ。
【００４７】
正反射からのずれは、保存した位相テーパの大きさによる。従来の反射表面は位相テーパを保存しておらず、従って正反射からのずれは発生しない。相変化材料の保存位相テーパの大きさ、すなわち正反射からのずれの大きさは、結晶化度勾配の大きさによる。正反射からのずれの指標は、図１に基づく近似分析から得ることができる。図１は、本発明の位相角制御静止要素の４個の明瞭な再放射中心を示す。再放射中心間の間隔ｄは、入射電磁輻射の波長λよりも小さい。隣接再放射中心（例えば中心０およびｄ）から出射する反射波面１４上の２点間の通路長差ｌは次の通りである。
【００４８】
ｌ＝ｄｓｉｎθ
ここでθは正反射方向からの反射角におけるずれを表し、保存した位相テーパによる。位相テーパの特定方向に沿った再放射中心の合計数がｍであれば、最初と最後の中心間の合計距離Ｄは次の通りである。
【００４９】
Ｄ＝（ｍ−１）ｄ
あるいは波長λの倍数として等価に与えられる。
【００５０】
Ｄ＝ｎλ
ここでｎ＞ｍ−１である。最初と最後の再放射中心から出射する反射波面１４上の点間における合計通路長差Ｌは次の通りである。
【００５１】
Ｌ＝（ｍ−１）ｌ＝（ｍ−１）ｄｓｉｎθ＝ｎλｓｉｎθ
合計通路長差Ｌは、相変化材料の結晶化度勾配から得られる合計位相角差Φに関係する。
【数６】
2005536776.tif 000008
【００５２】
ここでΦはラジアンである。後の式を再配置してｓｉｎθを解くと次のようになる。
【数７】
2005536776.tif 000009
【００５３】
ここで後の式のαは合計位相角差であり、度である。
【００５４】
前記式は正反射からの角度ずれθの予測を提供する。これは特定合計位相角差αによって与えられ、αは特定長さｎを有する保存位相テーパによって得られる。例えば、保存位相テーパの最初と最後の再放射中心間の合計距離が入射電磁輻射の波長の２倍であるとする。この場合、ｎ＝２である。保存位相テーパによって合計位相角差α＝１２０°を実現可能であるとすれば、前記式からθ＝９．６°を得る。言い換えれば合計位相角差１２０°は、正反射方向を中心として１９．２°の角度制御を提供する。
【００５５】
保存位相テーパが提供する合計位相角差は、保存位相テーパに対する結晶化度勾配が決定する。さらに詳しくは、相変化材料中の結晶化度の体積分率の範囲が合計位相角差を決定する。相変化材料の位相角は、結晶化度の体積分率によって変化する。一般に相変化材料の位相角は、純粋な結晶状態（結晶化度の体積分率＝１００％）と純粋な非結晶状態（結晶化度の体積分率＝０％）によって決まり、中間的な結晶化度の分率は中間的な位相角に対応する。このため、結晶状態と非結晶状態との間の位相角差は、保存位相テーパ内で可能な最大位相角差を決定する。純粋な結晶状態から純粋な非結晶状態までの範囲の結晶化度勾配を有する保存位相テーパは、一般に最大位相角差、すなわち正反射からの最大角度ずれを提供する。結晶化度の体積分率における変化が小さい保存位相テーパは、正反射からの角度のずれが小さい。結晶化度勾配の長さであるｎは、正反射からの角度ずれに影響する。
【００５６】
本発明は、相変化材料内の結晶化度の体積分率を制御することによって結晶化度勾配を提供できる。前記した通り、およびここに組み込んだ参考文献のいくつかに説明があるように、相変化材料の結晶化度の体積分率は、高い精度で容易に制御可能である。この制御は、適切量のエネルギを、適切な速度で、相変化材料内の適切な位置に適切に印加することで実現できる。０％から１００％までの結晶化度の体積分率を連続的に実現可能であり、これによっていかなる範囲の結晶化度勾配でも形成できる。その結果、本発明の位相角制御静止要素は、正反射からの角度ずれを正確に制御できる。さらに本要素は、動的機能を提供し、正反射からの角度ずれを動的に調整できる。動的機能は、相変化材料の体積の部分的結晶化度を可逆的に変更することである。相変化材料の結晶状態と非結晶状態との間の相互変換は容易に実現可能であり、それによって本発明は結晶化度勾配を再構成でき、異なる角度ずれのいずれでも提供できる。例えば位相テーパが提供する合計位相角差を変化させるには、結晶化度勾配の範囲において結晶化度の体積分率を変化させれば良い。結晶化度の範囲が狭い結晶化度勾配は、それが広い結晶化度勾配に比べ、提供できる合計位相角差が小さい。結晶化度勾配に沿った異なる位置における結晶化度の体積分率を変化させることにより、様々な合計位相角差を実現できる。特定の結晶化度勾配を再構成するのは用意であり、異なる合計位相角差を持った新しい勾配を形成できる。すなわち、異なる角度ずれを形成できる。また、再構成は高速である。本発明において、非結晶相の冷却はナノ秒以下で発生し、結晶化は１０〜６０ｎｓの時間スケールで発生する。これら速度は、ＭＥＭＳシステムの物理的動作速度より数倍高速である。本相変化材料は、多くの再構成にわたって安定である。本発明者は、例えば相変化材料の非結晶状態と結晶状態との間の可逆的相互変換は、少なくとも３ｘ１０８サイクルに渡って維持できると予測する。
【００５７】
データセルを含む実施例において、結晶化度勾配は、その結晶化度勾配を含むデータセル中のデータセル間の平均部分結晶化度における変化と見なせる。結晶化度勾配は、少なくとも２つの隣接データセルを含み、これらデータセルは平均部分結晶化度が異なる。異なる平均部分結晶化度は、２以上の隣接データセルの各々に、異なるサイズの非結晶マークを形成することで実現できる。結晶化度勾配は、いくつかの連続するデータセルに渡って延びても良い。本発明の位相角制御静止要素は、１以上の結晶化度勾配を含むことができ、この勾配は１以上の方向に延びても良い。
【００５８】
これまでの説明は反射に重点を置いたが、本発明の位相角制御静止要素の原理が提供する広い能力は、入射電磁輻射の波面処理もできる。反射および非正反射に加え、本要素は波面の集束、脱集束、成形、および修正を提供すべく構成できる。本要素の代表的実施例および適用例を以下に例示説明する。
【００５９】
実施例１
本例は、結晶化度の体積分率が相変化材料の位相角変化に及ぼす影響を示す。本例が考察する相変化材料はＧｅ４ＳｂＴｅ５である。この相変化材料を内蔵した光学スタックは、空気／Ｄ１（１０ｎｍ）／相変化材料（２０ｎｍ）／Ｄ２（１１０ｎｍ）／Ａｌ（１１０ｎｍ）／基板であり、Ｄ１およびＤ２は誘電体材料（この計算のためにＤ１およびＤ２にはＺｎＳ：ＳｉＯ２合金を使用した）であり、カッコ内は層厚である。光学スタックの合計反射率（Ｒ）、合計透過率（Ｔ），合計吸収率（Ａ）、および位相角は、波長１５５０ｎｍを有する入射電磁輻射に対して計算した。相変化材料と金属層との吸収率も計算した。前記入射波長は、遠隔通信および光データ伝送用途を考慮して選択した。この計算において、相変化材料の結晶状態の体積分率は連続的に変化する。その時、結晶部分に発生する変化は、入射電磁輻射の波長に比べて小さい。このような条件下で、相変化材料の有効光学定数は、非結晶端点と結晶端点との間で規則的に変化する。各部分結晶化度に関し、相変化材料のｎおよびｋをブラッジマンの有効媒質近似を使用して決定する。
【００６０】
本計算の結果を図２に示す。この例において、相変化層には保存位相テーパが存在しない。相変化層は本例において結晶領域と非結晶領域とを含むが、それらは均一な方法で空間的に分布している。そのため結晶化度勾配は存在しない。このような条件下では、相変化層からの正反射が期待される。本例の目的は、光学スタックにおける代表的な相変化材料の結晶状態と非結晶状態との間の位相角差を示すことである。前記計算は、位相角が非結晶端点（結晶体積分率＝０）における３２８°から結晶端点（結晶体積分率＝１．００）における２００°へ減少することを示している。従って位相角差は１２８°である。Ｇｅ４ＳｂＴｅ５が形成する結晶化度勾配は非結晶端点から結晶端点まで延び、合計位相角差１２８°を提供する。その勾配が２波長（本例において２波長は３１００ｎｍである）にわたる場合、前記式を使用し、正反射方向に対する角度ずれ±１０．２°が決定する。
【００６１】
本例において、光学スタックの位相角は、相変化材料が結晶状態にある時よりそれが非結晶状態にある時の方が高い。一般に光学スタックの位相角は、光学スタックの設計を変えれば変化する。スタック内の材料、各層の厚さ、層数、層の光学定数における相対差等は光学スタックの設計パラメータであり、これらを変えると位相角が変化する。光学スタック設計の許容度のため、所定の相変化材料組成において、相変化材料が非結晶相または結晶相の時のスタックの位相角が、結晶相または非結晶相の時のスタックの位相角よりも高いスタックを設計できる。本例の光学スタックの設計を変えることにより、当該光学スタックが例えば結晶状態にある時の方が非結晶状態にある時よりも高い位相角を示すようにできる。
【００６２】
光学スタックの結晶相および非結晶相における相対位相角は、本発明における結晶化度勾配の効果を決定する。相変化材料が非結晶状態にある時、本発明要素の位相角がより高くなり、入射電磁輻射に対して特別の効果をもたらすとすれば、同一効果を対称方向でもたらす光学スタックは、相変化材料が結晶状態にある時、より高い位相角を有する。この時、これら非結晶状態と結晶状態との位相角差は、同一の大きさである。例えば、ある要素が電磁輻射を左方向に反射するのは、相変化材料が非結晶状態の時にスタックがより高い位相角を持つ時であるなら、その要素が電子輻射を右方向に反射するのは、相変化材料が結晶状態の時にスタックがより高い位相角を持つ時である。以下において、特に明記または要求しない限り、各要素は、相変化材料が結晶状態にある時、より高い位相角を持つものとする。
【００６３】
実施例２
本例は、非正反射を生成する要素の実施例をいくつか提示する。これら要素は、図３Ａ〜３Ｄに概略的に示す。これら要素は、相変化材料における結晶化度勾配によって形成した位相テーパを含む。図３Ａにおいて、要素１００の相変化材料は、データセル１１０に分割する。各データセルは結晶部１２０と非結晶マーク１３０とを含む。結晶部１２０は結晶母材とも呼ぶ。図３Ｂにおいて、要素１５０の相変化材料はデータセル１６０に分割する。各データセルは結晶部１７０と非結晶マーク１８０とを含む。結晶部１７０は結晶母材とも呼ぶ。図３Ｃにおいて、要素２００の相変化材料はデータセル２１０に分割する。各データセルは結晶部２２０と非結晶マーク２３０とを有する。結晶部２２０は結晶母材とも呼ぶ。図３Ｄにおいて、要素２５０の相変化材料はデータセル２６０に分割する。各データセルは結晶部２７０と非結晶マーク２８０とを有する。結晶部２７０は結晶母材とも呼ぶ。
【００６４】
各実施例のデータセルは一辺が約５００ｎｍである。非結晶マークは、相変化材料の非結晶状態が存在する領域を表す。結晶状態と非結晶状態との相対比率は、図３Ａ〜３Ｄに示した実施例において１方向に変化する。ある方向におけるデータセル間の結晶状態の体積分率における変化は、結晶化度勾配を形成し、それが相変化材料における位相テーパを保存する。図３Ａの実施例において、結晶化度勾配は水平方向に発生し、結晶化度の体積分率は左から右（すなわち右方向）へと増加する。図３Ｂの実施例において、結晶化度勾配は垂直方向に発生し、結晶化度の体積分率は下方向へ増加する。
【００６５】
１以上の結晶化度勾配が発生する方向は、保存位相テーパが提供する方向性バイアスを決定する。このバイアスを最も簡単に視覚化するには、例えば法線方向の入射光を使用する。法線方向の電磁輻射が上方から図３Ａの実施例にぶつかると、反射電磁輻射は、当該要素の右方向へ向かう。反射輻射は、要素面にあるのではなく、要素面の上方で右方向に反射する。右方向の矢印１４０は、図３Ａの実施例の保存位相テーパが提供する右向きバイアスを示す。同様に図３Ｂの下向きの矢印１９０は、この実施例が提供するバイアスを示す。電磁輻射が上方から法線方向に入射し図３Ｂの実施例に衝突すると、反射電磁輻射は要素の面外部へ要素の下辺方向に伝搬する。
【００６６】
反射輻射は他の伝搬方向も可能であり、これは１以上の結晶化度勾配の方向を制御することで実現する。結晶化度勾配を反転すれば、正反射方向からの角度ずれの方向も反転する。図３Ａの実施例の各結晶化度勾配を反転し、結晶化度の体積分率が左方向に増加するようにすれば、保存位相テーパは法線方向の入射光を要素の左側方向へ向かわせる。反転した結晶化度勾配が勾配方向のみ異なる（例えばデータセル内のマークのサイズや位置は不変である）（すなわち結晶化度勾配の反転は図３Ａのページ面における１８０°の回転であり図３Ｃの実施例を提供する）とすれば、正反射方向からの角度ずれは、図３Ａの実施例と同一の大きさで、正反射方向の反対側に発生する。矢印２４０は、図３Ｃの実施例が提供する左向きバイアスを示す。本要素のこの特徴を図４に示す。ここでＰＡＣＳＥは位相角制御静止要素の略語である。図４において３００で示すＰＡＣＳＥは、図３Ａまたは３Ｃの実施例に対応する。図３Ａ〜３Ｄは要素の上面図であるが、図４は要素の側面図である。図３Ａまたは３Ｃと同様、結晶化度勾配は図４において水平方向である。図４において、Ｉは電磁輻射の入射波面の方向を示す。この波面は、例えば波長１５５０ｎｍを有する。ＡおよびＢは反射電磁輻射を示す。Ａの反射が発生するのは、部分結晶化度が左から右へ図３Ａの実施例のように増加するような結晶化度勾配の時である。Ｂの反射が発生するのは、部分結晶化度が右から左へ図３Ｃの実施例のように増加するような結晶化度勾配の時である。方向の反転以外は、反射Ｂを起こす結晶化度勾配と反射Ａを起こす結晶化度勾配とは同一である。反射輻射Ａの正反射からの角度ずれをθとすれば、反射輻射Ｂの正反射からの角度ずれは−θである。同様に、図３Ｂの実施例の結晶化度勾配を反転すれば、保存される位相テーパは、要素の上辺方向に法線方向入射光を向かわせる。この実施例は図３Ｄに示すものであり、矢印２９０はその方向性バイアスを示す。
【００６７】
本例の位相角制御静止要素の効果を図５にまとめる。図５は、２次元図であり、法線方向入射の電磁輻射の本要素からの反射方向を示す。図の面は、要素の面に対応する。法線方向の入射輻射は、上方から図の面に接近する。図５に示す各点は、法線方向入射輻射のいくつかの選択した反射方向に対応する。これら点は、反射輻射を表すベクトルの要素面への投射の端点に対応する。図５において、各反射ベクトルは共通の長さを有し、これらベクトルの投射端点の異なる位置は、反射方向の差を表す。例えば図４に示す方向ベクトルＡおよびＢは、図３Ａおよび３Ｃに示す実施例の反射ベクトルにそれぞれ対応する。これら反射ベクトルは、共通の長さを有する。これら反射ベクトルの端点の投射は、図５において３Ａおよび３Ｃの点を作る。
【００６８】
２つの角度測定を使用して反射方向を特徴付けることができる。反射角と方位角である。反射角は、要素の法線に対して、あるいは要素の面に対して測定できる。例えば図４における角度θは、要素の法線に対する反射ベクトルＡの反射角に対応する。そして角度９０−θは、要素の面に対する反射角である。方位角は、特定の反射角を有する複数の反射ベクトルに関する。この複数の反射ベクトルは、要素の法線を中心とした回転円錐を定義すると見なせる。要素の法線を中心として例えば図４の反射ベクトルＡを回転すると、円錐を形成する。円錐の端部から円錐の基部へ向かうベクトルは、同一の大きさの反射角を有する異なる反射ベクトルである。
【００６９】
図５に示す２次元図は、本例の要素が実施可能な代表的反射ベクトルの反射角と方位角とを示す。反射角は、図５の原点からの位置によって区別する。原点は、要素面に垂直な反射に対応する。法線方向の入射電磁輻射の場合、原点は正反射に対応する。原点からの距離が増加するに従い、法線に対する反射角は増加する。原点に近い点に関連する反射は、法線に近い反射に対応する。原点から遠い点に関連する反射は、法線方向から大きくずれた反射に対応する。反射角が共通の各点は、図５の２次元図において円を形成する。同一円上の異なる点は、異なる方位角に対応する。方位角は、基準軸に対して測定できる。図５において、軸０°を基準軸として選択する。この基準軸上の全ての点は、方位角０°を有する。方位角９０°、１８０°、２７０°に対応する軸は、図示の通りである。中間の方位角は、軸間の点に対応する。
【００７０】
図５に示す各点は反射ベクトルに対応し、適切な方向および結晶化度勾配を有する位相テーパを格納することによって実現する。マークパターンを変えることにより、図５の面内におけるあらゆる点に対応する反射ベクトルを提供できる。図示の点は代表的なものであり、これら点を選択したのは本発明の範囲を制限するためではない。図３Ａ〜３Ｄの実施例に対応する点を図５に示した。これら点の位置は、実施例に関して説明した方向性バイアスに一致する。他の代表的な点も、相変化材料に適切なマークパターンを形成することで得られる。例えば方位角０°を有する各点は、図３Ａの実施例の結晶化度勾配を変更することにより得られる。結晶化度勾配は、強さを有すると考えても良い。結晶化度の強さとは、単位距離当たりの部分結晶化度の変化である。弱い結晶化度勾配は、部分結晶化度における勾配変化が、強い結晶化度勾配よりも少ない。方位角０°を有し図３Ａの実施例に対応する点よりも原点に近い点は、図３Ａの結晶化度勾配を弱めることによって得られる。弱めるには、図３Ａの実施例の結晶化度勾配を再構成する。この場合、左から右方向へのデータセル間の部分結晶化度の増加が、図３Ａの実施例より小さくなるように再構成する。弱めた結晶化度勾配が生成する反射は、法線方向に対するその反射角が図３Ａの実施例よりも小さい。このような反射は方位角０°であり、原点と図５の点３Ａとの間に存在する。点３Ａよりも原点から遠くに位置して方位角０°を有する各点は、図３Ａの実施例よりも強い結晶化度勾配を有する。図３Ａの実施例の水平方向結晶化度勾配は、不完全非結晶状態から不完全結晶状態へと延びる。この結晶化度勾配を再構成して、例えば図３Ａの水平距離内で完全非結晶状態から完全結晶状態へ延ばすことができる。これは、図３Ａの実施例の結晶化度勾配の強さを増加する１方法である。同様のことが図３Ｂ〜３Ｄの実施例にも行える。
【００７１】
従って結晶化度勾配の強さに影響を与える因子は、位相テーパ内における最大および最小部分結晶化度を有する各マークの部分結晶化度と、これらおよびその他のマーク間の距離とを含む。本実施例では特に図示しないが、完全に非結晶または完全に結晶であるデータセルも本発明の範囲であり、それを使用して結晶化度勾配を形成できる。本例の各実施例の結晶化度勾配は、１方向へ単調に増加または減少する。他の実施例を以下に説明する。これら実施例において、結晶化度勾配は特定方向へ任意に変化する。以下においては、１以上の方向に結晶化度勾配が発生する実施例も説明する。
【００７２】
結晶化度勾配の強さに加え、位相テーパの方向も反射方向に影響を与える。位相テーパの方向は、ここにおいて要素のピッチとも呼ぶ。このピッチは、要素内における相変化材料の部分結晶化度が増加する方向として定義できる。例えば図３Ａの実施例は、方位角０°方向にピッチがあると言える。要素のピッチは、反射ベクトルの方位角に影響を与える。図３Ａ〜３Ｄの実施例に示す要素は、方位角０°、９０°、１８０°、２７０°にピッチがある。中間の方位角は、本静止要素のピッチを変えることにより得られる。例えば図６が示す要素３５０のピッチは、方位角４５°を有する反射を提供する。図６の要素が含む相変化材料は、データセル３６０に分割する。各データセルは結晶部３７０と非結晶マーク３８０とを含む。結晶部３７０は結晶母材とも呼ぶ。３ドットセット３９０は、パターンの連続を表す。要素のピッチおよび結晶化度勾配を制御することにより、図５の面内のあらゆる点に対応する反射を実現できる。
【００７３】
図７に示すように、非法線方向からの入射電磁輻射についても、正反射方向からの角度ずれに対するのと同様の効果を発生する。図７のＰＡＣＳＥは図４のＰＡＣＳＥと同一であり、図３Ａまたは３Ｃに示す実施例のいずれかに対応する水平方向結晶化度勾配を有する。図７において、入射電磁輻射Ｉは、非法線入射角度から接近する。一方の点線はＰＡＣＳＥの法線方向を示す。他方の点線０°は正反射からのずれが無い方向を示し、図５の原点に等しい。図４に示した通り、反射Ａは、図３Ａの実施例のように部分結晶化度が左から右へと増加するような水平方向結晶化度勾配である時に発生する反射である。反射Ｂは、図３Ｃの実施例のように部分結晶化度が右から左へと増加するような水平方向結晶化度勾配である時に発生する反射である。正反射からの角度ずれは同一の大きさであるが、図７に示すように正反射方向の両側で発生する。従って角度ずれはθおよび−θである。
【００７４】
結晶質の相変化材料内における非結晶マークの分布は、以下においてマークパターンと呼ぶ。本例の要素内のマークパターンを制御することにより、位相テーパの方向および結晶化度勾配を制御できる。従って入射電磁輻射の伝搬方向の制御は、反射角と方位角とを制御することで実現できる。これは、法線方向および非法線方向から接近するいずれの入射電磁輻射にもあてはまる。位相テーパの効果を高めるには、入射電磁輻射の波長は少なくともデータセルの直線寸法（例えば横寸法、断面方向寸法等）と同一にすべきである。この条件は、入射電磁輻射が各非結晶マークを分離することを確実に防止し、有効平均だけが観測されるようにし、滑らかな位相角のテーパを入射電磁輻射に印加する。これにより高次の回折ローブを確実に防止する。本例において、データセルは約５００ｎｍの横寸法を有する。従って本例の各実施例は、少なくとも５００ｎｍの波長を有する電磁輻射が好ましい。少なくとも１０００ｎｍの波長を有する電磁輻射がより好ましく、少なくとも１５００ｎｍの波長を有する電磁輻射は最も好ましい。以下に詳細に説明するが、データセルは任意の形状を持つことができる。例えば円形、楕円形、長方形、三角形、六角形であるが、これらに限定するもではない。入射電磁輻射の波長は、それら形状の直径、高さ、断面距離等の直線寸法よりも大きいことが好ましい。
【００７５】
実施例３
本例の本発明に基づく要素は、電磁輻射の集束および脱集束を提供する。この要素が含む位相テーパは、相変化材料内の結晶化度を適切に勾配させて形成する。集束および脱集束は、結晶化度勾配を含むマークパターンを有する要素によって実現する。この結晶化度勾配は、１方向に単調に増加または減少するものではない。２以上の方向に結晶化度勾配を有する要素によって集束および脱集束を実現することもできる。
【００７６】
集束要素の一実施例を図８Ａに示す。集束要素４００は、データセル４１０に分割した相変化材料を含む。各データセルは結晶部４２０と非結晶マーク４３０とを含む。結晶部４２０は結晶母材とも呼ぶ。要素４００は、図８Ａの面の垂直方向に結晶化度勾配を含む。部分結晶化度は、図８Ａに示すように要素の中央２列において最大であり、要素の上部および下部に向かって減少する。
【００７７】
本例の結晶化度勾配は、入射電磁輻射に単純な方向性バイアスを提供するのではなく、結晶化度勾配の方向に集束効果を提供する。集束バイアスは、矢印４４０および４５０によって概略的に示す。入射電磁輻射に対する図８Ａの実施例の効果は、その断面の一方向に波面を集束することであり、その断面の多方向には集束しない。図８Ｂは、円形断面を有する入射電磁輻射に対する図８Ａの実施例の効果を示す。図８ＢにおいてＩは入射電磁輻射を示し、Ｒは反射電磁輻射を示す。入射電磁輻射は、水平断面４７０と垂直断面４６０とを有する。円形断面を有する入射電磁輻射が要素４００に対して例えば図８Ａの上方左側（例えば方位角１８０°方向から伝搬、方位角については前記説明の通り）から来れば、反射輻射は図８Ａの上方右側へ向かい（例えば反射輻射は方位角０°へ向かう）、図８Ｂに示すように実質的に楕円断面を有する。入射した円形断面は、その水平方向に沿って集束し、反射輻射において水平断面４８０を提供する。これは入射輻射の水平断面４７０よりも小さい。反射輻射の垂直断面４９０は、入射輻射の垂直断面４６０と実質的に同一である。円形断面を有する入射光を図８Ａの要素に入射する際、その入射方向が図８Ｂに示すように要素の上側（例えば方位角９０°）または下側（例えば方位角２７０°）からであれば、集束は水平断面ではなく垂直断面に沿う。図８Ｃはそのような断面の変化を示す。
【００７８】
前記集束例は水平および垂直断面の集束を示したが、本発明の原理を使用することにより、あらゆる断面に沿った集束が可能である。入射電磁輻射の方位角の変化、および／または本要素のピッチの変化は、任意の断面方向に沿った集束を提供する。
【００７９】
本例の実施例が提供する集束は、集束方向に対して対称である。例えば図８Ｂにおいて、集束は水平断面に沿って発生する。水平断面に対しての集束は対称であり、反射断面の左半分および右半分は、中心垂直面に対して互いに重なる。同様に図８Ｃに示す集束も集束方向に沿って対称である。対称的集束は、反射ビームの断面に対称中心が存在することが特徴である。本例の対称的集束は、図８Ａの実施例の面に対して垂直な２つの対称面が存在することの結果である。（これら２つの対称面は、図８Ａに示した要素を垂直方向および水平方向に２分する。）２つの対称面の存在は、図８Ａの要素に形成した特定マークパターンに固有である。図８Ａの実施例よりも少ない対称面を有する非対称マークパターンは、非対称集束効果を提供する。この場合、円形断面を有する入射電磁ビームは、反転対称を持たない断面を有する非対称反射ビームとなる。非対称反射ビーム断面の一例は、水平に集束したビームであって一方の側（例えば左側）の曲率が他方の側（例えば右側）の曲率と異なる。このような非対称反射ビームを生成する要素は、例えば図８Ａの実施例から最上段列のマークを除くか変更することによって形成できる。一列のマークの除去あるいは変更は、集束要素の垂直対称面を取り去るので、方位角１８０°から入射する円形断面入射ビームの左右側の差分集束を実現する。
【００８０】
集束の度合いは、結晶化度勾配の強さによる。強い結晶化度勾配は大きな集束を提供し、弱い結晶化度勾配は小さな集束を提供する。集束における非対称の度合いの変化は、要素の異なる部分における結晶化度勾配の相対強さを制御することによって実現できる。
【００８１】
電磁輻射の断面をより柔軟に制御するには、２個以上の本要素を組み合わせる。この場合の各要素は、特定集束効果を提供すべく構成または配置する。例えば図８Ａに示す要素を２個組み合わせて使用すれば、２つの断面に沿った対称集束効果を提供できる。例えば図８Ａの要素を図８Ａに示すように配置し、それと組み合わせて、同じ要素を図８Ａに対して９０°の方向に配置する。円形断面を有する電磁輻射が図８Ａのように配置した要素に接近すると、前記した通り、図８Ｂのような水平断面に沿った対称集束効果が発生する。この反射ビームを入射電磁輻射として第２要素に導入すると、垂直断面に沿った対称集束がさらに発生し、２要素組合せの正味結果は、小径を有する円形ビームとなる。この径は、第１要素に入射した元の電磁輻射の円形ビーム径より小さい。同様の対称および非対称集束効果は、１以上の方向において異なる結晶化度勾配強さ、異なるピッチ、および／または異なる入射方向を有する各要素を組み合わせれば実現できる。
【００８２】
本例の原理は脱集束機能も提供する。脱集束は、入射ビーム断面を１以上の方向に拡大する効果である。その効果を実現する要素は、集束要素に比較すると、結晶化度勾配の部分結晶化度が逆方向に増加する。例えば図８Ａに示す集束要素の結晶化度勾配を逆にすれば、図８Ｄに示す脱集束要素が得られる。脱集束要素５００は、データセル５１０に分割した相変化材料を含む。各データセルは結晶部５２０と非結晶マーク５３０とを含む。結晶部５２０は結晶母材とも呼ぶ。要素５００は、図８Ｄの面の垂直方向に結晶化度勾配を持つ。図８Ｄに示すように、部分結晶度は要素中央の２列において最小であり、要素の上部および下部に向かって増加する。
【００８３】
本例の結晶化度勾配が入射電磁輻射に与える脱集束効果は、結晶化度勾配の方向に発生する。脱集束バイアスは、矢印５４０および５５０が概略的に示す通りである。図８Ｄの実施例の入射電磁輻射に対する効果は、波面をその一断面方向において脱集束するものであり、その断面の他の方向には影響しない。脱集束効果は、断面が増加する効果である。円形断面を有し方位角１８０°から接近する入射電磁輻射への脱集束要素５００の効果は、水平断面を増加させることであり、垂直断面には影響せず、左右が上下よりも広い反射断面を提供する。垂直断面の脱集束も実行可能であり、これは方向角９０°または２７０°からの入射電磁輻射を使う。前記した集束の場合と同様、任意の断面に沿った脱集束または非対称脱集束を行うには、入射方向、結晶化度勾配の方向、要素ピッチ等の１以上を制御する。脱集束要素は組み合わせて使用しても良い。
【００８４】
本例において説明した集束要素および脱集束要素の実施例は、円形断面を有する入射ビームを考慮したが、本例が提示する原理は、任意の断面を有する入射ビームにも適用可能である。対称断面、非対称断面、平坦波面、非平坦波面、またはゆがんだ波面を有する入射電磁輻射を使用することも、本発明の集束要素、脱集束要素、および反射要素の範囲内である。
【００８５】
実施例４
本例においては、単一要素を使用した対称集束および脱集束を説明する。対称集束および脱集束は、円形対称なマークパターンを有する位相角制御静止要素で行うことができる。例えば少なくとも２次元において中心点に対して対称な結晶化度勾配を有する要素は、対称的な集束または脱集束を提供できる。代表的な例として、図９に要素６００を示す。この要素は相変化材料を含み、結晶部６１０と円形パターンに配置した非結晶部６２０とを有する。結晶化度勾配は、要素面内においていくつかの方向に存在し、中心点に対して対称である。マークパターンは同心円パターンである。各同心円にマークを追加しても良い。
【００８６】
図９の要素が入射電磁輻射に与える効果は、対称集束である。結晶化度勾配は、部分結晶化度が半径方向内側へ増加している。従って本要素の方向性バイアスは、入射電磁輻射ビームの断面をいくつかの方向において対称的に減少させる。円形断面を有する入射ビームは反射し、その反射ビームはより小さな径を有する実質的に円形な断面を有する。集束度は、パターンの各半径方向における結晶化度勾配の強さを変化することで制御する。半径方向における結晶化度勾配を反転させ、パターンの中心から半径方向外側へ部分結晶化度が増加するようにすれば、電磁輻射の入射ビームを対称的に脱集束する要素が得られる。この場合、円形断面を有する入射ビームは反射して反射ビームを提供し、この反射ビームは実質的に円形断面を有し入射ビームよりも径が大きい。異なる断面方向に沿って集束度を変化させることも可能であり、これは１以上の方向における結晶化度勾配の強さを変化させることによって実現する。図９の実施例において、結晶化度勾配の強さは、いずれの半径方向も同一である。半径方向によって結晶化度勾配の強さの変化を異ならせる実施例も本発明の範囲内である。このような実施例は、入射電磁ビームの断面を非対称に変更する。
【００８７】
実施例５
本例は波面修正である。前記例において説明した原理は、電磁輻射の波面、断面、伝搬特性等を処理または操作する機能であった。そこで考察した特定例は本発明の位相角制御静止要素の比較的簡単な応用であった。それらは単純な反射、方向転換、集束、および脱集束効果を提供し、それらの効果は入射電磁輻射の波面、断面等の特性と要素のマークパターンとの組合せで決まった。
【００８８】
本発明の範囲はさらに、任意の波面、断面、強度分布を有する入射電磁輻射を含むと共に、任意のマークパターンを有する要素を含む。任意のマークパターンとは、非対称パターン、可変強さを有する結晶化度勾配、局所結晶化度勾配等である。このようなマークパターンは、全体的または選択的に入射電磁輻射を整える機能を提供する。例えば入射波面の収差を修正する必要性は高い。例えば平坦であるべき波面がゆがんでいれば、波面平面性からのずれが生ずる。このようなゆがみは、本発明の範囲で除去可能である。そのための要素は、ゆがんだ入射波面に対し、ゆがみ点に局所的に作用する。そのゆがみを補償しながら（例えばそのゆがみに対して反対相を提供したり、他の相殺効果を有する修正的ゆがみを提供する）、そのゆがみから離れた波面部分に影響を与えない。例えばこのような要素は、位相テーパを保存していない大きな領域を有し、それに組み合わせて位相テーパを保存した局所領域を有する。この保存位相テーパは、入射波面におけるゆがみを除去あるいは修正すべく設計する。この局所位相テーパは、方向転換、集束、脱集束、位相角変更等を通してゆがみに作用し、そのゆがみが所望波面特性を満足するようにする。任意のゆがみを修正または補償するようにした特定マークパターンは、１以上の結晶化度勾配の方向、強さ、長さ等を制御することにより設計する。２以上の局所位相テーパを有する要素を使用し、入射波面における２以上のゆがみを修正しても良い。
【００８９】
実施例６
本例はマークパターンを形成する装置である。良好な形状および位置を有するマークを形成すれば、本発明に使用する保存位相テーパは柔軟性を持ち良好な制御を可能にする。特定サイズおよび寸法を有するマークの形成に関する考察は、参照によりここに組み込んだ前記米国特許第４，６５３，０２４号、第４，７１０，８９９号、第４，７３７，９３４号、第４，８２０，３９４号、第５，１２８，０９９号、第５，９１２，１０４号、第５，９３５，６７２号、第６，０１１，７５７号、および米国特許出願第１０／０２６３９５号および第６０／３１６５６６号が開示する。さらなる情報は、デイビッド・ブイ・ツおよびデイビッド・ストランドによる光データ記憶２００１（編集ティー・ハーストおよびエス・コバヤシ）、ＳＰＩＥ第４３４２号第１２４頁以降（２００２）に開示がある。この開示は参照によりここに組み込む。これら参考文献は、実質的な結晶状態と実質的な非結晶状態との間で相変化材料を可逆的に変換する能力を広く説明している。この変換は、例えば適切な波長、強さ、パワー、および時間プロファイル（例えばパルス幅）を有する光励起源を使用する。印加エネルギの速度、量、空間分布、および時間特性と、マーク形成処理のサーマルバジェットとを適切に制御することにより、相変化材料の結晶母材内に形成する非結晶マークの形状、寸法、および体積を適切に制御できる。
【００９０】
本発明において、マークを形成する電磁輻射の波長は、本発明の要素が処理する入射電磁輻射の波長よりも短いことが好ましい。マークを形成するために使用する電磁輻射の波長はアドレッシング波長と呼び、本要素が処理する入射電磁輻射の波長は動作波長と呼ぶ。短いアドレッシング波長は、次の関係により、小さいマークの形成に都合がよい。
【数８】
2005536776.tif 000010
【００９１】
ここでｄｍａｒｋは読み取り解像度に関係する固有マーク寸法であり、λはアドレッシング波長であり、ＮＡは対物レンズの開口数である。このレンズはアドレッシング電磁輻射を提供するために使用する。ＮＡは、アドレッシングに使用する光学系に依存する。所定光学系について、固有マーク寸法は、アドレッシング波長の減少と共に減少する。従って短いアドレッシング波長は、マークサイズ、形状、および位置決めのより微細な制御を提供する。前記した通り、動作波長はマーク形状サイズより長いことが好ましい。それにより、動作波長は各マークを個別に分解せず、有効平均を提供する。
【００９２】
前記した固有マーク寸法は、マーク形成において考慮すべき一つの因子である。考慮すべき他の重要な因子は、マーク形成の時間特性である。固有マーク寸法は、即座に実現できるものではなく、時間を掛けて成長する。マーク形成電磁輻射への相変化材料の暴露時間を制御することにより、マークサイズを制御でき、前記固有マーク寸法よりも小さな寸法を有するマークを実現することもできる。マーク形成処理のさらなる詳細は、前記組み込んだ参考文献を参照できる。
【００９３】
マークを形成するための代表的な装置を図１０に示す。好適実施例において、マークは光学手段によって形成する。多数のアドレッシング光ファイバを個別に制御し、アドレッシング光を相変化材料または相変化材料中の各データセルへ供給する。図１０の実施例において、波長６５０ｎｍ（０．６５μｍ）の光をアドレッシング光として使用し、１以上のアドレッシングファイバ７００を介して伝送する。これらアドレッシングファイバは、光ファイバ束７１０に含まれる。前記アドレッシング光は、レーザによって提供することが好ましく、より好適にはパルスレーザによって提供する。１または複数のアドレッシング光源を使用できる。単一光源の場合、データセル毎に走査してマークパターンを形成する。好適実施例において、各アドレッシングファイバに１つのパルスレーザ源を使用する。複数のアドレッシング光源を使用することが好ましく、その理由は単一アドレッシング光源を走査するための物理的移動が不要だからである。物理的移動は遅いため、マークパターン形成に必要な時間を制限する要因となる。複数のアドレッシング光源を使用すれば、マーク形成時間が短縮し、全体速度が向上する。
【００９４】
アドレッシング光は、一連の光学要素を通り、最終的に本発明に基づく位相角制御静止要素に集束する。図１０の実施例において、光学要素は、コリメータレンズ７２０と０．６ＮＡの対物レンズ７３０とを含む。前記アドレッシング波長と対物レンズとの組合せを使用する場合、固有マークサイズの上限は約５４０ｎｍであり、図１０のＰＡＣＳＥ７４０内のデータセル用のサイズ５００ｎｍに適合する。アドレッシングファイバ７００が７０μｍ間隔であれば、前記光学要素の全体倍率は約１００となり、データセル寸法５００ｎｍを確立する。固有マークサイズ上限より小さな寸法を有するマークは、例えばレーザパルスのパワーと持続期間とを適切に選択することで形成できる。パルスレーザが提供する６５０ｎｍのアドレッシング波長を使用し、本発明者は直径１５０ｎｍの小さなマークを形成した。従って広い範囲のマークサイズを利用して、結晶化度勾配を形成できる。
【００９５】
図１０の実施例における入射電磁輻射は１．５５μｍ（１５５０ｎｍ）の波長を有し、入力ファイバ７５０から提供する。入射輻射は入力ファイバを出ると、０．２５ＮＡレンズ７６０を通り、ＰＡＣＳＥ７４０へ向かう。ＰＡＣＳＥ７４０は、相変化材料を含み、前記した原理に基づき反射輻射の特性および伝搬を制御する。図１０の実施例において、反射輻射はＮ方向の内の１つに向かい、レンズ７７０によって集束され、一連の出力ファイバ７８０の１つに入る。ＰＡＣＳＥ７４０の位相テーパを再構成することにより、Ｎ方向のいずれにも反射可能であり、Ｎ出力ファイバのいずれか１つによる収集が可能である。従って図１０の装置は、ビーム操縦能力を提供し、１ＸＮビーム操縦スイッチと呼ぶことができる。これは、１本の入力ファイバがＮ本の出力ファイバのいずれか１つに向かう電磁輻射を提供できるからである。相変化材料内のマークパターンを制御して位相テーパを制御し、それによって位相角制御静止要素を再構成する。この再構成は、可動部品を必要としないビーム操縦能力を提供する。これが本発明のすぐれた特徴である。
【００９６】
図１０の実施例はマーク形成装置の一例であり本発明の範囲内である。他のあるいはさらなる光学部品を有する装置によってアドレッシング電磁輻射を位相角制御静止要素に供給しても良い。これも本発明の範囲内である。例えばビームスプリッタ、偏光素子、フィルタ、ダイクロイック素子、レンズ、プリズム、これらの組合せを含む装置により、アドレッシング電磁輻射の断面、強さ、偏光、伝搬方向等の特性に影響を与えても良い。
【００９７】
アドレッシングファイバの配置構成と位相角制御静止要素のデータセル構成との間の対応を提供することが好ましい。アドレッシングファイバの配置密度を高めるには、光ファイバ束内において六角配置にすればよい。六角配置のアドレッシングファイバを使用する場合、データセルの形状を六角形にすることが好ましい。これは例えば、マーク中心を三角格子にすることで実現できる。光ファイバ束内のアドレッシングファイバの正方配置は、正方形のデータセルに好適である。アドレッシングファイバの配置およびデータセルの配置は任意で構わず、以下に詳細を説明する通り、データセル自体は不要である。
【００９８】
他の好適実施例において、マーク形成装置は診断機能を提供する。前記原理に基づき入射電磁輻射の制御を行うに当たり、それに必要なマークパターンを実現するには、マークのサイズ、形状、および位置を精密に制御する能力が必要である。マーク形成中にマーク特性を検証できること、およびマーク形成行程を改良し、変更し、修正するために使用可能な診断フィードバックを提供できることが好ましい。それによってマークパターンが入射電磁輻射に特定の効果を生ずるために必要な仕様を保証する。
【００９９】
本発明において、診断機能はアドレッシング波長における反射性のコントラストを介して実現できる。多くのアドレッシング波長において、ほとんどの相変化材料の非結晶状態および結晶状態は異なる反射性を示す。この反射性の差を利用して、相変化材料の結晶部と非結晶部とを区別できる。例えば反射性コントラストを使用し、結晶母材内に非結晶マークの境界を検出する。マーク形成中にマーク境界の成長を監視することにより、所望の形状特性と位置とを有する各マークを形成し、特定効果の実現に必要な結晶化度勾配または位相テーパを確実に提供する。
【０１００】
アドレッシング電磁輻射の一部は、相変化材料との相互作用によって反射し、元の方向に方向転換する。アドレッシング電磁輻射を出射するための光学要素にビームスプリッタを含めることにより、反射アドレッシング輻射をＣＣＤ（電荷結合素子）等の検出器へ向かわせ、監視できる。検出した反射強さと結晶相および非結晶相の反射強さとを比較することにより、その反射アドレッシング輻射を生成した相変化材料が結晶状態にあるのか非結晶状態にあるのかの指標を提供できる。この情報は、アドレッシングシステムにフィードバックし、マーク形成行程をそれに従って調整し、適切なマーク位置決めと特性とを保証できる。例えばアドレッシング輻射を提供するために使用するレーザの位置決め、パワー、パルス期間等は、反射データのフィードバックに応じて調整できる。各マークおよび／またはデータセルを検証する能力は、アドレッシング輻射を用いて実現できる。その理由は、この輻射が十分に短い波長を有し、光学系と組み合せることにより、相変化材料内の各領域またはマークを分析できるからである。一方、動作波長は、各データセルを分解できず、前記したように平均を提供する。
【０１０１】
さらに他の実施例は、相変化材料の両側にアドレッシング電磁輻射と動作電磁輻射とを別々に印加する。この場合、動作輻射の入射角は、より大きく変化できる。なぜなら、要素への空間アクセスがアドレッシング構成部品による部分的妨害を受けないからである。要素の一側にアドレッシング構成部品を配置し、他側から動作輻射を導入することにより、動作電磁輻射は入射角の全範囲を利用できる。
【０１０２】
前記した例および実施例は、本発明の代表的なものである。本発明範囲の全ての例および実施例に広くあてはまるコメントをいくつか追加する。第１に、前記した多くの例および実施例はデータセルを含むが、データセル自体は本発明の実施に必要ではない。データセルは、位相角制御静止要素が含むマークパターンの定義、形成、説明、および／または局所化に有用な要素である。いくつかの前記例は正方形のデータセルを含む。これらデータセルは無くても良い。入射電磁輻射に対して本要素の効果を提供するのは、マークパターンである。例えば前記例４の実施例は、データセルを含まない。データセルを含む場合、正方形である必要はない。長方形、三角形、六角形、およびその他形状のデータセルも動作可能であり、完全に本発明の範囲内である。前記例６は、例えば六角形または三角形のデータセルが有利である状況を説明している。また、データセルを含む場合、マークをその中心に置く必要はない。データセルの中心位置から外れたマークも本発明の範囲内において動作可能である。マークの形状は任意であり、前記実施例のいくつかで示したような円形である必要はない。
【０１０３】
第２に、本要素の重要な利点はマークパターンの再構成機能である。これにより、物理的動作を必要とせずに極めて短時間に性能を変化、調整、修正できる。再構成は、要素の位相テーパ特性を制御することによって行う。これは、１以上の方向における結晶化度勾配を制御することで行う。結晶状態と非結晶状態との間で相変化材料を可逆的に変質する能力は、本要素に動的再構成能力を提供する。前記例６で説明したマーク形成装置を使用することにより、マークパターンを高速に再構成し、本要素の機能を動的に変化できる。反射方向、集束／脱集束特性、波面修正機能等を変えるには、再構成を行う。要素は、初期において例えば反射方向を制御するように構成し、それを再構成して異なる反射方向または異なる集束度または異なる波面収差修正を行う機能を提供できる。本要素は、多目的の波面処理機能を提供し、それによって入射電磁輻射に様々な効果を提供できる。前記した通り、これら効果は方向転換、操縦、集束、脱集束、波面修正、およびそれらの複合を含む。複合的効果は、例えば入射電磁輻射波面を操縦すると共に集束する効果であり、かかる効果を提供する要素は本発明の原理によって容易に実現できる。
【０１０４】
第３に、本要素が含む相変化材料は、単独で、あるいは１以上の追加層と組み合せた光スタックとして使用できる。この追加層は、誘電体層、反射層、保護層、基板等を含む。前記した例１は、本発明の範囲内の光スタックの一例を示す。相変化材料は、層の形態で存在する必要はない。相変化材料の遊離した領域を適切に周囲媒体内に分散させ、本発明に基づく位相角制御静止要素を提供することもできる。
【０１０５】
ここに記載した開示および説明は、例示的なものであり、本発明の実施を制限する意図はない。多くの等価物および予測可能な変更も本発明の範囲内である。以下の請求の範囲とその全ての等価物および前記開示が本発明の範囲を定義する。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は散乱中心からの電磁輻射の反射を示す図である。
【図２】図２は代表的な相変化材料の反射、透過、吸収、および位相角特性を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明に基づく位相角制御静止要素を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明に基づく位相角制御静止要素を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明に基づく位相角制御静止要素を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明に基づく位相角制御静止要素を示す図である。
【図４】図４は本発明に基づく位相角制御静止要素からの反射を示す概略図である。
【図５】図５は本発明に基づく位相角制御静止要素からの代表的な反射方向および角度を示す概略図である。
【図６】図６は４５°の方位角方向に対応するピッチを有する本発明に基づく位相角制御静止要素を示す図である。
【図７】図７は本発明に基づく位相角制御静止要素からの非垂直入射電磁輻射の反射を示す概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明に基づく集束要素を示す概略図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは円形断面を有する入射ビームに対する図８Ａの集束要素の効果を示す概略図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは円形断面を有する入射ビームに対する本発明に基づく脱集束要素の効果を示す概略図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは本発明に基づく脱集束要素を示す概略図である。
【図９】図９は本発明に基づく円形対称集束要素を示す概略図である。
【図１０】図１０はマークを形成するためのアドレッシング装置を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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