強散乱媒質と光反応材料の組み合わせによる光記録効果
栗田 厚
大阪大学 大学院理学研究科 物理学専攻〒 xE(T((;n 豊中市待兼山町 dTd!}${sj 88Bk &{ Ak s {B8A$ts$Bt BP RBtjk R{s$t 8I$s stI}YBBs{$% 8s$sjRVZR$ =iyqV*}s8t BP _YkR${R psIZs 7{YBBj BP 7{$t{ !Rs,s =t$%R$ks{Y$,stks8s{YB dTd qBkBts,s xE(T((;ndむしろホログラフィに似た効果である。そのため、このはじめに効果は、n 次元光情報記録方法の一つとして、高密度の光情報記録への応用も期待される。

今まで、高度な機能を持つ光学素子の大多数は、均質な、または精密に制御されたミクロな構造を持つ光学材1

料を必要とした。そもそも、光をランダムに散乱するような不均質な媒質は、機能や測定の妨げになることはあっ材料ても、それが独自の有用な機能を生むとは考えにくい。

「多重散乱光の干渉による光記録効果」は、光を強くしかし最近、光を強く散乱する媒質にレーザー色素を混散乱する媒質に光反応材料を混ぜ込んだ複合材料においぜ込み、これを光ポンピングすると、レーザー発振のよて観測される。光反応材料は、光照射によって蛍光強度

うなしきい値を持つ線幅の狭い発光線が、共振器が無いが変化するものが、検出感度や定量的解釈の上で望ましのに現われる、「ランダムレーザー」と呼ばれる現象が発

いが、光照射によって吸収係数が大きく変化するもなら見され dD 、その機構などに関する基礎的研究が始まってば、蛍光を発しないものでもこの効果は観測できる。

いる。この現象においては、不規則な媒質による光の多光を強く散乱する媒質とは、誘電率が光の波長程度の重散乱が、本質的な役割を果たしている。本稿では、光空間的スケールでランダムに変化し、光の平均自由行程の多重散乱によって起きるもう一つの現象として、光反が数十ミクロン以下になっているものである。修正イン

応材料を混ぜ込んだ強散乱媒質で生じる、光記録効果にクのような、光を通さないような白いものが、光の強散ついて紹介する。これは、我々が永続的ホールバーニン乱体である。強散乱体に特徴的な現象として、次のような

グ分光の研究中に発見し、「多重散乱光の干渉による光機構で生じる、コヒーレント後方散乱ピークがある nuxD 。

記録効果」と呼んでいるものである 1D 。その測定には永不均質な媒体に入射し、多重散乱されて入射光とちょう続的ホールバーニングとほとんど同じ方法を用い、見かど逆向きの方向へ返っていく光路を考えると、それに対けもそれと酷似しているが、両者の機構は全く別のものして時間反転した光路が存在する。両者の光路長は等しである。その最も明確な証拠は、この効果がホールバーいので、散乱媒質の外では必ず強め合うように干渉する。

ニングのように入射光の波長を記憶するだけでなく、光このような干渉は、入射光に対して逆向きに出ていく光の入射角（より一般的には波面）も記憶することである。

に対してだけ起きるので、強散乱媒質からの散乱光の角

これは通常のホールバーニングではあり得ないことであ度分布を測定すると、すべての角度に均一に散乱される

り、実は、多重散乱光の干渉による光記録効果は、干渉のではなく、入射光に対してちょうど反対方向への散乱パターンが記録媒体中に n 次元的に記録されるという、光が他の方向への散乱よりも強く出る。これがコヒーレd

ント後方散乱ピークである。散乱角の関数としてのピークの幅は、入射点と出射点の間の距離に反比例するため、これから試料内での光の平均自由行程を知ることができる ED 。多重散乱された波と、それを時間反転した波との干渉は、実は不規則固体中の電子におけるアンダーソン局在の原因となっているものであり、光におけるコヒー
レント後方散乱ピークは、多重散乱体内の光が「光子の局在」状態 D に近づいている兆候でもある。
現在までに、多重散乱光の干渉による光記録効果の確認されている材料は、wdD 78 を添加した t7 ナノ結晶
1, MD 、w1D フォトクロミズムを示すフルギド分子を添加したポリスチレン粉末 D 、wnD フルギドを酸化チタン微粒子 w直径 1(( t8 程度D とともに _Vwポリメチルメタ

図 dU 78 を添加した t7 ナノ結晶の、室温におけるホークリレートD で固めたもの d(D 、の n つである。t7 ナノルバーニング前 wsD と後 wAD の励起スペクトル。バーニ結晶の粒径は約 n t8 と光の波長よりも非常に小さいたング光強度は d 8G\881 、バーニング時間は x R。挿入め、ナノ結晶自身というよりも、その集合による不均一

図は式 w1D を示す。

性によって光が散乱されていると思われる。ポリスチレンは d程度の細かさの粉末にして光をよく散乱する時間保たれること、という 1 つの条件が満たされたときようにしたものであり、酸化チタンは、屈折率が高いたに起きる。永続的ホールバーニングは、光情報記録に用め、多重散乱の実験にはよく用いられる散乱体である。

いると、波長多重記録によって記録密度を飛躍的に高め

一方、光反応と蛍光を担うものは、wdD ではおそらく 1られる可能性があるが、上の条件を満たすために、通常8価の 78 で、781LnL という光イオン化反応が起は液体ヘリウム温度程度の低温が必要となるという難点

78きている。w1D wnD で用いているフォトクロミズムとは、がある。

光照射によって物質の色が可逆的に変化する現象のこと

永続的ホールバーニングの実験においては、まず試料である。フルギドは、x(( t8 付近に吸収のピークを持つの吸収スペクトルを測定する。試料が粉末状であったり、赤色の ] 体と、紫外域に吸収を持つ透明な e 体の 1 つの吸収が弱い場合は、吸収スペクトルのかわりに蛍光の励異性体を持つ有機分子で、それぞれが吸収する波長の光起スペクトルを測定する。ホールの幅が狭い場合は、スを照射すると、相互に可逆的に変換される。通常のフルペクトル測定用の光源として狭帯域の波長可変レーザー

ギドは蛍光を出さないが、蛍光性の誘導体も存在し、そを用い、レーザーの波長を掃引しながら、透過光強度まの場合は ] 体のみが蛍光を出す。したがって、] 体からたは蛍光強度を測定する。次に、スペクトル測定用の光出発すると、光照射によって e 体への変換が起こり、そよりも十分に強い単色光を一定時間あて、ホールをあけの結果として蛍光強度の減少を起こすことができる。

る。その後、再び吸収または励起スペクトルを測定し、ホールをあける前のスペクトルからの変化分を求めると、n

それがホールスペクトルとなる。

光記録効果

多重散乱光の干渉による光記録効果も、これとまった

さきに述べたように、多重散乱光の干渉による光記録

く同じ方法で測定する。ただし、散乱が強く、吸収スペク効果は、永続的ホールバーニング ddD と非常に似通ってトルは測定できないため、必然的に蛍光の励起スペクトいるので、まず永続的ホールバーニングとその実験方法

ルによる測定となる。図 d に、室温で測定した、単色光照について簡単に説明しておく。

射前と照射後の 78 添加 t7 ナノ結晶の励起スペクトル

永続的ホールバーニングは、結晶中の色中心や不純物を示す。照射後は励起スペクトル全体が減少し、さらに照中心、ガラス中の遷移金属や希土類イオン、高分子やガ射光の波長の位置に狭い凹みができている。この効果のラス中の有機色素分子などのような、固体中の局在中心機構は、永続的ホールバーニングとは異なることが後でと呼ばれる系の光学遷移において、w$D 母体の不規則性にわかるが、見かけはほとんど同じなので、光照射の過程よって生じる遷移周波数のばらつき w不均一幅D が個々のをバーニング、できた凹みのことをホールと呼ぶことにする。このホールの幅は、約 1n {8d である。同様のホー局在中心の吸収線の幅 w均一幅D に比べて十分に広く、w$$D

ルは、実験に用いた色素レーザーの発振域 dEx(( {8d光励起によって状態の変化が起こり、それが十分に長い1図 1U 入射角の関数として測定したホール。試料は 78 添
加 t7 ナノ結晶。

〜dx(( {8d の全域で観測された。実は、この測定結果は、78 添加 t7 ナノ結晶で、室温でも永続的ホールバーニングが可能かどうかを調べる過程で得られたもの
である 1D が、このホールを従来の永続的ホールバーニ

図 nU 波長と入射角をかえてあけた n つのホール。波長ング効果によるものとして実験結果を解釈しようとすると、関係する遷移の均一幅は室温でも dx {8d 以下、不均一幅は d((( {8d 以上であることになる。78 などの希土類イオンの W TW 遷移ならば、室温でもその程度の狭い均一幅を示す可能性があるが、W TW 遷移の不均一幅が d((( {8d になるとは到底考えられない。つまり、こと入射角を走査して測定した。見やすいように、上向きが蛍光強度が減少する方向としてプロットしてある。試料は 78 添加 t7 ナノ結晶。
ろで最大となり、その後減少している。図 d、図 ; に見の結果を解釈するためには、このホールが従来の永続的られるような全体的な減少も、永続的ホールバーニング

ホールバーニングとは異なる機構を考える必要がある。

では見られない現象で、多重散乱光の干渉による光記録

永続的ホールバーニングとの違いは、図 1 に示す角度効果に特有のものである。

依存性の実験で決定的になる。試料を回転ステージに載せ、レーザービームとステージの法線との間の角度を変えられるようにし、角度 (H で光を照射した後、角度を掃;

引しながら蛍光強度を測定する。励起スペクトルにおけ

光記録効果の機構

るレーザー光の波長掃引のかわりに、レーザー光の入射光反応材料自体が、永続的ホールバーニング材料のよ角を掃引するわけである。そうして測定した結果は、角うに波長を記憶する機能を持たないとしたら、この系は度 (H のまわりに励起スペクトルの場合と同じようなホーどのようにして入射光の波長を記録しているのであろう

ルがあいている。つまりこのホールは、観測時の波長のか。レーザーで、ある波長を強く発振させようとすると、みならず、入射角が照射光のそれと一致したときのみ、レーザー共振器内に立った定在波によって増幅媒体中の反観測されるものであった。図 n には、波長と角度をかえ転分布が空間的に変調され、発振させている波長とは別て n つのホールをあけ、それを波長と角度の 1 つの変数の波長で発振しやすくなり、発振波長の狭帯域化が妨げの関数として測定した結果を示す。波長軸と角度軸は同られる、空間的ホールバーニングと呼ばれる効果がある。

等に見え、観測している範囲内では複数のホールの間にそれと同様に、記録媒体自体が波長を記憶する機能を持クロストークのようなものは無いことがわかる。図 ; に、たなくても、入射光が記録媒体中に干渉縞を作り、その照射時間を延ばしていったときのホール形状の変化を示

空間的強度変化を記録媒体が記憶できるなら、干渉縞のす。照射時間とともに、ホールの底での発光強度は減少

間隔は波長によって変化するため、その系は入射光の波していくが、ホールの両側の平らな部分の全体的な減少長を記録することができる。簡単なモデルとして、記録もあるため、ホールの深さの方は、ある照射時間のとこ媒体の後ろに反射鏡を置き、記録媒体を透過して来た光n図 xU 多重散乱された光が干渉パターンを作る仕組み。入射光の中の部分波が異なる散乱経路を通り、黒丸の位置で出会っている。
する。式 w1D の形状を、U ) d、1w>j

 > D ) ? として図d の挿入図に示す。この第 1 項は、> ) >j のところの凹みを表わすので、ホールに対応し、記録光の波長を再現できることがわかる。この凹みは、読み出し光の波長が記録光の波長と一致した時に、干渉によって読み出し光の強度が強くなっている場所で、書き込みの際の光化学
図 ;U ポリスチレン粉末中のフルギドに ;MMt8 (Mx8G

反応によって吸収強度が弱くなっているため、記録媒体のレーザー光を照射し、角度掃引によって測定したホーよりも減少することによって生じる。一方、第 d 項は全全体からの蛍光強度が、ほかの波長の光を照射したときル形状。右側の数字は、積算した光照射時間。

体的な減少に対応し、第 1 項と合わせて、実験結果をよく再現している。光の入射角が変わった場合も干渉縞のを折り返して定在波を生じさせ、記録媒体中に干渉縞を間隔が変わるので、入射角も記録することができる。し作った場合を考える。記録媒体中の記録用の光の波数を>j 、進行方向を F 方向とすると、干渉縞は d  {BR 1>j F

かし、どちらの場合も反射鏡に平行な干渉縞の間隔が変と書ける。この光が記録媒体中に何らかの光反応を引きず、図 n のように、それぞれを独立に記録することはでわるだけなので、入射角の変化と波長の変化は区別でき起こし、光強度に比例した吸収強度の減少が起きるとすwd  {BR 1>j F D に比例きない。この結果も再現するためには、反射鏡のかわり {BR 1> F となる。した返すような光学素子を使ったモデルを考える必要がある。

る。すると吸収強度の変化は、する。一方、読み出し用の光が波数 > を持っているとに、コーナーキューブのような入射光を必ず反対方向にがって、長さ U の記録媒体中で吸収される読み出し光のるのであろうか。図 d の実験結果のホール幅は 1n {8dすると、それが作る干渉縞は d散乱媒質の中では、実際はどのような干渉が起きていエネルギーの、光照射しなかった場合と比較した変化分であったが、記録媒体の屈折率として t7 の値 1n をは、吸収強度の変化分と読み出し光の強度分布の積を記用い、式 w1D からこのホールを得るために必要な光路長録媒体全体で積分した値、{ w> D )lU

内には、光が d 88 近くも妨げられずに進めるような直wd  {BR 1>j F D N wd  {BR 1> FD QF wdDw

(U を求めると、約 (E 88 となる。だが散乱の強い試料>j  > DUD
U d L R$tw1w;w>j  > DU

W

線的な光路は無く、もちろん反射鏡も無い。そこでこれに代わる干渉として、図 x のように、強散乱媒質中で多w1D

重散乱され、さまざまな光路を経て来た光が出会って作で与えられる。もし記録媒体が読み出し光の照射によっる干渉を考える。これはランダムな位相を持つ多数の電て蛍光を発するものであったら、> の関数としての蛍光場の重ね合わせであるので、レーザースペックルのよう強度 v即ち励起スペクトルv の変化分も { w> D に比例に、明暗が空間的に分布したパターンができる。この干;渉パターンは入射光の波長と角度によって異なるが、こので、パルス間隔という時間的情報の記録にも用いるこれが光化学反応によって、吸収強度の空間的変化としてとができるであろう。

記録される。読み出しの際に、読み出し光の波長が記録最後に、ホールの深さについて考えてみる。ちょっと光の波長と一致したときに蛍光強度が弱くなり、ホール考えると、散乱光が干渉して何らかのパターンを作ることして観測される仕組みは、式とはあるとしても、そのようにして勝手にできた干渉でw1D のホールの場合と同じである。ホールを作る蛍光強度の減少の原因は吸収強は、それほど深いホールはできるはずがないように思わ度の減少であるので、蛍光を測定するかわりに、試料内れる。だが、実験結果からは、図で吸収されずに返って来た散乱光 コヒーレント後方散は非常に明瞭にあいており、このことは次のように理論乱でなく、広い範囲の散乱光でよい）の強度を測定すれ的に説明することもできる。

w

試料内での書き込み光強度の空間分布を、位置  の関ば、蛍光にホールが現われるのと同じ波長で、散乱光強w

DwDwD数として {  と書く。{  によって光反応が引き起こ度の増加 逆向きのホール が観測される。

され、吸収係数が照射光量の指数関数の形で減少する場

多重散乱された光の干渉によるホールの幅は、媒質に入射した光が図; に示すようにホールx のようにある場所で出会って干渉する

合、吸収係数は、0K の関数としてw-}w{ wD0 D と書けKまでの光路長の差に反比例する。見方を変えると、波長る。 簡単のため、反応の断面積などの定数が省略されるの関数としてのホール幅は、入射した光が媒質内に留まように単位系を選んだ。 このように吸収係数が空間的る時間に変調された試料に、読み出し光を照射して蛍光を励起vあるいは媒質内での光の寿命v に反比例する、と言える。d 枚の反射鏡による干渉縞のモデルでは、こDしたときの、蛍光強度を考える。読み出し光の空間分布

Iw Dの時間は、媒質に入った光が反射されて出て行くまでのを {  と書き、局所的な蛍光強度が、局所的な吸収係時間に対応する。一方、強散乱媒質の場合は、多重散乱数と励起光強度の積に比例するとすれば、試料全体から

w Dの蛍光強度 B 0K は、によって光が媒質内に長く留まり、高反射率の鏡によっu

B w0K D )て作られたファブリ ペロ干渉計内に光が長時間閉じ込められて高い波長分解能が得られるのと同様に、線幅の非-}w{ wD0 D { I wD QK

常に狭いホールが得られると考えられる。逆に、ホールで与えられる。積分は、試料全体での空間積分である。の幅や形状の解析から、散乱媒質中の光の振る舞いにつ読み出し過程で、読み出し光の波長や入射角を掃引するいて知ることができるであろう。これは、永続的ホールと、それに従って {  の関数形が変化する。ホールのバーニングにおけるホール幅 均一幅 が振動する双極子中心では、読み出し光の波長と入射角が書込み光のそれの寿命で決まり、均一幅が物性に関する多くの情報を与らと同一なので、{ 

えてきたこととよく似ている。

光の波長などが書き込みの時の条件から十分に離れていw

Iw DDI w D ) { wD となる。一方、読み出し干渉パターンは、入射角によっても変化するため、ホーる場合は、書込み光と読み出し光の試料内での空間分布ルの深さは読み出し光の入射角にも依存する。このようは互いに独立と考えられ、{ と { の積分を分離することな干渉によってホールが生じている場合は、ホールの角度ができる。したがって、図依存性の幅 角度分解能 は、コヒーレント後方散乱ピー

心での蛍光強度を B_ 、ホールから十分に離れたフラット

クの幅と同様に、媒体内で多重散乱されて拡散的に広がな部分での蛍光強度を BW とすると、それらはw

I

Dる光の、入射面上での拡散距離 q で決まり、光の波長をとすると

B_ w0K D

bq 程度になると考えられる。ホールを測定)

BW w0K D; に示すように、ホールの中-}w{ wD0 D { wD Q
-}w{ wD0 D Q { I wD QK)となる。{ wD と { I w D の具体的な形は未知であるが、その分布確率 h w{ D がわかれば、空間積分は、h w{ D で重み3づけした { による積分で置き換えられる。 ( N N N h w{ D Q{した試料について、コヒーレント後方散乱を測定してみると、ホールの角度依存性と後方散乱ピークの幅はほぼ一致した 1, MD 。この結果からも、このホールが多重散乱された光の干渉によってできていることが確かめられる。
入射角による干渉パターンの変化を一般化して考える

Kと、入射光の波面が記録されるということになる。波面を N N NX と書くと、B_ と BW はが変われば媒体中の干渉パターンも変わるので、ホログ

B_ w0K D) -}w{ N 0 D N { XB w0 D ) -}w{ N 0 DX { Xで求められる。h w{ D は、レーザースペックル d1D と同じように、多数のランダムな電場の和と考えると、h w{ D 

ラフィのような波面再生は無理であろうが、入射光の波W面の違いが区別できるはずである。また、パルス列を入射させた場合は、パルスの間隔によって媒質内でそれらが出会うタイミングが変わり、干渉パターンが変化する

xKKK になる。それを用いると、

-}w{DB_ w0K D)

BW w0K D)

1D V Z$sss q ZRY$IsU XGs%jtYT stI stjTRj{$%

dwd L 0K DwnD

1B}${sj 88Bk &{ Ak $tPt{ BP 8Zj$}jT
R{sI j$Y" _YkR i% N

dd L 0KnD O Zs stI V yRY$8sZ XiB4{st{ PB8s ItR I$R$AZ$Bt BP R}Y${sj }s${jR" F !}7B{ V8 V

ように規格化した。ホールの深さはこれらの差であるか

B_ w0K D ) 0K bwd L 0K D1 である。BW0K ) d のとき最大となり、そのとき BW wdD

B_ はB_ wdD ) (31x、_YkR i% N

Yt As{,R{s$t BP }YBBtR $t I$RBII 8Tな部分の蛍光強度の半分となる。図 ; の実験結果は、こI$s" _YkR i% Nのモデルでよく説明される。

X]BYt As{,R{s$t BP j$Y Ak I$RBII 8T

縞によるホール w式 w1DD と比較してみる。後者の場合、図である。式 w1D では光反応が光の照射量に比例するとし

I$sU

VtsjkR$R BP Y }s, j$t RYs}" _YkR i%N
D *ていたので、それに対応するように式 wnD、式 w;D で照射(xx wdMxD 1EET1E

ED e V,,8stR _ e GBjP _ e stI i sktsI

こうして得られたホールの深さを、反射鏡による干渉

dxx wdMxD 1E1T1Ex

xD _ e GBjP stI p sU XGs, jB{sj$9s$Bt stI {BTと、ホールはもっとも深くなり、その深さは、フラットに示すように、全体的な減少とホール深さの比は、1 U

X!AR%s$Bt BPbs, jB{sj$9s$Bt BP j$Y $t s stIB8 8I$Z8"の蛍光強度が光照射前の半分になるまでホールをあける

dd wdM;D MndTMnx;D  _ VjAsIs stI V NstI$`,U

BW wdD ) (3x である。つまり、ホールから離れたところで時間が短い極限 0Q

Mn wdD dxM1

w;Dとなる。ただし、B_ と BW は、光照射前には d である
ら、BW w0K DO st8sRZ  GsstsA  <$Ti

を考えると、同じ比は d U d とな

7xE wdMED d;dTd;;
G$R8s_i$Y$t$XNB{sj$9s$Bt

8I$Z8" WsZる。つまり、多重散乱光による干渉パターンの方よりも、sBj$t$
BPVj$Y

NstI$`,$tsstI

I$RBIIn( wdD EdTEn

反射鏡によって人工的に作った干渉縞の方が深いホール

MD V Z$s O st8sRZ  GsstsA  <$ss

を与えそうだが、実は逆なのである。これは、レーザーq ZRY$Is XGs%jtYT stI stjTRj{$% }B}T

スペックルが、非常に暗い部分もあり、明るい部分もあ$R BP B}${sj 88Bk &{ Ak $tPt{ BP

る、くっきりしたパターンを作ることに対応している。

8Zj$}jTR{sI j$Y $t 78TIB}I t7 tstB{kRTsjR" F NZ8$txMTM w1(((D METMMD V Z$s O st8sRZ q ZRY$Is q 7s$Rs,s

まとめstI O OB,Bks8s X!}${sj 88Bk &{ Ak $tTPt{ BP 8Zj$}jTR{sI j$Y $t s 4ZBRT

光の強散乱媒質に光化学反応材料を組み合わせると、{t PZj$I I$%s$%" Bj ]kR N$J ]kR

予期し難い光記録効果が現われることを説明した。最近、

n;;w1(((D 1(xT1d(フォトニック結晶によって、結晶中の電子が持つようなバンド構造を光に対して作り、光の場を自在に操ろうとd(D栗田 厚、兼松 泰男、櫛田 孝司、匂坂 俊也、横山いう研究が盛んになっている。一方、電子における非晶

泰U X酸化チタン散乱体を用いた多重散乱光の干渉に質物質に対応するのは、光の強散乱媒質だといえるが、よる光記録効果の観察" 日本物理学会講演概要集 xx

これの持つ可能性の探求は、ランダムレーザーの研究をw1(((D 1;}iVT含め、まだ緒に就いたばかりである。強散乱媒質に、増ddD G e Bt eI

幅媒質、光化学反応媒質、非線型光学媒質などを組み合_R$Rt R}{sj YBjTAZt$t

U 7{$t{ stI s}}j${s$BtR w7}$tTzjs

わせることによって、今後もさまざまな思いもかけぬ現j$t

dMMD

象や応用への可能性が見出されるに違いない。

d1D F ] *s$tkU

NsR R}{,j stI jsI }YtB8tsqB}${R $t s}}j$I }YkR${R  % D w7}$tTzjsw

引用文献
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