JP4481243B2 - Electromagnetic field conversion element, electromagnetic field generating unit, and recording apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光を電磁場に変換する電磁場変換素子に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic field conversion element that converts light into an electromagnetic field.
CD、DVDなどの光ディスク、MD、MOなどの光磁気ディスクは画像、映像、テキストデータなどを記録する情報記録媒体として使われている。このような光ディスクおよび光磁気ディスクにおいて、記録すべきデータ量の増大に伴い、記録密度をより高くすることが望まれている。またハードディスクなどの磁気記録媒体でも、記録密度向上のため、光アシスト技術が開発されている。 Optical disks such as CD and DVD, and magneto-optical disks such as MD and MO are used as information recording media for recording images, videos, text data, and the like. In such optical disks and magneto-optical disks, it is desired to increase the recording density as the amount of data to be recorded increases. Also, optical assist technology has been developed for improving the recording density of magnetic recording media such as hard disks.
これらの記録媒体に情報を記録する光記録装置では、記録媒体上に照射される光のスポットの大きさが記録密度を決め、光の強度が転送レートを決める。したがって光記録装置では、記録密度の向上のためにより小さなスポットをより強い強度で記録媒体に照射することが望まれる。しかし、通常の光(伝播光)ではスポットの大きさは回折限界までしか小さくすることができず、波長程度に制限されてしまう。 In optical recording apparatuses that record information on these recording media, the size of the light spot irradiated on the recording medium determines the recording density, and the intensity of the light determines the transfer rate. Therefore, in an optical recording apparatus, it is desired to irradiate a recording medium with a stronger intensity with a smaller spot in order to improve the recording density. However, with normal light (propagating light), the spot size can only be reduced to the diffraction limit and is limited to about the wavelength.
そこで回折限界を超える小さなスポットの形成法として、近接場光と呼ばれる局所的電磁場の利用が注目されている。この局所的電磁場は、例えば、伝播光をその波長より小さな径の開口に入射させることにより得られ、開口のごく近傍にのみ局在し、伝播しない光である。この場合、光の局在の仕方は開口の径で決まるため、開口径を小さくすれば、回折限界を大きく超える小さなスポットが得られる。 Therefore, the use of a local electromagnetic field called near-field light has attracted attention as a method for forming a small spot exceeding the diffraction limit. This local electromagnetic field is obtained, for example, by allowing propagating light to enter an opening having a diameter smaller than the wavelength, and is localized only in the vicinity of the opening and does not propagate. In this case, since the light localization method is determined by the diameter of the aperture, if the aperture diameter is reduced, a small spot that greatly exceeds the diffraction limit can be obtained.
しかしこの方法では、波長以下の径のスポットには絞れない光を波長以下の開口に入射させているため、光の利用効率が悪くなる。つまり、光源を従来と同じ強度に設定するならば、得られる電磁場強度は、開口に照射した光のサイズに対する開口サイズ分弱くなる。また、光が局在しているため、光の発生位置から離れるにしたがって強度が急激に弱くなり、記録面での強度はさらに弱くなる。 However, in this method, light that cannot be focused on a spot having a diameter of less than the wavelength is incident on the aperture of the wavelength or less, so that the light utilization efficiency is deteriorated. That is, if the light source is set to the same intensity as the conventional one, the obtained electromagnetic field intensity becomes weaker by the size of the opening relative to the size of the light irradiated to the opening. Further, since the light is localized, the intensity rapidly decreases as the distance from the light generation position increases, and the intensity on the recording surface further decreases.
これを解決するために開口を金属膜で作製し、表面プラズモンポラリトンを発生させ、この表面プラズモンポラリトンを増幅することで強い近接場光を発生させる方法がある。 In order to solve this, there is a method in which an opening is made of a metal film, surface plasmon polaritons are generated, and strong near-field light is generated by amplifying the surface plasmon polaritons.
以下、通常の光を局所的電磁場に変換する素子を電磁場変換素子と呼び、入射光強度に対する局所的電磁場の強度の比を、入射光−電磁場変換効率と呼ぶ。 Hereinafter, an element that converts normal light into a local electromagnetic field is referred to as an electromagnetic field conversion element, and a ratio of the intensity of the local electromagnetic field to the incident light intensity is referred to as incident light-electromagnetic field conversion efficiency.
例えば特許文献1では、図21に示すように、微小な開口100と周期的なトポグラフィー108を設けた金属膜107に光を照射して局所的電磁場を発生させる電磁場変換素子200を用いて光記録再生する方法が提案されている。
For example, in
電磁場変換素子200では、光の波長以下の大きさとなる開口100に光を入射させると、金属膜107表面に表面プラズモンポラリトンが励起される。この際に、開口100の周囲にある周期的なトポグラフィー108により表面プラズモンポラリトンが増幅される。これにより、開口100に発生する近接場光強度が強くなり、転送レートを上げることができる。
しかし、このような周期的なトポグラフィーは、サブミクロンの幅のものを多くの周期に渡って形成しなければならない。また、金属膜の表面のうち、光の入射側と出射側にトポグラフィーを形成しなければ効果が薄いが、光の入射側には金属膜を支える基板が必要なため、入射面に周期的なトポグラフィーを作製するのは困難であった。また、周期的なトポグラフィーにゴミなどがたまると、励起および増幅される表面プラズモンポラリトンの強度減衰を招き、経時変化が起きるという問題があった。 However, such periodic topography must be formed over many periods with a submicron width. Also, if the topography is not formed on the light incident side and the light emission side of the surface of the metal film, the effect is weak, but since a substrate supporting the metal film is required on the light incident side, the incident surface is periodically It was difficult to make a simple topography. Further, when dust or the like accumulates in the periodic topography, there is a problem that the intensity of the surface plasmon polariton that is excited and amplified is attenuated and changes with time occur.
本発明は、上記従来の課題に鑑みたものであって、簡単な構成で、かつ強度の大きな局所的電磁場を発生する電磁場変換素子、および該電磁場変換素子を用いた、高い記録密度および高転送レートを有する記録装置または記録再生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and has an electromagnetic field conversion element that generates a local electromagnetic field with a simple configuration and a large strength, and a high recording density and high transfer using the electromagnetic field conversion element. It is an object of the present invention to provide a recording apparatus or recording / reproducing apparatus having a rate.
上記課題を解決するため、本発明にかかる電磁場変換素子は、入射光を表面プラズモンポラリトンに変換し、該表面プラズモンポラリトンを電磁場として取り出す電磁場変換素子であって、透光性を有する透明基板と、上記透明基板の面上に、第1金属膜と、第2金属膜とを備え、上記第1金属膜と上記第2金属膜とは異なる材質から形成され、上記第1金属膜または第2金属膜の少なくとも一方は、上記透明基板側から入射した光を、上記表面プラズモンポラリトンに変換し、上記透明基板の面上の異なる領域に、上記第1金属膜と上記第2金属膜とが接するように設けられていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, an electromagnetic field conversion element according to the present invention is an electromagnetic field conversion element that converts incident light into surface plasmon polariton and extracts the surface plasmon polariton as an electromagnetic field, and a transparent substrate having translucency, A first metal film and a second metal film are provided on the surface of the transparent substrate, and the first metal film and the second metal film are formed of different materials , and the first metal film or the second metal is formed. At least one of the films converts light incident from the transparent substrate side into the surface plasmon polariton so that the first metal film and the second metal film are in contact with different regions on the surface of the transparent substrate. It is provided in.
上記構成によると、上記第1金属膜および/または第2金属膜で光によって発生した表面プラズモンポラリトンが、上記第1金属膜と第2金属膜との境界で反射され、上記表面プラズモンポラリトンが発生した金属膜の表面に、増幅された表面プラズモンポラリトンが生じる。 According to the above configuration, the surface plasmon polariton generated by light in the first metal film and / or the second metal film is reflected at the boundary between the first metal film and the second metal film, and the surface plasmon polariton is generated. Amplified surface plasmon polaritons are generated on the surface of the metal film.
この現象は、上記第2金属膜に接する上記第1金属膜を伝播・進行してきた表面プラズモンポラリトンが、上記第2金属膜に達すると、上記第2金属膜に反射され、上記第1金属膜表面を進行してきた表面プラズモンポラリトンとの重ね合わせにより強め合うことが1つの要因と考えられる。 This phenomenon is reflected when the surface plasmon polariton that has propagated and traveled through the first metal film in contact with the second metal film reaches the second metal film, and is reflected by the second metal film. One factor is considered to be strengthening each other by superimposing with surface plasmon polariton that has progressed on the surface.
このように、本発明の電磁場変換素子は、第1金属膜および第2金属膜という少なくとも2種類の金属膜を透明基板上に並べた簡単な構成でありながら、表面プラズモンポラリトンを増幅して、強度の強い局所的電磁場を得ることができる。 Thus, the electromagnetic field conversion element of the present invention amplifies the surface plasmon polariton while having a simple configuration in which at least two kinds of metal films, a first metal film and a second metal film, are arranged on a transparent substrate. A strong local electromagnetic field can be obtained.
上述した周期的なトポグラフィーを形成した電磁場変換素子では、上記トポグラフィーにゴミなどがたまると、励起および増幅される表面プラズモンポラリトンの強度が減衰するという問題があった。しかし、本発明の電磁場変換素子は、平坦な表面を有しつつ、表面プラズモンポラリトンの強度を増幅することができるため、ゴミなどがたまりにくく、上記のような問題が起こりにくいという効果を奏する。 The electromagnetic field conversion element having the above-described periodic topography has a problem that the intensity of the surface plasmon polariton to be excited and amplified is attenuated when dust or the like accumulates in the topography. However, the electromagnetic field conversion element of the present invention can amplify the intensity of the surface plasmon polariton while having a flat surface, and therefore has the effect that dust and the like are less likely to collect and the above-described problems are less likely to occur.
また、上記第1金属膜および第2金属膜のうち、透明基板側から入射した光を表面プラズモンポラリトンに変換する金属膜は、一方の金属膜より誘電率が大きいことが好ましい。言い換えると、本発明の電磁場変換素子は、上記第1金属膜または第2金属膜のうち、誘電率の大きい金属膜に表面プラズモンを励起し、誘電率の小さい金属膜へと進行させるような構成となっていることが好ましい。 Of the first metal film and the second metal film, the metal film that converts light incident from the transparent substrate side into surface plasmon polaritons preferably has a higher dielectric constant than one of the metal films. In other words, the electromagnetic field conversion element according to the present invention is configured to excite surface plasmons on a metal film having a large dielectric constant in the first metal film or the second metal film and to proceed to a metal film having a small dielectric constant. It is preferable that
上記構成によると、上記第1金属膜または第2金属膜で光によって発生した表面プラズモンポラリトンが、もう一方の金属膜へ透過する際に、誘電率の違いにより、電場強度が増強される。このような増強が起こるのは、例えば第1金属膜で表面プラズモンポラリトンが発生する場合、第二金属膜に進行してきた表面プラズモンポラリトンにおける、上記第2金属膜表面での電場の表面に平行かつ境界線に垂直な成分の強度が、第1金属膜と第2金属膜との誘電率の違いにより大きくなることが1つの要因と考えられる。 According to the above configuration, when the surface plasmon polariton generated by light in the first metal film or the second metal film is transmitted to the other metal film, the electric field strength is enhanced due to the difference in dielectric constant. Such enhancement occurs when, for example, surface plasmon polaritons are generated in the first metal film, and in the surface plasmon polaritons that have progressed to the second metal film, they are parallel to the surface of the electric field on the surface of the second metal film. One factor is that the intensity of the component perpendicular to the boundary line increases due to the difference in dielectric constant between the first metal film and the second metal film.
また、上記第1金属膜は、少なくとも2つの上記第2金属膜の間に形成されており、少なくとも2つの境界線をもつことが好ましい。 The first metal film is preferably formed between at least two second metal films and has at least two boundary lines.
上記構成によると、上記第1金属膜で発生した表面プラズモンポラリトンは、上記第1金属膜の表面を伝播し、上記第2金属膜に到達して反射される。反射された表面プラズモンポラリトンは、上記第1金属膜の表面を伝播して、最初に反射された第2金属膜とは別の第2金属膜によって再び反射される。このように、別々の第2金属膜で反射された表面プラズモンポラリトンが、これら第2金属膜の間に形成された第1金属膜上で重なり合うことで、表面プラズモンポラリトンが増幅される。また、上記構成によると、上記第2金属膜で発生した表面プラズモンポラリトンも、上記第1金属膜の表面に伝播し、同様に、2つの第2金属膜によって反射されることで、重なり合い、増幅する。 According to the above configuration, the surface plasmon polariton generated in the first metal film propagates on the surface of the first metal film, reaches the second metal film, and is reflected. The reflected surface plasmon polariton propagates on the surface of the first metal film, and is reflected again by a second metal film different from the first metal film reflected first. As described above, the surface plasmon polaritons reflected by the separate second metal films overlap on the first metal film formed between the second metal films, thereby amplifying the surface plasmon polaritons. According to the above configuration, the surface plasmon polariton generated in the second metal film also propagates to the surface of the first metal film and is reflected by the two second metal films, thereby overlapping and amplifying. To do.
以上のようにして、上記構成により、表面プラズモンポラリトンの重ね合わせが起こり、さらに増幅効果が増すという効果を奏する。 As described above, with the above configuration, the surface plasmon polariton is superposed, and the amplification effect is further increased.
また、少なくとも第2金属膜と接する金属膜の材質の屈折率は、上記第2金属膜の材質の屈折率よりも小さいことが好ましい。 Moreover, it is preferable that the refractive index of the material of the metal film in contact with at least the second metal film is smaller than the refractive index of the material of the second metal film.
上記構成によると、上記第2金属膜に接する金属膜の屈折率が、上記第2金属膜の屈折率よりも小さいので、第2金属膜とそれに接する金属膜との境界での表面プラズモンポラリトンの反射効率が高まるために、表面プラズモンポラリトンの増幅効果をいっそう高めることができるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the refractive index of the metal film in contact with the second metal film is smaller than the refractive index of the second metal film, the surface plasmon polariton at the boundary between the second metal film and the metal film in contact with the second metal film. Since the reflection efficiency is increased, the amplification effect of the surface plasmon polariton can be further enhanced.
さらに、上記第2金属膜に接する金属膜の屈折率が、上記第2金属膜の屈折率よりも小さい場合、第2金属膜に接する金属膜の誘電率は、第2金属膜の誘電率よりも小さくなる。それゆえ、第2金属膜で表面プラズモンポラリトンを励起する場合、表面プラズモンポラリトンが第2金属膜から第2金属膜に接する金属膜に進行してきたときに、上記第2金属膜表面での電場の表面に平行かつ境界線に垂直な成分の強度が大きくなる。 Furthermore, when the refractive index of the metal film in contact with the second metal film is smaller than the refractive index of the second metal film, the dielectric constant of the metal film in contact with the second metal film is greater than the dielectric constant of the second metal film. Becomes smaller. Therefore, when surface plasmon polaritons are excited by the second metal film, when the surface plasmon polaritons proceed from the second metal film to the metal film in contact with the second metal film, the electric field on the surface of the second metal film is increased. The intensity of the component parallel to the surface and perpendicular to the boundary line is increased.
また、上記第1金属膜と上記第2金属膜との境界線は、それぞれ直線的であり、かつ互いに平行であることが望ましい。 The boundary lines between the first metal film and the second metal film are preferably linear and parallel to each other.
上記構成によると、上記第2金属膜に接する金属膜表面での表面プラズモンポラリトンの重ね合わせの効率がよいために、表面プラズモンポラリトンの増幅効果をいっそう高めることができるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the superposition efficiency of the surface plasmon polaritons on the surface of the metal film in contact with the second metal film is good, there is an effect that the amplification effect of the surface plasmon polaritons can be further enhanced.
また、上記透明基板と上記第1金属膜との間、および/または、上記透明基板と上記第2金属膜との間に、上記透明基板の屈折率より屈折率の小さい誘電体層が形成されていてもよい。 In addition, a dielectric layer having a refractive index smaller than that of the transparent substrate is formed between the transparent substrate and the first metal film and / or between the transparent substrate and the second metal film. It may be.
上記構成によると、表面プラズモンポラリトンは、上記第1金属膜の上記誘電体層と接する面で発生し、上記第1金属膜と上記誘電体層とが接する面を伝播・進行する。つまり、表面プラズモンポラリトンが発生および伝播する金属面が、上記基板と上記誘電体層によって保護されているので、傷および汚れを防ぐことができるという効果を奏する。 According to the above configuration, the surface plasmon polariton is generated on the surface of the first metal film in contact with the dielectric layer, and propagates and travels on the surface of the first metal film in contact with the dielectric layer. That is, since the metal surface on which surface plasmon polaritons are generated and propagated is protected by the substrate and the dielectric layer, there is an effect that scratches and dirt can be prevented.
また、表面プラズモンポラリトンを散乱させる局所的電磁場発生部を、上記第1金属膜および/または第2金属膜の表面に、少なくとも1つ備えていることが望ましい。 In addition, it is desirable that at least one local electromagnetic field generation unit that scatters the surface plasmon polariton is provided on the surface of the first metal film and / or the second metal film.
上記構成によると、上記局所的電磁場発生部によって表面プラズモンポラリトンを散乱させることで、局所的電磁場を発生させるため、上記局所的電磁場発生部を設ける位置によって、局所的電磁場の発生位置を選ぶことができる。また、上記局所的電磁場発生部の形状によって、局所的電磁場のスポットサイズを調整することができる。 According to the above configuration, in order to generate a local electromagnetic field by scattering surface plasmon polaritons by the local electromagnetic field generator, the position where the local electromagnetic field is generated can be selected depending on the position where the local electromagnetic field generator is provided. it can. Further, the spot size of the local electromagnetic field can be adjusted according to the shape of the local electromagnetic field generator.
また、上記局所的電磁場発生部は、上記局所的電磁場発生部は、上記第1金属膜と上記第2金属膜との境界線から、表面プラズモンポラリトンの伝播長以下の範囲に形成されていることが望ましい。 In addition, the local electromagnetic field generation unit is formed within a range of the propagation length of the surface plasmon polariton from the boundary line between the first metal film and the second metal film. Is desirable.
上記構成によると、上記第2金属膜と上記第2金属膜と接する金属膜との境界で表面プラズモンポラリトンが反射されてから、上記局所的電磁場発生部までに伝播する距離が十分短いため、表面プラズモンポラリトンの伝播・進行に伴う減衰が小さい。すなわち、強度の大きな表面プラズモンポラリトンを局所的電磁場として取り出すことができる。 According to the above configuration, since the surface plasmon polariton is reflected at the boundary between the second metal film and the metal film in contact with the second metal film, the distance to propagate to the local electromagnetic field generation unit is sufficiently short. Attenuation due to propagation and progression of plasmon polaritons is small. That is, a surface plasmon polariton having a high intensity can be extracted as a local electromagnetic field.
上記局所的電磁場発生部は、上記第1金属膜および/または第2金属膜の少なくとも一方のエッジであってもよい。 The local electromagnetic field generator may be at least one edge of the first metal film and / or the second metal film.
上記構成によると、特別な部材を設けることなく局所的電磁場を発生させることができるため、上記電磁場変換素子の構成を簡単にすることができる。 According to the above configuration, since the local electromagnetic field can be generated without providing a special member, the configuration of the electromagnetic field conversion element can be simplified.
また、上記第2金属膜と接する上記第1金属膜の一部分が、上記第2金属膜との境界から上記第1金属膜を分断するように形成されており、上記第2金属膜と接する上記第1金属膜の一部分のエッジが、上記局所的電磁場発生部であってもよい。 Further, a part of the first metal film in contact with the second metal film is formed so as to divide the first metal film from a boundary with the second metal film, and is in contact with the second metal film. The edge of a part of the first metal film may be the local electromagnetic field generator.
上記構成によると、特別な部材を設けることなく局所的電磁場を発生させることができる上に、上記第2金属膜を分断する金属膜の幅を変えることで、発生する局所的電磁場のスポットサイズを変えることができる。さらに、記録媒体への接近方向を自由に選ぶことができる。 According to the above configuration, the local electromagnetic field can be generated without providing a special member, and the spot size of the generated local electromagnetic field can be reduced by changing the width of the metal film that divides the second metal film. Can be changed. Furthermore, the direction of approach to the recording medium can be freely selected.
また、上記局所的電磁場発生部は、上記第1金属膜および/または第2金属膜に設けられた開口またはスリットのエッジであってもよい。 The local electromagnetic field generation unit may be an opening or an edge of a slit provided in the first metal film and / or the second metal film.
上記構成によると、上記開口およびスリットの形状を変えることで、生じる局所的電磁場の形状を調整することができる。 According to the above configuration, the shape of the generated local electromagnetic field can be adjusted by changing the shapes of the opening and the slit.
また、上記局所的電磁場発生部は、上記第1金属膜および/または第2金属膜に設けられた突起部であってもよい。 The local electromagnetic field generation unit may be a protrusion provided on the first metal film and / or the second metal film.
上記構成によると、上記金属突起を形成する位置によって、局所的電磁場の発生位置を選ぶことができる。また、上記金属突起の形状によって、局所的電磁場の発生形状を変えることができ、上記電磁場変換素子の設計の自由度が増す。さらに、上記金属突起の形成された金属膜と、上記金属突起の先端との距離の分だけ、上記金属膜表面の表面プラズモンポラリトンがバックグラウンドとして局所的電磁場に重なることを防ぐことができる。また、局所的電磁場を局所的電磁場照射対象に近づけるにあたって、上記照射対象と上記電磁場変換素子との平行度の調整など、要求される調整精度が緩和されるので、より部材の少ない記録装置を作製することができ、製造コストを抑えられる。 According to the said structure, the generation | occurrence | production position of a local electromagnetic field can be selected by the position which forms the said metal protrusion. In addition, the shape of the local electromagnetic field can be changed depending on the shape of the metal protrusion, and the degree of freedom in designing the electromagnetic field conversion element is increased. Furthermore, the surface plasmon polariton on the surface of the metal film can be prevented from overlapping the local electromagnetic field as a background by the distance between the metal film on which the metal protrusion is formed and the tip of the metal protrusion. Also, when bringing the local electromagnetic field closer to the local electromagnetic field irradiation target, the required adjustment accuracy such as adjustment of the parallelism between the irradiation target and the electromagnetic field conversion element is eased, so a recording apparatus with fewer members is manufactured. Manufacturing costs can be reduced.
本発明に係る電磁場変換素子を備えた電磁場発生ユニットでは、上記光源から照射される入射光が、上記第1金属膜および/または第2金属膜に対して、上記第1金属膜および/または第2金属膜からの反射光強度が最小値となる角度で入射されることが好ましい。 In the electromagnetic field generating unit including the electromagnetic field conversion element according to the present invention, the incident light irradiated from the light source is the first metal film and / or the second metal film with respect to the first metal film and / or the second metal film. It is preferable that the incident light is incident at an angle at which the reflected light intensity from the two metal films becomes a minimum value.
上記構成により、入射光の利用効率が高くなり、入射光−電磁場変換効率が高くなるという効果を奏する。 With the above-described configuration, there is an effect that utilization efficiency of incident light increases and incident light-electromagnetic field conversion efficiency increases.
また上記入射光の偏光方向は、p偏光であることが好ましい。 The polarization direction of the incident light is preferably p-polarized light.
上記構成によると、入射光から表面プラズモンポラリトンへの変換効率が高まるために、入射光−電磁場変換効率が高くなるという効果を奏する。 According to the said structure, since the conversion efficiency from incident light to surface plasmon polariton increases, there exists an effect that incident light-electromagnetic field conversion efficiency becomes high.
また、上記入射光が照射される入射光照射部は、上記第1金属膜および/または上記第2金属膜の上記透明基板側の面であってもよく、上記第1金属膜および/または上記第2金属膜のエッジであってもよい。この場合、入射光照射部として特別な部材を設けないため、簡単な構成で表面プラズモンポラリトンを励起させることができる。 Further, the incident light irradiating part irradiated with the incident light may be a surface of the first metal film and / or the second metal film on the transparent substrate side, and the first metal film and / or the above-mentioned It may be the edge of the second metal film. In this case, since no special member is provided as the incident light irradiation part, the surface plasmon polariton can be excited with a simple configuration.
また、上記入射光照射部は、上記第1金属膜および/または上記第2金属膜に設けられた開口またはスリットであってもよい。 The incident light irradiation unit may be an opening or a slit provided in the first metal film and / or the second metal film.
上記構成によると、上記開口またはスリットの形状によって、上記開口またはスリットから発生する表面プラズモンポラリトンの発生形状を変えることができるため、上記電磁場変換素子の設計の自由度が増す。さらに、上記構成によると、開口またはスリットの位置を選ぶことで、表面プラズモンポラリトンの発生位置を選ぶことができる。 According to the above configuration, since the shape of the surface plasmon polariton generated from the opening or slit can be changed depending on the shape of the opening or slit, the degree of freedom in designing the electromagnetic field conversion element is increased. Furthermore, according to the above configuration, the position where the surface plasmon polariton is generated can be selected by selecting the position of the opening or the slit.
また、上記構成においては、入射光は、上記第1金属膜および/または上記第2金属膜に対して垂直に照射され、上記入射光の偏光方向が、上記開口またはスリットのエッジに垂直であることが好ましい。 In the above configuration, the incident light is irradiated perpendicularly to the first metal film and / or the second metal film, and the polarization direction of the incident light is perpendicular to the edge of the opening or slit. It is preferable.
上記構成によると、効率よく入射光を表面プラズモンポラリトンに変換することができる。 According to the above configuration, incident light can be efficiently converted into surface plasmon polariton.
また、本発明の電磁場発生ユニットは、上記電磁場変換素子と光源とを備えた電磁場発生ユニットであって、上記電磁場変換素子と上記光源とが、離れた位置に設けられていてもよい。 Moreover, the electromagnetic field generation unit of the present invention is an electromagnetic field generation unit including the electromagnetic field conversion element and the light source, and the electromagnetic field conversion element and the light source may be provided at positions separated from each other.
上記構成によると、上記光源と上記電磁場変換素子が空間的に離れて設置されるため、上記光源が上記電磁場変換素子で発生する熱の影響を受けることがなく、光の発振が安定するという効果を奏する。 According to the above configuration, since the light source and the electromagnetic field conversion element are spatially separated from each other, the light source is not affected by the heat generated by the electromagnetic field conversion element, and the light oscillation is stabilized. Play.
また、本発明の電磁場発生ユニットは、上記電磁場変換素子が上記光源の出光部に設けられていてもよい。 In the electromagnetic field generation unit of the present invention, the electromagnetic field conversion element may be provided in a light output portion of the light source.
上記構成によると、上記電磁場変換素子が上記光源と一体化されているため、部品点数が少なく、組立て精度が上がり、信頼性が上がるという効果を奏する。 According to the above configuration, since the electromagnetic field conversion element is integrated with the light source, the number of components is small, the assembly accuracy is increased, and the reliability is improved.
また、上記電磁場発生ユニットは、光源からの光を微小化する手段を設けることが好ましく、上記手段はレンズであってもよいし、ビームエキスパンダーであってもよい。 The electromagnetic field generating unit is preferably provided with means for minimizing light from the light source, and the means may be a lens or a beam expander.
上記構成によると、レンズを用いた場合、入射光の照射面積が小さくなるため、入射光を、上述した上記金属膜間の境界の近傍の範囲、すなわち該入射光によって励起される表面プラズモンポラリトンの伝播長以下の範囲に照射しやすくなる。 According to the above configuration, when a lens is used, the irradiation area of incident light is reduced. Therefore, the incident light is a range in the vicinity of the boundary between the metal films, that is, the surface plasmon polariton excited by the incident light. It becomes easy to irradiate the range below the propagation length.
また、ビームエキスパンダーを用いた場合は、表面プラズモンポラリトンを励起するのに最適な角度のみの光を、レンズほどではないが小さな照射面積で照射できる。 In addition, when a beam expander is used, light having an optimum angle for exciting the surface plasmon polariton can be irradiated with a small irradiation area, although not as much as a lens.
また、本発明の記録装置は、上記電磁場発生ユニットを備え、記録媒体に対して情報を記録または再生する装置であって、上記電磁場変換素子と上記記録媒体の記録面との距離が、上記電磁場変換素子で発生した局所的電磁場の波長の4分の1以下に制御されることが好ましい。 The recording apparatus of the present invention is an apparatus that includes the electromagnetic field generating unit and records or reproduces information on a recording medium, and the distance between the electromagnetic field conversion element and the recording surface of the recording medium is the electromagnetic field. It is preferable that the wavelength is controlled to a quarter or less of the wavelength of the local electromagnetic field generated in the conversion element.
上記構成により、上記電磁場変換素子で発生した局所的電磁場が大きく減衰しないうちに記録媒体に照射することができるため、転送レートを向上させることができる。 With the above configuration, since the recording medium can be irradiated before the local electromagnetic field generated by the electromagnetic field conversion element is significantly attenuated, the transfer rate can be improved.
また、上記記録装置は、磁気記録・再生ヘッドを搭載することで、上記電磁場変換素子から発生する局所的電磁場を利用して、光磁気記録媒体に対して、効率よく記録および再生を行うことが可能となる。 In addition, the recording apparatus can efficiently perform recording and reproduction with respect to a magneto-optical recording medium by using a local electromagnetic field generated from the electromagnetic field conversion element by mounting a magnetic recording / reproducing head. It becomes possible.
本発明の電磁場変換素子は、上記透明基板の面上に、第1金属膜、および、上記表面プラズモンポラリトンを増幅する第2金属膜とを備え、上記透明基板側から入射した光は、上記第1金属膜、および/または第2金属膜のいずれかで上記表面プラズモンポラリトンに変換され、該第2金属膜が、該第1金属膜に接するように設けられているとともに、上記第1金属膜において、少なくとも上記第2金属膜と接する領域の材質が、上記第2金属膜の材質と異なることを特徴とする。 The electromagnetic field conversion element of the present invention includes a first metal film and a second metal film that amplifies the surface plasmon polariton on the surface of the transparent substrate, and the light incident from the transparent substrate side is the first metal film. Either the first metal film and / or the second metal film is converted into the surface plasmon polariton, and the second metal film is provided in contact with the first metal film, and the first metal film The material of at least the region in contact with the second metal film is different from the material of the second metal film.
ゆえに、第1金属膜で発生した表面プラズモンポラリトンを、他の金属膜で増幅することができ、大きな局所的電磁場を得ることができる。 Therefore, the surface plasmon polariton generated in the first metal film can be amplified by another metal film, and a large local electromagnetic field can be obtained.
本発明の実施の形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、本実施形態の前提となる、電磁場変換素子における表面プラズモンポラリトンの励起方法について、図1〜3を用いて説明する。 First, a method for exciting surface plasmon polaritons in an electromagnetic field conversion element, which is a premise of the present embodiment, will be described with reference to FIGS.
なお、本発明の電磁場変換素子は、透明基板上に、少なくとも第1金属膜、および第2金属膜を備えている。この第1および第2金属膜は、異なる材質、つまり、異なる金属材料から形成される。そして、この第1金属膜または第2金属膜のうち、少なくとも1つの金属膜において、表面プラズモンポラリトンが発生する構成になっている。以下、本発明の電磁場変換素子において、第1金属膜と第2金属膜とを特に区別しない場合、これらの金属膜を単に「金属膜」と称する。 The electromagnetic field conversion element of the present invention includes at least a first metal film and a second metal film on a transparent substrate. The first and second metal films are formed of different materials, that is, different metal materials. The surface plasmon polariton is generated in at least one of the first metal film and the second metal film. Hereinafter, in the electromagnetic field conversion element of the present invention, when there is no particular distinction between the first metal film and the second metal film, these metal films are simply referred to as “metal films”.
一般的に、基板、金属膜および誘電体を備えた電磁場変換素子で表面プラズモンポラリトンを励起するには、以下に述べる2つの方法、すなわち、第1の励起方法および第2の励起方法がある。 In general, there are two methods described below for exciting surface plasmon polaritons with an electromagnetic field conversion element including a substrate, a metal film, and a dielectric, namely, a first excitation method and a second excitation method.
第1の励起方法は、基板、金属膜および誘電体層を備えた電磁場変換素子に、基板側から適切な角度で入射光を入射させる方法である。 The first excitation method is a method in which incident light enters an electromagnetic field conversion element including a substrate, a metal film, and a dielectric layer at an appropriate angle from the substrate side.
この第1の励起方法を用いた電磁場変換素子の構成には、基板、金属膜および誘電体層の配置の違いによって、Kretchmann配置とOtto配置がある。以下に、Kretchmann配置およびOtto配置について図1および図2に基づいて説明する。 The configuration of the electromagnetic field conversion element using the first excitation method includes a Kretchmann arrangement and an Ototo arrangement depending on the arrangement of the substrate, the metal film, and the dielectric layer. Hereinafter, the Kretchmann arrangement and the Otto arrangement will be described with reference to FIGS.
図1に、Kretchmann配置によって構成された電磁場変換素子2の斜視図を示す。Kretchmann配置では、同図に示すように、透明基板9上に金属膜17が形成され、金属膜17の透明基板9と接している面とは逆側(光が入射する面とは逆側)の面は、透明基板9より屈折率の小さい誘電体層に(図1に示す構造では空気に相当する)接している。この電磁場変換素子2で表面プラズモンポラリトン12を励起するときは、入射光11を、透明基板9側から透明基板9と金属膜17の界面へ向かって、適切な角度で入射させる。すると、図1に矢印12で示したように、金属膜17の透明基板9と逆側(光が入射した面と逆側)、つまり誘電体層と接する表面に、入射光11の波数ベクトルの金属膜17に平行な成分の向き(図1中に矢印12で示した)に進行する表面波として、表面プラズモンポラリトン12が発生する。
FIG. 1 shows a perspective view of an electromagnetic
図2に、Otto配置によって構成された電磁場変換素子22の斜視図を示す。Otto配置は、同図に示すように、透明基板9上に透明基板9より屈折率の小さい誘電体層13が形成され、誘電体13の上に金属膜17が形成されている。この電磁場変換素子22で表面プラズモンポラリトン12を励起するときは、入射光11を、透明基板9側から透明基板9と金属膜17の界面へ向かって、該界面に対して適切な角度で入射させる。すると、表面プラズモンポラリトン(図示せず)が、Kretchmann配置と同じく、入射光11の波数ベクトルの金属膜17に平行な成分の向きに進行する表面波として発生するが、Kretchmann配置とは異なり、この表面プラズモンポラリトンは、金属膜17と誘電体層13との界面に発生する。このように、Otto配置では、表面プラズモンポラリトンの発生する面が露出していないため、この面にゴミや傷などが付きにくく、ゴミや傷などによる表面プラズモンポラリトンの変換効率のロスが起こりにくい。
In FIG. 2, the perspective view of the electromagnetic
これら第1の励起方法では、Kretchmann配置およびOtto配置のどちらの配置であっても、入射光11の偏光方向を透明基板9と金属膜17との界面に対してp偏光とすると、最も効率よく表面プラズモンポラリトン12を励起することができる。
In these first excitation methods, the most efficient when the polarization direction of the
また、透明基板9と金属膜17との界面に対する入射光11の入射角度については、表面プラズモンポラリトン12を励起できる角度であれば、特に限定されるものではない。しかしながら、表面プラズモンポラリトン12は、入射光11のエネルギーが変換されるものなので、上記入射角度は、入射光11のエネルギーが最も効率よく表面プラズモンポラリトン12に変換される角度であることが好ましい。すなわち、上記入射角度は、金属膜17に対する入射光11の反射率が最小値になる角度であることが好ましい。このように、最も光の利用効率がよく最適な入射角度は、透明基板9および金属膜17の材料にもよるが、45度近辺である。また、この最適な入射角度は、透明基板9そのものをプリズムにするか、透明基板9をプリズムに接着するなどして実現される。
The incident angle of the incident light 11 with respect to the interface between the
次に第2の励起方法について、図3に基づいて説明する。図3に、第2の励起方法を用いた電磁場変換素子23の斜視図を示す。第2の励起方法は、同図に示すように、入射光11を金属膜17のエッジに照射する方法である。この方法において、入射光の偏光方向をエッジに垂直にすると、最も効率よく表面プラズモンポラリトン12を励起できる。金属膜17のエッジに光が照射されると、エッジ部の自由電子が光の電場により揺さぶられ、この振動が金属膜17表面の電子に伝わっていくことで表面プラズモンポラリトン12が発生する。この表面プラズモンポラリトン12は、ほぼ金属膜17のエッジに垂直な方向に進行する。
Next, the second excitation method will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a perspective view of the electromagnetic field conversion element 23 using the second excitation method. The second excitation method is a method of irradiating the edge of the
上記第2の励起方法によると、エッジに垂直な偏光方向をもつ成分が入射光に含まれていれば、表面プラズモンポラリトン12を励起できる。つまり、金属材料の屈折率および膜厚等の選択の自由度が増す。
According to the second excitation method, the
入射光11をエッジに入射させる角度としては、金属膜17に対して垂直に入射させてもよく、第1の励起方法のように、透明基板9と金属膜17の界面に対して適切な角度、つまり表面プラズモンポラリトンを発生させるために適切な角度で入射させてもよい。
The angle at which the
入射光11を金属膜17に対して垂直に入射させた場合、透明基板9は平行平面基板でよく、プリズムなどを用いる場合に比べて設計しやすく、また小型化に向いている。また、入射角誤差の許容範囲が第1の励起方法より広いため、組立てが容易であり、製造時間およびコストをともに削減することができる。
When the
一方、透明基板9と金属膜17の界面に対して、表面プラズモンポラリトン12を励起するのに適した角度で入射光11を入射させた場合、エッジ以外の部分に入射した光によって表面プラズモンポラリトン12が励起され、かつエッジ部では自由電子の振動から発生する表面プラズモンポラリトン12が励起されることになる。よって、この場合には、エッジ部のみを用いて表面プラズモンポラリトン12を励起するよりも光の利用効率が高くなる。
On the other hand, when the
また、上記第2の励起方法における入射光照射部である上記エッジは、金属膜に開口またはスリット(以下、開口部等とする)を設けることで、所望の位置に作製することができる。 Further, the edge, which is the incident light irradiation part in the second excitation method, can be produced at a desired position by providing an opening or a slit (hereinafter referred to as an opening or the like) in the metal film.
本発明の実施の形態に係る電磁場変換素子を用いて表面プラズモンポラリトン12を発生させる場合は、第1の励起方法を用いてもよいし、第2の励起方法を用いてもよい。また、基板と金属膜と誘電体層の配置は、Kretchmann配置であってもOtto配置であってもよい。
When the
また、入射光11の照射面積をレンズまたはビームエキスパンダー等で小さくすると、入射光の照射される領域を、局所的電磁場発生部までの距離が表面プラズモンポラリトンの伝播長以下になる領域に絞り込むことができるので、入射光11の利用効率が高くなる。入射光11をレンズで絞った場合、入射光11はいろいろな入射角の光線を含むこととなり、表面プラズモンポラリトンを励起する最適条件から合わない光線も含まれることになる。しかしながら、照射面積を小さくすることが可能なので、入射光11の利用効率も高く、発生する表面プラズモンポラリトンの発生領域も所望の面積にまで小さくすることができるという利点がある。
Further, when the irradiation area of the
一方、入射光11の照射面積を小さくするには、ビームエキスパンダーなどを用いて入射光11のビーム径を狭めてもよい。ビームエキスパンダーを用いると、照射面積はレンズで絞るほどには小さくできないが、表面プラズモンポラリトン12を励起する最適な条件の入射角度のみとすることができるので、表面プラズモンポラリトン12に変換するときの入射光11の利用効率が高くなるという利点がある。
On the other hand, in order to reduce the irradiation area of the
次に、本発明の電磁場変換素子における表面プラズモンポラリトンの増幅について説明する。 Next, amplification of surface plasmon polaritons in the electromagnetic field conversion element of the present invention will be described.
本発明の電磁場変換素子は、既に述べたように、透明基板上に、少なくとも第1金属膜および第2金属膜を備えている。 As already described, the electromagnetic field conversion element of the present invention includes at least a first metal film and a second metal film on a transparent substrate.
また、上記第1金属膜と上記第2金属膜とは、接するように形成されており、上記第1金属膜と上記第2金属膜との境界線は、上記表面プラズモンポラリトンが発生および伝播する面に存在する。 The first metal film and the second metal film are formed so as to contact each other, and the surface plasmon polariton is generated and propagated at a boundary line between the first metal film and the second metal film. Exists on the surface.
本発明の電磁場変換素子において、表面プラズモンポラリトンが第1金属膜の表面で発生する場合、この表面プラズモンポラリトンは、第1金属膜の表面を伝播し、第2金属膜に到達する。そこで表面プラズモンポラリトンは、第2金属膜に反射される。反射された表面プラズモンポラリトンは、第1金属膜を伝播してきた表面プラズモンポラリトンと重なり合う。つまり、表面プラズモンポラリトンの重ね合わせが起こり、その結果、表面プラズモンポラリトンが増幅される。表面プラズモンポラリトンが第2の金属膜の表面で発生する場合には、表面プラズモンポラリトンは第1の金属膜で反射され、上述したように表面プラズモンポラリトンが増幅される。 In the electromagnetic field conversion element of the present invention, when surface plasmon polaritons are generated on the surface of the first metal film, the surface plasmon polaritons propagate on the surface of the first metal film and reach the second metal film. Therefore, the surface plasmon polariton is reflected by the second metal film. The reflected surface plasmon polariton overlaps the surface plasmon polariton that has propagated through the first metal film. That is, superposition of the surface plasmon polaritons occurs, and as a result, the surface plasmon polaritons are amplified. When surface plasmon polariton is generated on the surface of the second metal film, the surface plasmon polariton is reflected by the first metal film, and the surface plasmon polariton is amplified as described above.
さらに、本発明の電磁場変換素子において、上記第1金属膜と第2金属膜とは誘電率が異なることが好ましい。このとき、表面プラズモンポラリトンが第2金属膜の表面で発生する場合、この表面プラズモンポラリトンは、第2金属膜の表面を伝播し、第1金属膜へ進行する。この際、第2金属膜の誘電率が第1金属膜の誘電率より大きい場合、上記第1金属膜表面で、表面プラズモンポラリトンにおける電場の表面に平行かつ境界線に垂直な成分の強度が大きくなる。 Furthermore, in the electromagnetic field conversion element of the present invention, it is preferable that the first metal film and the second metal film have different dielectric constants. At this time, when surface plasmon polariton is generated on the surface of the second metal film, the surface plasmon polariton propagates on the surface of the second metal film and proceeds to the first metal film. At this time, when the dielectric constant of the second metal film is larger than the dielectric constant of the first metal film, the intensity of the component parallel to the surface of the electric field in the surface plasmon polariton and perpendicular to the boundary line is large on the surface of the first metal film. Become.
本発明の電磁場変換素子は、金属膜へ入射光が照射されることで、既に述べたように、金属膜表面に表面プラズモンポラリトンが発生する。つまり、入射光が表面プラズモンポラリトンに変換される。そして、この表面プラズモンポラリトンが増幅され、増幅された表面プラズモンポラリトンが局所的電磁場として取り出される。つまり、本発明の電磁場変換素子においては入射光が電磁場(局所的電磁場)に変換される。本発明の電磁場変換素子は、既に述べたように、表面プラズモンポラリトンを効率よく増幅するので、入射光‐電磁場変換効率が高いという効果を奏する。つまり、エネルギー効率よく、電磁場を発生させることができる。 In the electromagnetic field conversion element of the present invention, surface plasmon polaritons are generated on the surface of the metal film as described above by irradiating the metal film with incident light. That is, incident light is converted into surface plasmon polariton. Then, the surface plasmon polariton is amplified, and the amplified surface plasmon polariton is extracted as a local electromagnetic field. That is, in the electromagnetic field conversion element of the present invention, incident light is converted into an electromagnetic field (local electromagnetic field). As described above, the electromagnetic field conversion element of the present invention efficiently amplifies the surface plasmon polariton, and thus has an effect of high incident light-electromagnetic field conversion efficiency. That is, an electromagnetic field can be generated with energy efficiency.
また、本発明の電磁場変換素子は、第1金属膜が、少なくとも2つの第2金属膜の間に形成されており、少なくとも2つの境界線をもつ構成であってもよい。本明細書中、文言「第1金属膜が、少なくとも2つの第2金属膜の間に形成されており、少なくとも2つの境界線をもつ」は、第1金属膜の周囲の少なくとも一部が第2金属膜と接し、かつ、第1金属膜と第2金属膜との境界線が別々に(非連続的に)2つ以上存在するか、若しくは、境界線が連続的につながるか、境界線が交わるか、または、境界線の延長線が交わることを意味する。つまり、上記文言は、境界線が直線かつ1本である場合以外、すなわち、1つの第1金属膜と1つの第2金属膜とが、直線である境界線を介して接している場合以外を意味する。従って、金属膜が、第2金属膜−第1金属膜−第2金属膜の順に平行に並べて形成されていてもよいし、第1金属膜の周囲がすべて第2金属膜に囲まれて形成されていても良い。本発明の電磁場変換素子は、以上の構成によって、金属膜(第2金属膜)と2つ以上の境界線によって接し、かつ、この金属膜とは異なる材質からなる金属膜(第1金属膜)の表面で、表面プラズモンポラリトンがさらに効率よく増幅される。 The electromagnetic field conversion element of the present invention may be configured such that the first metal film is formed between at least two second metal films and has at least two boundary lines. In this specification, the phrase “the first metal film is formed between at least two second metal films and has at least two boundary lines” means that at least a part of the periphery of the first metal film is the first. 2 or more boundary lines between the first metal film and the second metal film are in contact with each other (discontinuously), or the boundary line is connected continuously, Means that the boundary lines extend. That is, the above-mentioned wording is a case where the boundary line is a straight line and one, that is, a case where one first metal film and one second metal film are in contact via a straight boundary line. means. Therefore, the metal film may be formed in parallel in the order of the second metal film-the first metal film-the second metal film, or the entire periphery of the first metal film is surrounded by the second metal film. May be. The electromagnetic field conversion element of the present invention has a metal film (first metal film) made of a material different from the metal film in contact with the metal film (second metal film) by two or more boundary lines. Surface plasmon polaritons are more efficiently amplified at the surface of
詳しく述べると、上記構成により、本発明の電磁場変換素子の金属膜表面で発生した表面プラズモンポラリトンは、第1金属膜を伝播して第2金属膜に到達する。このとき、境界線において第2金属膜によって反射された表面プラズモンポラリトンは再び第1金属膜の表面を伝播し、再び第2金属膜によって反射される。こうして表面プラズモンポラリトンが重ね合わされることで、表面プラズモンポラリトンの増幅が起こる。つまり、鏡を向かい合わせにしたときに、鏡で反射された光が、鏡の間で往復して重なり合うことと似た現象が起こり、表面プラズモンポラリトンが強まると考えられる。このとき、第1金属膜と境界線を形成する、つまり、接する第2金属膜は、1種類であってもよいし、2種類以上の金属膜を第2金属膜として用いてもよい。 More specifically, with the above configuration, the surface plasmon polariton generated on the surface of the metal film of the electromagnetic field conversion element of the present invention propagates through the first metal film and reaches the second metal film. At this time, the surface plasmon polariton reflected by the second metal film at the boundary line propagates again on the surface of the first metal film and is reflected again by the second metal film. In this way, the surface plasmon polaritons are superposed to cause amplification of the surface plasmon polaritons. In other words, it is considered that when the mirrors face each other, a phenomenon similar to the fact that the light reflected by the mirrors reciprocates and overlaps between the mirrors occurs, and the surface plasmon polariton is strengthened. At this time, the second metal film that forms a boundary line with the first metal film, that is, is in contact with the first metal film, may be one kind, or two or more kinds of metal films may be used as the second metal film.
また、第1金属膜と第2金属膜との境界線は、直線であり、互いに平行であることが、表面プラズモンポラリトンの効率よい重ね合わせ、すなわち表面プラズモンポラリトンの増幅には好適である。 In addition, the boundary line between the first metal film and the second metal film is a straight line and is parallel to each other, which is suitable for efficient superposition of surface plasmon polaritons, that is, amplification of surface plasmon polaritons.
以上に述べたように、本発明の電磁場変換素子は、第1金属膜と第2金属膜との境界で、第2金属膜に反射された表面プラズモンポラリトンが、互いに重なり合うような構成になっていることが好ましい。 As described above, the electromagnetic field conversion element of the present invention is configured such that the surface plasmon polaritons reflected by the second metal film overlap each other at the boundary between the first metal film and the second metal film. Preferably it is.
本発明の電磁場変換素子は、少なくとも2つの異なる金属材料からなる金属膜を備えており、これら金属膜のうち、少なくとも1つの金属膜において、表面プラズモンポラリトンが発生する構成になっている。 The electromagnetic field conversion element of the present invention includes a metal film made of at least two different metal materials, and the surface plasmon polariton is generated in at least one of the metal films.
つまり、上記金属膜のうち、少なくとも1つの金属膜(表面プラズモンポラリトンが発生する金属膜)には、透明基板側から入射光が照射されるようになっている。すなわち、少なくとも1つの金属膜(表面プラズモンポラリトンが発生する金属膜)は、上記透明基板に接するように形成されているか、上記透明基板上に透光性を有する誘電体層が形成されている場合は、該誘電体層上に接するように形成されていればよい。また、この金属膜(表面プラズモンポラリトンが発生する金属膜)の少なくとも一部に、表面プラズモンポラリトンを励起する入射光が照射できればよいので、この金属膜(表面プラズモンポラリトンが発生する金属膜)の少なくとも一部が、上記透明基板に接するか、上記透光性を有する誘電体層に接するように形成されていればよい。 That is, at least one metal film (a metal film in which surface plasmon polaritons are generated) among the metal films is irradiated with incident light from the transparent substrate side. That is, at least one metal film (metal film in which surface plasmon polariton is generated) is formed so as to be in contact with the transparent substrate, or a light-transmitting dielectric layer is formed on the transparent substrate. May be formed so as to be in contact with the dielectric layer. In addition, since at least a part of the metal film (metal film that generates surface plasmon polaritons) can be irradiated with incident light that excites the surface plasmon polaritons, at least the metal film (metal film that generates surface plasmon polaritons) can be irradiated. It is only necessary that a part thereof is in contact with the transparent substrate or in contact with the translucent dielectric layer.
さらには、本発明の電磁場変換素子では、表面プラズモンポラリトンが伝播する方向に沿って、少なくとも2つの異なる金属膜が形成されていることが好ましい。 Furthermore, in the electromagnetic field conversion element of the present invention, it is preferable that at least two different metal films are formed along the direction in which the surface plasmon polariton propagates.
また、本発明の電磁場変換素子において、表面プラズモンポラリトンは、金属膜の表面で発生した後、2つ以上の金属膜の表面を伝播してから、第2金属膜に到達し、第1金属膜表面で増幅されてもよい。 Further, in the electromagnetic field conversion element of the present invention, the surface plasmon polariton is generated on the surface of the metal film and then propagates on the surface of the two or more metal films, and then reaches the second metal film and the first metal film. It may be amplified at the surface.
また、表面プラズモンポラリトンを金属膜表面で発生させるためには、電磁場変換素子での表面プラズモンポラリトン励起におけるおのおののパラメータ、すなわち表面プラズモンポラリトンを発生させる金属膜の膜厚および屈折率と、透明基板の屈折率と、表面プラズモンポラリトンを発生させる金属膜の透明基板と接しているのとは逆側の表面に接している誘電体層(本実施の形態においては空気)の屈折率と、入射光の入射角度とを互いに最適な範囲にしなければならない。これら各々のパラメータの関係と、そのときの表面プラズモンポラリトンの発生強度、および伝播長は既知であるため、これに則って設定すればよい(例えば非特許文献1参照)。なお、伝播長とは表面プラズモンポラリトンの強度が1/eとなる距離である。伝播長は、入射光や金属材料にも依るが、理想的な系においてはおよそ数十ミクロン〜数百ミクロンである。 Further, in order to generate surface plasmon polaritons on the surface of the metal film, each parameter in surface plasmon polariton excitation in the electromagnetic field conversion element, that is, the film thickness and refractive index of the metal film that generates surface plasmon polaritons, and the transparent substrate The refractive index, the refractive index of the dielectric layer (air in this embodiment) that is in contact with the surface opposite to the metal film that generates the surface plasmon polariton, and the incident light The incident angles must be in an optimum range. Since the relationship between these parameters, the generation intensity of the surface plasmon polariton at that time, and the propagation length are known, they may be set according to this (for example, see Non-Patent Document 1). The propagation length is a distance at which the intensity of the surface plasmon polariton is 1 / e. The propagation length depends on the incident light and the metal material, but is about several tens of microns to several hundreds of microns in an ideal system.
励起した表面プラズモンポラリトンを効率よく増幅させるためには、これら金属膜を構成する金属材料は、電気伝導率の高いものが好ましい。これら金属材料としては、金(Au)、銀(Ag)または白金(Pt)などの貴金属や、アルミニウム(Al)、銅(Cu)またはクロム(Cr)などが代表的である。本発明に係る金属膜の膜厚は、数nm〜数十nmが好適である。 In order to efficiently amplify the excited surface plasmon polariton, the metal material constituting these metal films is preferably a material having high electrical conductivity. Typical examples of these metal materials include noble metals such as gold (Au), silver (Ag), and platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), and chromium (Cr). The thickness of the metal film according to the present invention is preferably several nm to several tens of nm.
また、表面プラズモンポラリトンは進行に伴って強度減衰が起こる。よって、表面プラズモンポラリトンが金属表面を伝播する距離が長すぎると、表面プラズモンポラリトンの強度が減衰してしまい、増幅効果が薄くなる。従って、表面プラズモンポラリトンが発生してから次の金属膜に到達するまでの距離、ある金属膜に到達してから別の金属膜へ到達するまでの距離、および局所的電磁場発生部を備える金属膜に到達してから局所的電磁場発生部に到達するまでの距離は、伝播長以下であることが望ましい。 The surface plasmon polariton attenuates in intensity as it progresses. Therefore, if the distance that the surface plasmon polariton propagates on the metal surface is too long, the strength of the surface plasmon polariton is attenuated and the amplification effect is reduced. Therefore, the distance from the occurrence of surface plasmon polaritons to the arrival of the next metal film, the distance from the arrival of one metal film to the arrival of another metal film, and the metal film having a local electromagnetic field generator The distance from reaching to the local electromagnetic field generator is preferably equal to or less than the propagation length.
以上のようにして増幅した表面プラズモンポラリトンを局所的電磁場として取り出して、記録媒体(局所的電磁場照射対象物)に照射するときには、次の2つの方法、すなわち、2つの局所的電磁場発生方法がある。 When the surface plasmon polariton amplified as described above is taken out as a local electromagnetic field and irradiated to a recording medium (local electromagnetic field irradiation target), there are the following two methods, that is, two local electromagnetic field generation methods. .
第1局所的電磁場発生方法は、増幅された表面プラズモンポラリトンに、記録媒体を近づけることによって、表面プラズモンポラリトン自体の局所的電磁場を使う方法である。このとき、記録媒体は、電磁場変換素子から、上記表面プラズモンポラリトンの波長の4分の1以内の範囲にまで近づければよい。 The first local electromagnetic field generation method is a method of using the local electromagnetic field of the surface plasmon polariton itself by bringing the recording medium close to the amplified surface plasmon polariton. At this time, the recording medium may be brought closer to the range within one-fourth of the wavelength of the surface plasmon polariton from the electromagnetic field conversion element.
第2局所的電磁場発生方法は、表面プラズモンポラリトンを、金属膜上に形成された散乱体(局所的電磁場発生部)によって散乱させて、別の局所的電磁場として取り出す方法である。この第2局所的電磁場発生方法では、局所的電磁場発生部の形を変えることで、発生する局所的電磁場の形状を変化させることができる。 The second local electromagnetic field generation method is a method in which surface plasmon polaritons are scattered by a scatterer (local electromagnetic field generation unit) formed on a metal film and extracted as another local electromagnetic field. In the second local electromagnetic field generating method, the shape of the generated local electromagnetic field can be changed by changing the shape of the local electromagnetic field generating unit.
上記第2局所的電磁場発生方法としては、以下の2つの方法がある。 There are the following two methods for generating the second local electromagnetic field.
1つ目の方法としては、電磁場変換素子の金属膜のエッジで散乱させる方法である。このエッジは、金属膜の外周部分となる端部であってもよいし、金属膜に開口部等を設けた場合は、その開口部等の端部であってもよい。また、これらのエッジは、後で述べるように、第2の励起方法によって表面プラズモンポラリトンを励起する入射光照射部と、局所的電磁場発生部とを兼ねることもできる。 The first method is to scatter at the edge of the metal film of the electromagnetic field conversion element. The edge may be an end portion that is an outer peripheral portion of the metal film, or may be an end portion of the opening or the like when the opening is provided in the metal film. Further, as will be described later, these edges can also serve as an incident light irradiation unit that excites surface plasmon polaritons by the second excitation method and a local electromagnetic field generation unit.
2つ目の方法としては、金属膜上に微小突起などの散乱体(突起部)を形成する方法がある。この突起部としては、例えば、金属膜上に金属微粒子を設け、突起部としてもよい。 As a second method, there is a method of forming a scatterer (projection) such as a minute projection on a metal film. As this protrusion, for example, metal fine particles may be provided on a metal film to form a protrusion.
また、表面プラズモンポラリトンは進行に伴って強度減衰が起こることから、これらのエッジおよび突起部等の局所的電磁場発生部から、金属膜同士の境界までの距離が、表面プラズモンポラリトンの伝播長以下であることが、強い局所的電磁場を得るためには望ましい
以下に、表面プラズモンポラリトンの励起および/または取り出しにおいて、金属膜上に形成された開口部等を用いる例について述べる。開口部等は、表面プラズモンポラリトンの励起用に用いても、表面プラズモンポラリトンの散乱用に用いてもよいし、これら2つの機能を兼ねるものであってもよい。
In addition, since surface plasmon polariton attenuates in strength as it progresses, the distance from the local electromagnetic field generation part such as these edges and protrusions to the boundary between metal films is less than the propagation length of surface plasmon polariton. In order to obtain a strong local electromagnetic field, an example in which an opening formed on a metal film or the like is used for excitation and / or extraction of surface plasmon polaritons will be described below. The opening or the like may be used for exciting the surface plasmon polariton, may be used for scattering the surface plasmon polariton, or may have both of these functions.
まず、開口部等を、表面プラズモンポラリトンの励起用にのみ用いる電磁場変換素子、つまり、入射光照射部としてのみ用いる電磁場変換素子について述べる。このような電磁場変換素子では、入射光照射部(この場合は開口部等)と局所的電磁場発生部とが別々に設けられることになる。このように、入射光照射部と空間的に離れた位置に設けた場合、記録媒体(局所的電磁場照射対象物)に局所的電磁場を照射する際に、上記入射光と上記局所的電磁場とが重なりにくくなる。つまり、入射光がバックグラウンドとして記録媒体に照射されないようにできるため、記録装置に用いたときに記録データのS/N(Signal to Noise ratio)を良くすることができる。 First, an electromagnetic field conversion element whose opening and the like are used only for excitation of surface plasmon polaritons, that is, an electromagnetic field conversion element used only as an incident light irradiation part will be described. In such an electromagnetic field conversion element, an incident light irradiation part (in this case, an opening or the like) and a local electromagnetic field generation part are provided separately. As described above, when the recording medium (local electromagnetic field irradiation target) is irradiated with a local electromagnetic field, when the recording medium (local electromagnetic field irradiation target) is irradiated, the incident light and the local electromagnetic field are It becomes difficult to overlap. In other words, since it is possible to prevent incident light from being applied to the recording medium as a background, the S / N (Signal to Noise ratio) of the recording data can be improved when used in a recording apparatus.
また、局所的電磁場発生部が設けられた金属膜と同じ金属膜に開口部等を設け、この開口部等を入射光照射部とした場合、表面プラズモンポラリトンが金属膜の境界を進行しなくてもよいため、金属膜の境界での表面プラズモンポラリトンの反射や散乱によって生じる表面プラズモンポラリトンのロスを防ぐことができる。 In addition, when an opening or the like is provided in the same metal film as the metal film provided with the local electromagnetic field generation unit, and this opening or the like is used as the incident light irradiation unit, the surface plasmon polariton does not travel the boundary of the metal film. Therefore, the loss of the surface plasmon polariton caused by the reflection or scattering of the surface plasmon polariton at the boundary of the metal film can be prevented.
また、それぞれの開口部等は、異なる2つの金属膜にまたがって形成してもよい。 In addition, each opening or the like may be formed across two different metal films.
次に、開口部等を、表面プラズモンポラリトンを散乱させるための局所的電磁場発生部としてのみ用いる電磁場変換素子について述べる。このような電磁場変換素子では、既に開口部等を表面プラズモンポラリトンの励起用にのみ用いる場合について述べたように、記録装置に用いたときに記録データのS/Nを良くすることができる。 Next, an electromagnetic field conversion element that uses an opening or the like only as a local electromagnetic field generator for scattering surface plasmon polaritons will be described. In such an electromagnetic field conversion element, as described in the case where the opening or the like is already used only for exciting the surface plasmon polariton, the S / N of the recording data can be improved when used in the recording apparatus.
開口部等を、表面プラズモンポラリトン励起用と散乱用とで兼用する場合は、表面プラズモンポラリトン12を励起するための開口部等と局所的電磁場発生部とを別々に作製しなくてもよい分、製造が容易であり、製造時間、コストともに削減できる。上記開口部等は入射光の波長より小さなサイズにすることが好ましい。これにより、入射光がそのまま上記開口部等を通過して、バックグラウンドとして記録媒体に照射される割合を抑えることができるため、記録装置に用いたときに記録データのS/Nを良くすることができる。また、このように開口部等を局所的電磁場発生部として用いる場合には、記録媒体上に照射される光のスポットの大きさが記録密度を決めるため、目的のスポットサイズになるように、開口部等のサイズを決めればよい。
In the case where the opening or the like is used for both the surface plasmon polariton excitation and the scattering, the opening for exciting the
以上述べた表面プラズモンポラリトン12の励起方法、増幅方法、局所的電磁場の取り出し方法を組み合わせて、いくつか具体的な電磁場変換素子の例を挙げ、微小領域に増幅された局所的電磁場が得られることを、FDTD法(finite-difference time-domain method)を用いたシミュレーションにより実証する。
Combining the excitation method, amplification method, and local electromagnetic field extraction method for the
〔実施の形態1〕
本発明の一実施形態について、図4〜6に基づいて説明すると以下のとおりである。
[Embodiment 1]
One embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS.
本実施の形態の電磁場変換素子24は、上述した第1の励起方法(Kretchmann配置)によって、表面プラズモンポラリトンを励起させ、電磁場として取り出すものである。図4に、本実施形態の電磁場変換素子24の斜視図を示す。
The electromagnetic
また、以下の実施の形態1〜5では、図4に示したように、透明基板9の長手方向をx軸方向、短手方向をy軸方向、透明基板9において金属膜(金属膜5・6・7)が形成される側の方向をz方向とする。
In the following first to fifth embodiments, as shown in FIG. 4, the longitudinal direction of the
同図に示すように、電磁場変換素子24は、透明基板9、透明基板9上に形成された金属膜5(第2金属膜)、金属膜6(第1金属膜)および、金属膜7(第2金属膜)を備える。金属膜5・6・7は、それぞれが透明基板9に接するように、透明基板9上の異なる領域に、ほぼ同じ膜厚で形成されている。また、それぞれの金属膜の境界は、直線であり、互いに平行であるものとする。つまり、金属膜5・6・7は、x軸方向にこの順に並んでおり、各々の金属膜の境界線はy軸方向に平行である。
As shown in the figure, the electromagnetic
金属膜6の幅w1、すなわち、金属膜5と金属膜6との境界から金属膜6と金属膜7との境界までの距離は、既に述べたように、表面プラズモンポラリトンの伝播長以下であることが望ましい金属膜6の幅w1が、表面プラズモンポラリトンの増幅効果、つまり入射光−電磁場変換効率に与える影響については、後のシミュレーションでも述べる。
The width w1 of the
表面プラズモンポラリトンを励起させるときには、金属膜5・6・7のどの金属膜に入射光11を照射してもよい。本実施の形態では、図4に示したように、透明基板9側から第1金属膜5へ、入射光11を入射させるものとする。この入射光11によって、上述したように、金属膜5の透明基板9と接しているのとは逆側(光が入射した面と逆側)の表面に、表面プラズモンポラリトン12が発生する。表面プラズモンポラリトン12は、入射光11の波数ベクトルの金属膜に平行な成分と同じ向きに進行する表面波である。
When exciting the surface plasmon polariton, any of the
金属膜5表面に発生した上記表面プラズモンポラリトン12は、図4中に矢印で示したように、金属膜6表面へと進行するそして、表面プラズモンポラリトン12が金属膜6の表面を進行して金属膜7に到達したところで、表面プラズモンポラリトン12が反射され、金属膜6へと戻る。この反射された表面プラズモンポラリトンがさらに金属膜5で反射されることにより、金属膜6表面で、表面プラズモンポラリトンの増幅が起こる。
The
このように、電磁場変換素子24は、金属膜5・6・7を備えているため、表面プラズモンポラリトン12を増幅することができる。
Thus, since the electromagnetic
このとき、後述するように、金属膜6と、金属膜5・7とは異なる材質であることが好ましく、さらには、金属膜6は、金属膜5・7よりも屈折率の小さい材質からなることが好ましい。また、金属膜5・7は同じ材質からなってもよいし、異なる材質からなってもよい。
At this time, as will be described later, the
また、金属膜5の誘電率が金属膜6の誘電率よりも大きい場合、金属膜5から金属膜6に表面プラズモンポラリトン12が進行してきたときに、表面プラズモンポラリトン12における電場の表面に平行かつ境界線に垂直な成分の強度が大きくなる。それゆえ、表面プラズモンポラリトン12が増幅されるという効果を奏する。なお、金属膜6に対する金属膜5の誘電率の比は、大きいことが好ましい。
When the dielectric constant of the
以上のようにして増幅された表面プラズモンポラリトン12は、電磁場変換素子24に記録媒体を近づけると散乱され、局所的電磁場として取り出される。つまり、本実施の形態においては、金属膜6の表面が、局所的電磁場発生部となる。
The
上記表面プラズモンポラリトン12を金属膜5表面で発生させるために、上記入射光11の入射角度は、上述したように、基板9と金属膜5との境界面に対して適切な角度であることが望ましい。また、上記入射光の偏光方向は、p偏光であることが、入射光−電磁場変換効率を高める上で望ましい。
In order to generate the
電磁場変換素子24での表面プラズモンポラリトン12の励起方法が、図4に示したように、既に述べた第1の励起方法である場合には、入射光11の波数ベクトルの入射光11の波数ベクトルの表面に平行な成分と、金属膜表面における金属膜の境界線とを、垂直にすることが好ましい。また、電磁場変換素子24における励起方法としては第2の励起方法を用いてもよいが、この場合には、表面プラズモンポラリトンを発生させる金属膜のエッジと表面上の金属膜境界とを平行にすることが好ましい。このとき、発生する表面プラズモンポラリトン12の進行方向と金属膜の境界とが垂直になるため、別の金属膜へ到達して反射されたときの、入射した表面プラズモンポラリトン12との重ね合わせが最も効率的に行われる。
When the excitation method of the
また、表面プラズモンポラリトンが誘電率の大きい金属膜から小さい金属膜へ進む場合に、表面プラズモンポラリトンの増幅効果が大きくなる。そして、表面プラズモンポラリトンが屈折率の小さい金属膜から大きい金属膜へ進み、反射される場合に、表面プラズモンポラリトンの増幅効果がさらに大きくなる。表面プラズモンポラリトン12の増幅効果を高くするには、表面プラズモンポラリトン12の進行する方向に基づいて、金属膜の組み合わせを適切に選択すればよい。
Further, when the surface plasmon polariton proceeds from a metal film having a large dielectric constant to a metal film having a small dielectric constant, the amplification effect of the surface plasmon polariton becomes large. When the surface plasmon polariton advances from the metal film having a low refractive index to the large metal film and is reflected, the amplification effect of the surface plasmon polariton is further increased. In order to increase the amplification effect of the
また、金属膜において、入射光11を照射する位置(入射光照射部の位置)は、特に限定されないが、金属膜5と金属膜6との境界の近傍であることが好ましい。これは、金属膜5の表面プラズモンポラリトン12が金属膜5で発生してから、金属膜6に到達するまでの距離が長すぎると、既に述べたように、表面プラズモンポラリトン12が減衰してしまい、入射光−電磁場変換効率が低くなるからである。
Further, the position of the metal film where the
また、金属膜6のx軸方向における幅w1、すなわち、金属膜5と金属膜7との間の距離は、発生した表面プラズモンポラリトン12の伝播長以下であることが好ましい。
The width w1 of the
また、本実施の形態では、金属膜5で発生させた表面プラズモンポラリトン12を、金属膜6で伝播させ、金属膜7と金属膜6との境界、および、金属膜5と金属膜6との境界で増幅させている。しかし、表面プラズモンポラリトン12は、直接金属膜6で発生させてもよい。
In the present embodiment, the
また、入射光11としては、平面波による光でもよいし、レンズなどで絞られた光であってもよい。レンズを用いる場合と平面波を用いる場合とのそれぞれのメリット・デメリットについては前述した通りである。
Further, the
以上は、第1の励起方法のうち、Kretchmann配置と呼ばれる方法を用いた場合について説明したが、上で述べた第1の励起方法の、Otto配置と呼ばれる方法を用いることもできる。 The case where the method called the Kretchmann arrangement is used in the first excitation method has been described above, but the method called the Ototo arrangement of the first excitation method described above can also be used.
本実施の形態では、表面プラズモンポラリトン12を散乱する散乱体が設けられていない。このような電磁場変換素子を記録装置に用いる場合は、電磁場変換素子から記録媒体(局所的電磁場照射物)までの距離が、表面プラズモンポラリトン12の波長の4分の1以下の範囲内になるようにすることが好ましい。また、後述するように、スリットまたは開口、または微小金属などの突起を形成して、表面プラズモンポラリトン12を散乱させることもできる。これらの散乱体を用いると、表面プラズモンポラリトン12を増幅および、より局所化させることが可能となるが、一方で、これらの散乱体の形が熱や記録媒体との衝突などにより経時変化すると、特性が変わるという問題がある。また、特に開口やスリットを用いた場合には、近接場光だけではなく、伝播光も発生するため、これらがバックグラウンドノイズとなってしまうという問題もある。散乱体を用いない構成では、これらの問題点を防ぐことができる。
In the present embodiment, a scatterer that scatters the
次に、この電磁場変換素子24の構成を用いて、FDTD法によるシミュレーションを行った結果について図5および図6に基づいて説明する。このシミュレーションでは、構成を簡単にするため、金属膜5および金属膜7を同じ材質とした。
Next, the result of simulation by the FDTD method using the configuration of the electromagnetic
図4における金属膜6をAg、金属膜5および金属膜7をAlとし、それぞれの金属膜の膜厚は11nmとして電磁場変換素子24を作製した。入射光11は波長600nmの平面波で、金属膜5(Al)の、金属膜5(Al)と金属膜6(Ag)との境界に近い部分に、透明基板9と金属膜5との界面に対して45度の入射角、かつp偏光で入射させた。
In FIG. 4, the
まず、金属膜6(Ag)の幅w1が、表面プラズモンポラリトンの増幅効果に与える影響について調べた。図5は、金属膜6(Ag)の幅w1に対する入射光−電磁場変換効率を示したグラフである。同図のグラフは横軸が金属膜6(Ag)の幅w1(nm)を、縦軸が入射光−電磁場変換効率を示す。また金属膜6(Ag)膜の幅w1が0nmとは、透明基板9上に金属膜としてAl膜のみを形成したことを示す。同図より、金属膜6(Ag)の幅w1を0〜600nmまで変化させたところ、w1に関わらず、金属膜6(Ag)と、金属膜5(Al)および第2第2金属膜(Al)7との2種類の金属が透明基板9上に形成されていることで、表面プラズモンポラリトン12の増幅が認められた。なおAg膜のみを基板上に設けた場合もAl膜のみの場合とほぼ同じ強度であった(図示せず)。また、表面プラズモンポラリトンの増幅効果は、金属膜6(Ag)幅w1が200nm前後であるときに最大になることが分かった。
First, the influence of the width w1 of the metal film 6 (Ag) on the amplification effect of the surface plasmon polariton was examined. FIG. 5 is a graph showing incident light-electromagnetic field conversion efficiency with respect to the width w1 of the metal film 6 (Ag). In the graph of the figure, the horizontal axis indicates the width w1 (nm) of the metal film 6 (Ag), and the vertical axis indicates the incident light-electromagnetic field conversion efficiency. The width w1 of the metal film 6 (Ag) film of 0 nm indicates that only the Al film is formed as the metal film on the
次に、図4の金属膜5および金属膜7の金属材料の屈折率と、金属膜6の金属材料の屈折率との比(n比)に対する入射光−電磁場変換効率を調べた。
Next, the incident light-electromagnetic field conversion efficiency with respect to the ratio (n ratio) between the refractive index of the metal material of the
図6は、金属膜6の金属材料を変えたときの入射光−電磁場変換効率を示すグラフである。金属膜5および金属膜7をAlに固定し、金属膜6の金属材料として、同図に示したように、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)またはマンガン(Mn)を用いた。同グラフの横軸は、金属膜6の金属材料の、金属膜7(Al)に対する屈折率比(n比)、すなわち、〔金属膜6の金属材料の屈折率/Alの屈折率〕であり、縦軸は、入射光−電磁場変換効率である。また、透明基板9上にAl膜のみを形成した場合についても、併せてグラフに示した。
FIG. 6 is a graph showing incident light-electromagnetic field conversion efficiency when the metal material of the
図6に示したように、Al膜のみを形成した場合に比べて、他の金属材料からなる金属膜を併せて形成した方が、他のどの金属材料を用いても、入射光−電磁場変換効率が高かった。すなわち、金属膜6として、金属膜5および金属膜7とは異なる金属材料を用いることで、表面プラズモンポラリトン12の増幅効果が得られた。
As shown in FIG. 6, compared to the case where only the Al film is formed, the incident light-electromagnetic field conversion can be achieved when the metal film made of another metal material is formed together, regardless of which other metal material is used. The efficiency was high. That is, the amplification effect of the
また、金属膜6の金属材料の屈折率に対して、金属膜5および金属膜7の金属材料の屈折率が大きいほど、この増幅効果は大きくなった。すなわち、本実施の形態の電磁場変換素子24において、金属膜5および金属膜7の金属材料の屈折率に対して、金属膜6の金属材料の屈折率は小さいことが好ましい。本シミュレーションにおいては、金属膜5およびに金属膜7のAlに対して、金属膜6として、Ag、Au、およびCuのいずれかを用いることが好ましい。
Further, the amplification effect increased as the refractive index of the metal material of the
〔実施の形態2〕
本発明に係る電磁場変換素子の他の実施の形態について、図7に基づいて説明する。
[Embodiment 2]
Another embodiment of the electromagnetic field conversion element according to the present invention will be described with reference to FIG.
図7に、本実施の形態に係る電磁場変換素子25の斜視図を示す。
FIG. 7 is a perspective view of the electromagnetic
ただし、以下の説明においては、図4の電磁場変換素子24と同様の機能を有する部材に関しては同符号を付してその説明を省略する。
However, in the following description, members having the same functions as those of the electromagnetic
同図に示すように、電磁場変換素子25は、図4の電磁場変換素子24と同じように、透明基板9上に、金属膜5・6・7が形成されている。
As shown in the figure, in the electromagnetic
ただし、図4とは異なり、金属膜6の一部分の、金属膜7との境界線の中点から幅dに渡る領域(領域60)が、上記境界に垂直に、金属膜7側に伸びており、金属膜7は、この領域60によって、2つの領域(金属膜7a・7b)に分断されている。この領域60の幅d、すなわち金属膜7aおよび領域60の境界線と、領域60および金属膜7bの境界線との間の距離は、局所的電磁場の発生する領域の長さを決める。
However, unlike FIG. 4, a region (region 60) of a part of the
電磁場変換素子25は、実施の形態1と同じくKretchmann配置であり、表面プラズモンポラリトン12を励起させるときは、図に示したように、金属膜5における、金属膜6との境界の近傍に、入射光11を入射させる。入射光11は、上述したように、偏光方向がp偏光であるときに、最も効率よく表面プラズモンポラリトン12を励起できる。入射光11の入射により金属膜5の表面に発生した表面プラズモンポラリトン12は、上述したように、金属膜6表面へと進行し、金属膜7(金属膜7a・7b)との境界で増幅される。
The electromagnetic
本実施の形態に係る電磁場変換素子25では、後述するように、上記領域60の端部、つまりエッジ8で表面プラズモンポラリトンの散乱が起きる(図8参照)。つまり、電磁場変換素子25においては、領域60のエッジ8が局所的電磁場発生部となる。よって、電磁場変換素子25の領域60のエッジ側の側面を含む平面の近傍、すなわち点線4Aで示した平面の近傍、または、電磁場変換素子25の透明基板9側と逆の面を含む平面の近傍、すなわち、点線4Bで示した平面の近傍に記録媒体を置くことで、上記記録媒体に局所的電磁場を照射することができる。点線4Bで示した平面近傍に記録媒体を置くと、金属膜5および金属膜6表面の表面プラズモンポラリトン12が、領域60のエッジで散乱された局所的電磁場に重なって、バックグラウンドとして、記録媒体に照射されてしまう可能性がある。しかし、点線4Aで示した平面の近傍に記録媒体を置いた場合、このようなことが起こりにくいため、記録装置に用いたときに記録データのS/Nを良くすることができる。
In the electromagnetic
この電磁場変換素子25の構成を用いて、FDTD法によるシミュレーションを行った結果について、図8に基づいて説明する。
A result of simulation by the FDTD method using the configuration of the electromagnetic
このシミュレーションでは、図7に示した透明基板9をガラス、金属膜6をAg、金属膜5および金属膜7(金属膜7a・7b)をAlとした。各々の金属膜の膜厚を11nmとし、金属膜6の幅w2(図7参照)、すなわち、金属膜5と金属膜6との境界線から、金属膜6と金属膜7との境界線までの距離を300nmとし、領域60の幅d(図7参照)、すなわち、金属膜7aと領域60との境界から領域60と金属膜7bとの境界までの距離を100nmとした。入射光11は波長600nmの平面波で、金属膜5に対して入射角度約45度のp偏光とした。
In this simulation, the
図8に、以上のように構成された電磁場変換素子25の電磁場の分布を示す。図8に示したように、領域60のエッジ部分で、強い局所的電磁場が得られた。これは図7に示した金属膜7a・7bと金属膜5との間の金属膜6表面で増幅された表面プラズモンポラリトン12の一部が、領域60を伝播し、この領域60のエッジ部分で散乱されたためである。
FIG. 8 shows an electromagnetic field distribution of the electromagnetic
〔実施の形態3〕
以下に、本発明の他の実施の形態に係る電磁場変換素子26について、図9に基づいて説明する。
[Embodiment 3]
Hereinafter, an electromagnetic
図9に本実施の形態の電磁場変換素子26の斜視図を示す。
FIG. 9 is a perspective view of the electromagnetic
ただし、以下の説明においては、図4の電磁場変換素子24と同様の機能を有する部材に関しては同符号を付してその説明を省略する。
電磁場変換素子26は、図4の電磁場変換素子24と同じように、金属膜5、金属膜6、および金属膜7が形成されている。
However, in the following description, members having the same functions as those of the electromagnetic
In the electromagnetic
しかし、上述の実施の形態1とは異なり、本実施の形態に係る電磁場変換素子26では、図9に示したように、局所的電磁場発生部として、金属膜6および金属膜7中に、スリットが形成されている。このスリットは、金属膜7の金属膜6と接している面と逆側の端部から、金属膜7を二等分するように形成されており、金属膜6と金属膜7との境界線の中点を通り、上記境界線に直交して、金属膜6の中央にまで達している。
However, unlike the above-described first embodiment, in the electromagnetic
本実施の形態では、スリットは、金属膜7を二等分するものとした。しかし、本発明の電磁場変換素子においては、スリットの形態はこれに限定されず、y軸方向に偏って形成されていてもよい。ただし、スリットの中心線の延長上に、入射光の強度中心が照射されるのがよい。
In the present embodiment, the slit bisects the
電磁場変換素子26は、実施の形態1と同じくKretchmann配置であり、表面プラズモンポラリトンを励起させるときは、図9に示したように、金属膜5の金属膜6との境界の近傍に、入射光11を入射させる。入射光11は、上述したように、偏光方向がp偏光であるときに最も効率よく表面プラズモンポラリトンを励起できる。入射光11の入射により金属膜5の表面に発生した表面プラズモンポラリトン12は、上述したように、金属膜6表面へと進行し、金属膜7との境界で増幅される。
The electromagnetic
この増幅された表面プラズモンポラリトンは、電磁場変換素子26では、上記スリットのエッジで散乱され、局所的電磁場として取り出される。
The amplified surface plasmon polariton is scattered at the edge of the slit in the electromagnetic
以上のように、第1の励起方法によって、すなわち、透明基板9側から入射光11をかつスリットによって局所的電磁場を取り出すと、入射光11は、局所的電磁場発生部であるスリットに直接当たることはない。よって、記録媒体に局所的電磁場を照射する際に、上記入射光と上記局所的電磁場とが重なりにくくなる。すなわち、入射光11が、バックグラウンドとして上記記録媒体に照射されないので、本実施の形態の電磁場変換素子を記録装置に用いると、記録データのS/Nを良くすることができる。
As described above, when the local electromagnetic field is extracted by the first excitation method, that is, when the incident
次に、電磁場変換素子26を用いて、具体的に次のような構成でシミュレーションを行った結果について、図10に基づいて説明する。透明基板9をガラス、金属膜6をAg、金属膜5および金属膜7をAlとした。各々の金属膜の膜厚を11nm、金属膜6(Ag)の幅w3、すなわち、金属膜5(Al)と金属膜6(Ag)との境界線と、金属膜6(Ag)と金属膜7(Al)との境界線との間の距離を300nm、スリットの短手方向の幅を100nmとした。入射光11は波長600nmの平面波で、透明基板9と金属膜5との界面に対して入射角が約45度のp偏光で入射した。入射角および金属膜5(Al)の膜厚は、金属膜5(Al)で表面プラズモンポラリトン12が発生するように選択した。
Next, the results of simulation using the electromagnetic
図10は、上記構成の電磁場変換素子26における電磁場の分布を示したグラフである。同グラフにおいては、図9の鎖線上、すなわち、スリットに平行かつ上記スリットの中央を通るライン上の電磁場の強度分布を実線で示す。横軸は、金属膜6(Ag)の中央、すなわち、スリットの金属膜6側の末端部からの距離を示す。縦軸は、入射光強度に対する局所的電場強度の比、すなわち、入射光−電磁場変換効率を示す。比較のために、透明基板9上に、Al膜のみを形成して、同条件で局所的電磁場をシミュレーションした結果を点線で示した。
FIG. 10 is a graph showing the distribution of the electromagnetic field in the electromagnetic
同グラフより、スリットの金属膜6側の末端部近傍で、入射光−電磁場変換効率のピークが得られた。また、金属膜がAl膜のみの場合(点線)に比べて、金属膜6(Ag)を形成した場合(実線)の方が、ピークにおける入射光−電磁場変換効率が大きく、表面プラズモンポラリトンの増幅が起こっていることが分かる。
From the graph, a peak of incident light-electromagnetic field conversion efficiency was obtained near the end of the slit on the
〔実施の形態4〕
以下に、本発明の実施の形態に係る電磁場変換素子27について、図11に基づいて説明する。
[Embodiment 4]
Below, the electromagnetic
図11に、本実施の形態の電磁場変換素子27の斜視図を示す。
In FIG. 11, the perspective view of the electromagnetic
ただし、以下の説明においては、図4の電磁場変換素子24と同様の機能を有する部材に関しては同符号を付してその説明を省略する。
However, in the following description, members having the same functions as those of the electromagnetic
同図に示したように、電磁場変換素子27は、図4の電磁場変換素子24と同じように、金属膜5、金属膜6、および金属膜7が形成されている。しかし、電磁場変換素子24とは異なり、局所的電磁場発生部として、金属突起10が、金属膜6上に設けられている
電磁場変換素子27は、実施の形態1と同じくKretchmann配置であり、表面プラズモンポラリトンを励起させるときは、図11に示したように、金属膜5の、金属膜6との境界の近傍に、入射光11を入射させる。入射光11は、上述したように、偏光方向がp偏光であるときに最も効率よく表面プラズモンポラリトンを励起できる。入射光11の入射により金属膜5の表面に発生した表面プラズモンポラリトン12は、上述したように、金属膜5および金属膜7で反射されて重ね合わされ、金属膜6表面で増幅される。
As shown in the figure, in the electromagnetic
電磁場変換素子27では、上述したように、金属膜6上に金属突起(突起部)10が設けられていることから、増幅された表面プラズモンポラリトンが、この金属突起10で散乱され、局所的電磁場として取り出される。すなわち、電磁場変換素子27においては、金属突起10が局所的電磁場発生部となる。
In the electromagnetic
以上のように、本実施の形態では、第1の励起方法によって、すなわち透明基板9側から金属膜5に入射光11を照射することで、表面プラズモンポラリトン12を励起し、かつ金属膜6上の金属突起10によって局所的電磁場を取り出す。従って、入射光11が金属突起10(局所的電磁場発生部)に直接照射されることがない。よって、記録媒体に金属突起10で散乱された局所的電磁場を照射する際に、入射光11が、上記局所的電磁場、記録媒体に照射されない、本実施の形態の電磁場変換素子を記録装置に用いると、記録データのS/Nを良くすることができる。
As described above, in the present embodiment, the
入射光11は金属膜6に照射してもよく、この場合、入射角および金属膜の厚みはこれに伴い最適な状態にする。ただし、既に述べたように金属膜同士の境界は表面プラズモンポラリトン12の伝播長より十分短いことが望ましいため、金属膜6の面積は光の回折限界より小さくなる。よって、入射光11の照射面積を小さくし、表面プラズモンポラリトン12の発生条件が違う金属膜5または金属膜7に多くの光が照射され、光の利用効率が下がることを防ぐことが望ましい。
The
本実施の形態に係る電磁場変換素子27では、金属突起10の高さの分、表面プラズモンポラリトン12の局所的電磁場と金属突起10で散乱された局所的電磁場が重なりにくくなるので、表面プラズモンポラリトン12が記録媒体に照射されにくい。つまり、電磁場変換素子27を記録装置に用いると、記録データのS/Nを良くすることができる。
In the electromagnetic
また、局所的電磁場を記録媒体に近づけるにあたり、局所的電磁場発生部が電磁場変換素子の金属膜(金属膜5、金属膜6、および金属膜7)と同じ平面状にあったため、記録媒体との平行度などに高い精度が要求されたが、電磁場変換素子27では、要求される精度が緩和される。
Further, when the local electromagnetic field is brought closer to the recording medium, the local electromagnetic field generating portion is in the same plane as the metal film (
また、金属突起10の材料は、金属突起10の形成されている金属膜(本実施の形態では金属膜6)と同じであってもよく、異なっていてもよい。金属突起10の形や材料を変えると、表面プラズモンポラリトン12を局所的電磁場として取り出す散乱効率も変わる。
Further, the material of the
次に、電磁場変換素子27を用いて、FDTD法によるシミュレーションを行った結果について図12に基づいて説明する。
Next, the results of simulation by the FDTD method using the electromagnetic
このシミュレーションにおいて、図11の透明基板9をガラス、金属膜6をAg、金属膜5および金属膜7をAlとした。各金属膜の膜厚は11nmとし、金属膜6(Ag)の幅w4、すなわち金属膜5(Al)と金属膜6(Ag)との境界線と、金属膜6(Ag)と金属膜7(Al)との境界線との間の距離を300nmとした。また、金属突起10を金属膜6の中央に、材質がAgで直径100nm、高さ50nmの円錐として設けた。入射光11は波長600nmの平面波で、透明基板9と金属膜5(Al)の界面に対して入射角が約45度のp偏光で入射した。入射角および各々の金属膜の膜厚は、金属膜5(Al)で表面プラズモンポラリトン12が発生するように選択した。
In this simulation, the
図12に、図11の鎖線上、すなわち、x軸方向に平行で金属突起10の先端を通るライン上の入射光−電磁場変換効率の分布のグラフを示す。このグラフでは横軸は金属突起10からの距離である。縦軸は、入射光−電磁場変換効率を示す。比較のために金属膜をAg膜のみとした場合の結果を点線で示す。図12から、金属膜が1種の場合に比べて、金属膜を2種としたことによって電場集中が増幅されていることがわかる。
FIG. 12 shows a graph of the incident light-electromagnetic field conversion efficiency distribution on the chain line in FIG. 11, that is, on the line parallel to the x-axis direction and passing through the tip of the
〔実施の形態5〕
以下に、本発明に係る電磁場変換素子の他の実施の形態について、図13に基づいて説明する。
[Embodiment 5]
Below, other embodiment of the electromagnetic field conversion element which concerns on this invention is described based on FIG.
図13に、本実施の形態の電磁場変換素子28の斜視図を示す。
In FIG. 13, the perspective view of the electromagnetic
ただし、以下の説明においては、図4の電磁場変換素子24と同様の機能を有する部材に関しては同符号を付してその説明を省略する。
However, in the following description, members having the same functions as those of the electromagnetic
電磁場変換素子28は、第2の励起方法で表面プラズモンポラリトンを励起するものである。透明基板9上に、金属膜7c、金属膜6a、金属膜6b、および金属膜7dがこの順にx軸方向に並んで形成されている。また、金属膜7aと金属膜6aとは接するように形成され、金属膜6bと金属膜7bとは接するように形成されており、金属膜6aと金属膜6bとの間にはスリットが形成されている。各々の金属膜の境界線およびスリットは直線かつ平行である。つまり各々の金属膜の境界線およびスリットは、y軸方向に平行である。
The electromagnetic
本実施の形態において表面プラズモンポラリトンを励起するとき、入射光11は、上で述べた第2の励起方法を用いており、スリットに向けて金属膜6(金属膜6a・6b)と透明基板9との界面に垂直な方向で入射される。これにより、金属膜6の表面に発生した表面プラズモンポラリトン12は、スリットのエッジからスリットの外側に向けて進行し、金属膜7(金属膜7a・7b)に到達し、金属膜6表面で増幅が起きる。増幅された表面プラズモンポラリトン12は、励起用に用いたスリットと同じスリットのエッジで散乱され、局所的電磁場として取り出される。
In the present embodiment, when exciting the surface plasmon polariton, the incident light 11 uses the second excitation method described above, and the metal film 6 (
次に、電磁場変換素子28を用いて、FDTD法によるシミュレーションを行った結果について図14〜16に基づいて説明する。
Next, the results of simulation by the FDTD method using the electromagnetic
上記のような構成の電磁場変換素子において、図13に示す金属膜6としてAgを、金属膜7としてAlを用いたときに、金属膜6(Ag)のスリット端から、金属膜6(Ag)と金属膜7(Al)との境界までの幅が入射光−電磁場変換効率にあたえる影響を調べた。
In the electromagnetic field conversion element configured as described above, when Ag is used as the
図14に、スリット端(エッジ)から金属膜6a(金属膜6b)と金属膜7a(金属膜7b)との境界までの距離、すなわち金属膜6a(金属膜6b)の幅w5に対する入射光−電磁場変換効率のグラフを示した。図14の横軸はw5(nm)を、縦軸は入射光−電磁場変換効率を示す。なお、説明の便宜上、横軸の0は、金属膜6a(金属膜6b)のみを透明基板9上に形成して、スリットを形成した場合を示す。ここで入射光−電磁場変換効率は、入射光の強度に対するスリットのエッジ上での電磁場の強度である。
FIG. 14 shows the distance from the slit end (edge) to the boundary between the
入射光11は波長600nmの平面波で、透明基板9と金属膜6(Ag)の界面に対して入射角90度で入射したところ、図14に示したように、Agのみが形成された(w5=0nm)場合よりも、2種類の金属AgおよびAlを形成した方が入射光−電磁場変換効率は高かった。これは金属を2種類並べることにより、上述したように、金属膜6a(Ag)の表面で表面プラズモンポラリトンの増幅が起こったためである。また、この増幅効果はw5が0nm以外のどの値であっても見られたが、増幅効果がピークになるw5があり、それは300nm前後であり、表面プラズモンポラリトン12の波長(594nm)の約半分であった。
The
次に、図13に示した2つの金属膜6(金属膜6a・6b)(Ag)の幅をそれぞれ300nmに固定し、金属膜7a・7bの金属材料を替えることによって、金属膜6(Ag)の屈折率に対する金属膜7の金属材料の屈折率の比(n比)が入射光−電磁場変換効率に与える影響を調べた。金属膜7として、図15に示したように、Au、Cu、Al、Ni、Ti、Pt、およびMnを用いた。また金属膜としてAgのみを用い、金属膜7を形成しなかった場合の入射光−電磁場変換効率もあわせてシミュレーションした。
Next, by fixing the widths of the two metal films 6 (
図15に金属膜6(Ag)と金属膜7の屈折率の比(n比)、すなわち金属膜7の屈折率を金属膜6の屈折率で割った値に対する入射光−電磁場変換効率を示したグラフを示す。ここで入射光−電磁場変換効率は、入射光の強度に対するスリットのエッジ上での電磁場の強度である。
FIG. 15 shows the ratio of the refractive index of the metal film 6 (Ag) to the metal film 7 (n ratio), that is, the incident light-electromagnetic field conversion efficiency with respect to the value obtained by dividing the refractive index of the
図15に示したように、Agのみを用いた場合に比べて、金属膜7として他の金属膜を形成した方が、金属の種類に関わらず、入射光−電磁場変換効率は高かった。すなわち金属を2種類並べることにより、上述したように、金属膜6(Ag)の表面で表面プラズモンポラリトンの増幅が起こった。また、図15に示したように、金属膜6に対して金属膜7の金属材料の屈折率が大きいほど、この増幅効果は大きくなる傾向にあった。
As shown in FIG. 15, the incident light-electromagnetic field conversion efficiency was higher when another metal film was formed as the
次に、図13に示した金属膜6(Ag)の幅をそれぞれ300nmとし、金属膜7a・7bをAlとして、スリットを垂直に等分する直線上(図13中に示した鎖線)における入射光−電磁場変換効率の分布を調べた。
Next, the width of the metal film 6 (Ag) shown in FIG. 13 is set to 300 nm, the
図16はこの入射光−電磁場変換効率の分布を示した図であり、横軸にスリットの中心からの距離(nm)、縦軸に入射光−電磁場変換効率を示した。また比較として金属膜7(Al)を形成せず、金属膜6(Ag)のみとした場合の分布を点線で示した。 FIG. 16 is a diagram showing the distribution of the incident light-electromagnetic field conversion efficiency. The horizontal axis indicates the distance (nm) from the center of the slit, and the vertical axis indicates the incident light-electromagnetic field conversion efficiency. For comparison, the distribution when the metal film 7 (Al) is not formed and only the metal film 6 (Ag) is used is indicated by a dotted line.
図5より、スリットの中心から±50nmのところ、つまり、金属膜6(Ag)のエッジ部分で電磁場の鋭いピークが得られた。これは表面プラズモンポラリトンが金属膜6(Ag)のエッジで散乱したためである。また金属膜としてAg膜のみを用いた場合に比べて、金属膜6(Ag)および金属膜7(Al)を形成した場合の方が大きな入射光−電磁場変換効率を得られた。これは、2種類の金属膜を設けたことで表面プラズモンポラリトンの増幅が起きたためである。 From FIG. 5, a sharp peak of the electromagnetic field was obtained at ± 50 nm from the center of the slit, that is, at the edge portion of the metal film 6 (Ag). This is because the surface plasmon polariton is scattered at the edge of the metal film 6 (Ag). In addition, the incident light-electromagnetic field conversion efficiency was greater when the metal film 6 (Ag) and the metal film 7 (Al) were formed than when only the Ag film was used as the metal film. This is because the surface plasmon polariton was amplified by providing two types of metal films.
本発明の電磁場変換素子は、光により表面プラズモンポラリトンが励起される金属膜が透明基板に接していればよく、それ以外の金属膜は透明基板に接している必要はない。図17に、図13の金属膜7が透明基板9に接していない構成を示す。図17に示した電磁場変換素子29は、金属膜6で表面プラズモンポラリトンが励起されるものである。図17では金属膜7は金属膜6に埋め込まれて形成されており、透明基板9には接していないが、金属膜6で励起された表面プラズモンポラリトンは該金属膜6の表面を伝播して金属膜7に到達し、そこで反射され、増幅されるため、増幅効果に変化はない。
In the electromagnetic field conversion element of the present invention, the metal film whose surface plasmon polariton is excited by light may be in contact with the transparent substrate, and the other metal film does not need to be in contact with the transparent substrate. FIG. 17 shows a configuration in which the
〔実施の形態6〕
以下に、本発明に係る電磁場変換素子の他の実施の形態について、図22に基づいて説明する。
[Embodiment 6]
Below, other embodiment of the electromagnetic field conversion element which concerns on this invention is described based on FIG.
本実施の形態の電磁場変換素子30は、上述した第1の励起方法(Kretchmann配置)によって、表面プラズモンポラリトンを励起させ、電磁場として取り出すものである。図22に、本実施形態の電磁場変換素子30の斜視図を示す。
The electromagnetic
なお、本実施の形態でも、図22に示したように、透明基板9の長手方向をx軸方向、短手方向をy軸方向、透明基板9において金属膜(金属膜5・6)が形成される側の方向をz方向とする。
Also in this embodiment, as shown in FIG. 22, the
同図に示すように、電磁場変換素子30は、透明基板9、透明基板9上に形成された金属膜5(第2金属膜)、および金属膜6(第1金属膜)を備える。金属膜5・6は、それぞれが透明基板9に接するように、透明基板9上の異なる領域に、ほぼ同じ膜厚で形成されている。また、それぞれの金属膜の境界は、直線であり、互いに平行であるものとする。つまり、金属膜5・6は、x軸方向にこの順に並んでおり、各々の金属膜の境界線はy軸方向に平行である。
As shown in the figure, the electromagnetic
本実施の形態では、図22に示したように、透明基板9側から金属膜5へ、入射光11を入射させるものとする。この入射光11によって、上述したように、金属膜5の透明基板9と接しているのとは逆側(光が入射した面と逆側)の表面に、表面プラズモンポラリトン12が発生する。表面プラズモンポラリトン12は、入射光11の波数ベクトルの金属膜に平行な成分と同じ向きに進行する表面波である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 22,
金属膜5表面に発生した上記表面プラズモンポラリトン12は、図22中に矢印で示したように、金属膜6表面へと進行する。金属膜5の誘電率が金属膜6の誘電率よりも大きい場合、金属膜5から金属膜6へ進行した表面プラズモンポラリトン12における、電場の表面に平行かつ金属膜5・6の境界線に垂直な成分の強度が大きくなる。
The
このように、電磁場変換素子30は、金属膜5・6を備えているため、表面プラズモンポラリトン12を増幅することができる。なお、金属膜6に対する金属膜5の誘電率の比は、大きいことが好ましい。
Thus, since the electromagnetic
以上のようにして増幅された表面プラズモンポラリトン12は、電磁場変換素子30に記録媒体を近づけると散乱され、局所的電磁場として取り出される。つまり、本実施の形態においては、金属膜6の表面が、局所的電磁場発生部となる。
The
上記表面プラズモンポラリトン12を金属膜5表面で発生させるために、上記入射光11の入射角度は、上述したように、基板9と金属膜5との境界面に対して適切な角度であることが望ましい。また、上記入射光の偏光方向は、p偏光であることが、入射光−電磁場変換効率を高める上で望ましい。
In order to generate the
電磁場変換素子30での表面プラズモンポラリトン12の励起方法が、図22に示したように、既に述べた第1の励起方法である場合には、入射光11の波数ベクトルの入射光11の波数ベクトルの表面に平行な成分と、金属膜表面における金属膜の同士境界線とを、垂直にすることが好ましい。
When the excitation method of the
また、電磁場変換素子30における励起方法としては第2の励起方法を用いてもよいが、この場合には、表面プラズモンポラリトンを発生させる金属膜5のエッジと、金属膜表面上の金属膜5・6間の境界線とを平行にすることが好ましい。このとき、金属膜5で発生した表面プラズモンポラリトン12の進行方向と、金属膜5・6間の境界線とが垂直になる。それゆえ、表面プラズモンポラリトン12が金属膜6へ到達したとき、電場の表面に平行かつ境界線に垂直な成分が最も効率よく増幅される。つまり、このとき、誘電率が異なることによる表面プラズモンポラリトンの強度増幅が最も効率的に行われる。表面プラズモンポラリトン12の増幅効果を高くするには、表面プラズモンポラリトン12の進行する方向に基づいて、金属膜の組み合わせを適切に選択すればよい。
The second excitation method may be used as the excitation method in the electromagnetic
また、金属膜において、入射光11を照射する位置(入射光照射部の位置)は、特に限定されないが、金属膜5と金属膜6との境界の近傍であることが好ましい。これは、金属膜5の表面プラズモンポラリトン12が金属膜5で発生してから、金属膜6に到達するまでの距離が長すぎると、既に述べたように、表面プラズモンポラリトン12が減衰してしまい、入射光−電磁場変換効率が低くなるからである。
Further, the position of the metal film where the
また、入射光11としては、平面波による光でもよいし、レンズなどで絞られた光であってもよい。レンズを用いる場合と平面波を用いる場合とのそれぞれのメリット・デメリットについては前述した通りである。
Further, the
以上は、第1の励起方法のうち、Kretchmann配置と呼ばれる方法を用いた場合について説明したが、上で述べた第1の励起方法の、Otto配置と呼ばれる方法を用いることもできる。 The case where the method called the Kretchmann arrangement is used in the first excitation method has been described above, but the method called the Ototo arrangement of the first excitation method described above can also be used.
本実施の形態では、表面プラズモンポラリトン12を散乱する散乱体が設けられていない。このような電磁場変換素子を記録装置に用いる場合は、電磁場変換素子から記録媒体(局所的電磁場照射物)までの距離が、表面プラズモンポラリトン12の波長の4分の1以下の範囲内になるようにすることが好ましい。また、スリットまたは開口、または微小金属などの突起を形成して、表面プラズモンポラリトン12を散乱させることもできる。これらの散乱体を用いると、表面プラズモンポラリトン12を増幅および、より局所化させることが可能となるが、一方で、これらの散乱体の形が熱や記録媒体との衝突などにより経時変化すると、特性が変わるという問題がある。また、特に開口やスリットを用いた場合には、近接場光ではなく、伝播光も発生するため、これらがバックグラウンドノイズとなってしまうという問題もある。散乱体を用いない構成では、これらの問題点を防ぐことができる。
In the present embodiment, a scatterer that scatters the
次に、この電磁場変換素子30の構成を用いて、FDTD法によるシミュレーションを行った結果について図23に基づいて説明する。
Next, the result of simulation by the FDTD method using the configuration of the electromagnetic
図22の金属膜6の金属材料の誘電率に対する入射光−電磁場変換効率を調べた。
The incident light-electromagnetic field conversion efficiency with respect to the dielectric constant of the metal material of the
図23は、金属膜6の金属材料を変えたときの入射光−電磁場変換効率を示すグラフである。金属膜5をAlに固定し、金属膜6の金属材料として、同図に示したように、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)またはマンガン(Mn)を用いた。同グラフの横軸は、金属膜6の金属材料の誘電率の大きさであり、縦軸は、入射光−電磁場変換効率である。また、透明基板9上にAl膜のみを形成した場合についても、併せてグラフに示した。
FIG. 23 is a graph showing incident light-electromagnetic field conversion efficiency when the metal material of the
図23に示したように、Al膜のみを形成した場合に比べて、他の金属材料からなる金属膜を併せて形成した方が、他のどの金属材料を用いても、入射光−電磁場変換効率が高かった。すなわち、金属膜6として、金属膜5とは異なる金属材料を用いることで、表面プラズモンポラリトン12の増幅効果が得られた。
As shown in FIG. 23, compared to the case where only the Al film is formed, incident light-electromagnetic field conversion is achieved when the metal film made of another metal material is used together, regardless of which other metal material is used. The efficiency was high. That is, the amplification effect of the
また、金属膜6の金属材料の誘電率に対して、金属膜5の金属材料の誘電率が大きいほど、この増幅効果は大きくなった。すなわち、本実施の形態の電磁場変換素子30において、金属膜5の金属材料の誘電率に対して、金属膜6の金属材料の誘電率は小さいことが好ましい。本シミュレーションにおいては、金属膜5のAlに対して、金属膜6として、Au、およびCuのいずれかを用いることが好ましい。
In addition, the amplification effect increased as the dielectric constant of the metal material of the
本実施の形態では、金属膜を2枚しか用いていないため、第1から5までの実施の形態のように非常に幅の細い金属膜6を作成する必要がないため、マスク作成精度または、金属膜のアライメントに要する精度が軽減されるという利点がある。
In the present embodiment, since only two metal films are used, it is not necessary to create a very
〔電磁場変換素子の製造方法〕
以上に述べてきた本発明の電磁場変換素子の製造方法について、図18(a)〜図18(f)に基づいて説明する。
[Method of manufacturing electromagnetic field conversion element]
The manufacturing method of the electromagnetic field conversion element of the present invention described above will be described based on FIGS. 18 (a) to 18 (f).
図18(a)〜図18(f)は、図13で示した電磁場変換素子28の製造方法を示す図である。電磁場変換素子28は、RIE(反応性イオンエッチ)などのドライエッチプロセスによって、以下のように製造することができる。
18 (a) to 18 (f) are diagrams showing a method for manufacturing the electromagnetic
まず、透明基板9上に、金属膜7をスパッタまたは蒸着により製膜する。その上にフォトレジスト15をスピンコーターなどにより塗布する。このとき、フォトレジスト15がポジ型である場合は、金属膜6を形成したい部分以外をマスク14で覆う(図18(a))。マスク14で覆われた状態で、露光し、現像することで、マスク14で覆われていない部分のフォトレジスト15は取り除かれる(図18(b))。次に、RIEを行って、フォトレジスト15が除去された部分の金属膜7をエッチングする(図18(c))。このエッチングの過程で、フォトレジスト15で覆われていない部分の金属膜7をすべて取り除くことで、図13の電磁場変換素子28のように、透明基板9に金属膜6が接する構造にすることができる。
First, the
エッチングの後、金属膜6を蒸着により製膜し(図18(d))、マスク14で覆われて残ったフォトレジスト15を除去すると、金属膜6と金属膜7とが隣接した構造になる(図18(e))。金属膜表面にバリなどがある場合は、表面を研磨してやればよい。
After the etching, the
開口やスリットは、所望の部分をFIB(フォーカスインビーム)で取り除くことで得られる(図18(f))。 The opening and the slit can be obtained by removing a desired portion with FIB (focus in beam) (FIG. 18 (f)).
一方、金属膜6を先に形成し、その後エッチングによって金属膜6を取り除くときに、エッチング量、つまり金属膜6の掘り込みの深さを変えることによって金属膜7と透明基板9との間の金属膜6の厚さを調節することができる。つまり、掘り込みを浅くすることで、図17の電磁場変換素子29のように、金属膜7が透明基板9に接しないような構造にすることもできる。
On the other hand, when the
また、別の基板上に金属膜7、金属膜6、金属膜7の順に製膜し、その側面に透明基板9を付けて、該透明基板9を付けたのとは逆側の側面を研磨するか、またはFIBで切断することで、透明基板9上に金属膜6および金属膜7を形成することもできる。
Further, the
また、図11に示した電磁場変換素子27のように金属突起10を設ける場合は、金属膜上の所望の場所に突起を形成すればよい。
When the
〔記録装置〕
以下、本発明の電磁場変換素子を用いた記録装置について、図19を用いて説明する。
[Recording device]
Hereinafter, a recording apparatus using the electromagnetic field conversion element of the present invention will be described with reference to FIG.
図19は、本実施の形態にかかる電磁場変換素子を用いた記録装置30の斜視図である。この記録装置30は、少なくとも電磁場変換素子2、光源31、駆動部32、スピンドル33、および制御部40を備えている。なお、電磁場変換素子2は、前記した電磁場変換素子21、22、23、24、25、26、27、28、および29のいずれであっても構わない。
FIG. 19 is a perspective view of a
駆動部32は、アーム37、回転軸35、および、スライダ36を備えている。スライダ36には、電磁場変換素子2、光源31が搭載されている。光源31は電磁場変換素子2に光を照射するものであり、電磁場変換素子2は、光源31からの光を電磁場に変換して、記録媒体50に照射することで、記録媒体50に対して記録および/または再生を行う。また、スライダ36は、ディスク形状の記録媒体50と電磁場変換素子2との間の距離を制御している。アーム37は、ディスク形状の記録媒体50の略半径方向にスライダ36を移動させるスイングアーム構造の支持部である。このアーム37は、回転軸35を中心に回転することが可能となっている。スピンドル33は、記録媒体50を回転させるスピンドルモータに相当するものである。
The
電磁場変換素子2で発生する局所的電磁場は、発生位置から離れるにしたがって強度が落ちるので、記録媒体5の記録層に十分な強度で局所的電磁場を照射するには、記録媒体5と電磁場変換素子2との距離ができるだけ短い方がよい。そこで、電磁場変換素子2はスライダ36に搭載されており、電磁場変換素子2から記録媒体5の記録面までの距離は、スライダ36の構造により制御されている。現在一般的にこの距離は、数nm程度である。本実施の形態では、電磁場変換素子2と記録媒体5の記録面との距離が、上記電磁場変換素子2で発生した局所的電磁場の波長の4分の1以下に制御されることが好ましい。
Since the intensity of the local electromagnetic field generated by the electromagnetic
図19では、この電磁場変換素子2に対して光を照射する光源として、光源31がアーム37に設けられている。
In FIG. 19, a
制御部40は、スライダ36および電磁場変換素子2を記録媒体50の所望の位置に走査するために、駆動部32におけるアーム37の回転位置を制御するアクセス回路42と、電磁場変換素子2における局所的電磁場の強度、および、光源3におけるレーザー光の照射時間を制御するためのレーザー駆動回路43、記録媒体50の回転駆動を制御するスピンドル駆動回路44、およびこれらを統括的に制御する制御回路41を備えている。
The
この記録装置30の光源31としては、特に種類は限定されないが、小型化を優先する場合には半導体レーザーが好ましく、また光強度が必要な場合はガスレーザー、固体レーザー、またはパルスレーザーを利用すればよい。
The
図19では、光源31は半導体レーザーであり、電磁場変換素子2と一体化して駆動部32に搭載されているが、電磁場変換素子2と光源31とは個別に設けてもよい。
In FIG. 19, the
電磁場変換素子2と光源31とを一体化する場合、電磁場変換素子2を光源31の直後に設置してもよいし、光源3の出射口に直接金属膜を蒸着し加工することによって電磁場変換素子2を構成してもよい。この場合、一体化された光源31と電磁場変換素子2とが共に駆動部32に搭載される。このように一体化すると、部品点数が少なく、組立て精度が上がるため、信頼性が上がる。また小型になるという利点がある。
In the case where the electromagnetic
光源3と電磁場変換素子2とを個別に設ける場合は、光源3からの光を電磁場変換素子2に導く手段を別途設ける。図20に、光源31からの光を電磁場変換素子2に導く手段の例を示す。この例では、アーム37に、アーム37の軸に対して、その反射面が上側45度の角度をもつミラー38が設置されている。このミラー38に光源3から光がアーム37の軸に対して真上90度の方向から照射される。ミラー38で反射された光は、アーム37の軸に平行にアーム37の先端方向へ進み、アーム37の先端近傍に配置されているミラー39に照射される。ミラー39は、アーム37の軸に対して、その反射面が下側45度の角度となるように設置されており、このミラー39が、ミラー38で反射された光を電磁場変換素子2へと導く。アーム37において、ミラー39から電磁場変換素子2に至る光の光路となる領域には、光が透過するように開口を設けておく。アーム37が回転しても、光源31からの光がアーム37のミラー38に真上から入射されていれば、このミラー38で反射される方向はアーム37の軸に沿った方向となる。すなわち、ミラー38において反射された光は、アーム37の先端のミラー39で反射されて、常に電磁場変換素子2に照射されることになる。
When the
なお、光を電磁場変換素子2に導く手段としては、レンズまたはミラーなどの光学部品の組み合わせでもよいし、光ファイバーのような導波路を用いてもよい。また光源3は、図20に示したようにアーム37から離れて設置されていてもよい。また、光源31をアーム37におけるミラー38の位置に設置し、ミラー39の方向へ光を出射させることによって、図20に示した構成と同様に、ミラー39によって光を電磁場変換素子2に照射することができる。
As a means for guiding light to the electromagnetic
このように光源31と電磁場変換素子2とを個別に設けた場合には、光源3と電磁場変換素子2が空間的に離れて設置されるため、光源3が電磁場変換素子2で発生する熱の影響を受けることがなく、光の発振が安定するという利点がある。
When the
次に、本記録装置1の動作を説明する。
Next, the operation of the
記録装置30が記録媒体50へ情報を記録または再生等を行うとき、つまり動作時には、制御部40中のスピンドル駆動回路44は、記録媒体50が設置されたスピンドル33を適切な回転数で回転させる。また制御部40中のアクセス回路42は、駆動部32を動かすことによって電磁場変換素子2を記録媒体50上の所望の場所へと走査する。レーザー駆動回路43は、決められた強度、および時間間隔で光源31を発光させる。この光(入射光)が電磁場変換素子2に照射されることで、表面プラズモンポラリトンが励起され、局所的電磁場が発生する。
When the
以上のようにして光源31の発光に対応した強さ、時間間隔で発生する局所的電磁場により、記録媒体50にマークが記録される。制御回路35では、光源3の発光、駆動部4の動作、スピンドルの回転を総括し、各回路に指示を出すことで、所望の場所に所望の記録ができるようにしている。
As described above, the mark is recorded on the
記録媒体5は、光を使用してデータが記録または再生される記録媒体であればよい。例えば記録媒体5は、CD(Compact Disc)、DVD(Digital versatile Disc)、BD(Blu-ray Disc)のROM、−R、±RW、RAMのような有機構造変化媒体および相変化媒体のように、情報が光のみによって記録されるもの(光記録媒体)であってもよい。この場合、電磁場変換素子2から発生する局所的電磁場によって、光記録媒体の記録層に構造変化または相変化が起こり、この変化部分が記録マークとなる。この記録マークのサイズは局所的電磁場のスポットサイズで決まるため、本発明の電磁場変換素子2から発生する微小領域にのみ発生する局所的電磁場を利用することで、スポットサイズを小さくすることができ、記録密度を向上させることができる。また、記録マークの形成速度、つまり記録媒体5における構造変化または相変化の起こる速度は、与えられるエネルギーすなわち電磁場の強さに依存する。つまり、本発明の電磁場変換素子2は強い局所的電磁場を生じるため、転送レートを向上させることができる。
The
また、記録媒体5は、MD、MO、および光アシスト磁気記録媒体のように光と磁気によって記録される光磁気記録媒体であってもよい。この場合、記録媒体の駆動部4のアーム21先端のスライダ36には、電磁場変換素子2と共に磁気ヘッド(図示せず)が備えられている。情報記録時には、記録媒体5の記録層が電磁場変換素子2から発生する局所的電磁場により昇温され、磁気ヘッドから発生する磁場を印加されることによって、記録層内部の磁気モーメントの向きが反転される。この磁気モーメントの反転した部分が記録マークとなる。特に光アシスト磁気記録再生を行う場合は、駆動部4のスライダ36に磁気ヘッドと共に再生素子(図示せず)が搭載される。この再生素子としては、GMR(Giant Magneto Resistive)やTMR(Tunneling Magneto Resistive)などを用いればよい。
The
また、光源3や電磁場変換素子2で発生する熱により磁気ヘッドや再生素子を破壊しないように、光源3および電磁場変換素子2と磁気ヘッドおよび再生素子との間に、モールド樹脂などからなる保護層を設けてもよい。
In addition, a protective layer made of a mold resin or the like is provided between the
光磁気記録媒体の記録マークのサイズは、局所的電磁場により十分昇温された領域と磁気ヘッドからの磁場が照射された領域との重なりで決まる。よってスポット径の小さい局所的電磁場を生じる本発明の電磁場変換素子2を用いることで、記録密度を向上することができる。また、光磁気記録媒体の記録マークの形成速度すなわち記録速度は記録層の昇温速度に依存し、この昇温速度は加えられる局所的電磁場の強度に依存する。つまり、本発明の電磁場変換素子2のように、記録層に照射される局所的電磁場の強度が強いと、記録媒体5を必要な温度まで昇温する時間が短くなるため、転送レートを向上させることができる。
The size of the recording mark of the magneto-optical recording medium is determined by the overlap between the region sufficiently heated by the local electromagnetic field and the region irradiated with the magnetic field from the magnetic head. Therefore, the recording density can be improved by using the electromagnetic
さらに、記録装置1では、記録媒体5としてレジストを塗布した基板を用いることで、微細構造を記録することができる。この場合は、電磁場変換素子2への入射光の波長は、レジスト感光域のものを選べばよい。通常は周囲の照明や太陽光で露光されにくいように、紫外域付近の波長が用いられる。
Furthermore, the
レジストは、ポジ型であれば電磁場変換素子2から発生する局所的電磁場により感光した部分が現像時に除去される。ネガ型であれば感光した部分以外が現像時に除去される。この形状の最小サイズは局所的電磁場の照射領域で決まるため、本件のように局所的電磁場が微小領域にのみ発生すると、微細加工が可能となる。また、電磁場変換素子2から発生する局所的電磁場の強度が強いほどレジストを短時間で露光できるため、露光レートが上がる。
If the resist is a positive type, a portion exposed by a local electromagnetic field generated from the electromagnetic
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、光によって情報を記録または再生する情報記録装置に好適に用いることができる。 The present invention can be suitably used for an information recording apparatus that records or reproduces information by light.
2、21〜30 電磁場変換素子
5 金属膜(第2金属膜)
6 金属膜(第1金属膜)
7 金属膜(第2金属膜)
9 透明基板
10 金属突起(突起部)
11 入射光
12 表面プラズモンポラリトン
13 誘電体層
17 金属膜
200 電磁場変換素子
2, 21-30 Electromagnetic
6 Metal film (first metal film)
7 Metal film (second metal film)
9
DESCRIPTION OF
Claims (26)
透光性を有する透明基板と、
上記透明基板の面上に、第1金属膜と、第2金属膜とを備え、
上記第1金属膜と上記第2金属膜とは異なる材質から形成され、
上記第1金属膜または第2金属膜の少なくとも一方は、上記透明基板側から入射した光を、上記表面プラズモンポラリトンに変換し、
上記透明基板の面上の異なる領域に、上記第1金属膜と上記第2金属膜とが接するように設けられていることを特徴とする電磁場変換素子。 An electromagnetic field conversion element that converts incident light into surface plasmon polaritons and extracts the surface plasmon polaritons as an electromagnetic field,
A transparent substrate having translucency;
A first metal film and a second metal film are provided on the surface of the transparent substrate,
The above first metal film and the second metal film is formed of different materials,
At least one of the first metal film or the second metal film converts light incident from the transparent substrate side into the surface plasmon polariton,
The electromagnetic field conversion element , wherein the first metal film and the second metal film are provided in contact with each other in different regions on the surface of the transparent substrate .
上記電磁場変換素子と上記記録媒体の記録面との距離が、上記電磁場変換素子で発生した局所的電磁場の波長の4分の1以下に制御されることを特徴とする記録装置。 An apparatus for recording or reproducing information on a recording medium, comprising the electromagnetic field generating unit according to any one of claims 13 to 24,
A recording apparatus, wherein a distance between the electromagnetic field conversion element and a recording surface of the recording medium is controlled to be equal to or less than a quarter of a wavelength of a local electromagnetic field generated by the electromagnetic field conversion element.
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