JPS6059643B2 - 光磁気変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、偏光した光、例えば左右円偏光を物質に照
射したときに、その光により物質中の磁性イオンを励起
し、そのときに生する磁化の方向および強さを制御する
光磁気変換装置に関するものである。

従来、磁気記録を行なうには、フェライトヘッドなど
の磁性材料にコイルを巻いて、そのコイルに記録電流を
流すことにより記録をする方式と、レーザ光などを照射
し、その熱により磁化を変化させて記録をする方式とが
あるが、かかる従来の記録方式には、材料の質によつて
定まる要因に基づき、高速、高密度が困難である、とい
う欠点があつた。

本発明は、上述した従来の欠点を除去し、応答速度が
従来方式に比して格段に速く、高速、高密度の磁気記録
を行なうに適した光磁気変換装置を提供することにある
。

すなわち、本発明光磁気変換装置は、光により物質中
の磁性イオンを励起し、そのときに生ずる磁化を用いる
ものてあり、光誘起磁化物置における磁化発生のエネル
ギに対応した波長を有する光の楕円率を変調信号に関連
して変化させ、その楕円率を変化させた光により前記光
誘起磁化物置を照射することにより、当該光誘起磁化物
質における磁化の方向および強さを前記変調信号に関連
して変化させるようにしたことを特徴とするものである
。

以下図面を参照して実施例につき本発明を詳細に説明
する。

ます、光誘起磁化現象を応用した磁気記録装置の各種
の構成例を第１図ａ−ｃに示す。

そのうち、第１図ａに示す光通信用信号受信器の構成例
において、変調器１は信号を光の楕円率の変化に変換す
るものであり、その変調された光により物質３、例えば
ルビー（Ａｌ。

Ｏ３：Ｃｒ）の単結晶を励起すると、右もしくは左の円
偏光のとき、光誘起磁化Ｍｚは、光の進行方向に対して
、それぞれ、逆方向の−Ｍｚもしくは同一方向の＋■の
磁化を生ずる。かかる磁化の変化をピックアップコイル
４により検出し、増幅器５、復調器６を介して、信号受
信器２の出力信号として取出す。一方、第１図ｂおよび
ｃにそれぞれ示す光磁気書込みヘッドの垂直書込みおよ
び通常の書込みの構成例においては、第１図ａに示した
構成例におけると同様に、変調器１からの変調された光
により結晶７を励起すると、変調による光の楕円率の変
化に応じて、光誘起磁化Ｍｚの変化が生ずる。

そのときに生ずる磁力線は、図示の方向に動く磁気テー
プ９を矢印により示すように磁化させることがてきる。
かかる動作原理は、第１図Ｂ，ｃに示した書込みの態様
の相違には拘りなく同様に行なわれる。本発明光磁気変
換装置においては、励起光の楕円率を変化させることに
より誘起劣化の方向および強さを制御し得ることを利用
しているので、かかる光誘起磁化の原理をルビー単結晶
を用いた場合について以下に詳述する。

ルビーの基底エネルギ準位、すなわち、基底準位４Ａ，
と励起エネルギ準位、すなわち励起準位「（２Ｅ）との
間を光により励起したときの選択則や遷移確率は、第１
表に示すように、理論的、実験的によく知られている。
第１表に示したところを図に表わすと第２図ａに示すよ
うになり、基底準位゛Ａ２と励起準位ｉ（２Ｅ）との両
レベル間は、図示のごとく６９４３Ａだけ離れている。
基底レベル４Ａ２は、零磁場においては、ＭＳ＝士問と
ＭＳ＝±？との二つのレベルに分裂している。一方、励
起準位置（２Ｅ）は、Ｍ″ｓ＝±↓に縮退している。第
１表と第２図とに示したところから明らかな・ように、
基底レベル４Ａ２と励起レベル百（２Ｅ）との両レベル
間に同調する波長６９４３Ａの光でルビーを励起すると
、右円偏光（σ＋）ては、（Ｍｓ＝＋艮→Ｍ″ｓ＝＋ν
）、（ＭＳ＋Ｍ″ｓ＝ー問）、また、左゜円偏光（σ−
）では、（ＭＳ＝＋Ｍ″ｓ＝＋（ＭＳ＝＋Ｍ″ｓ＝十問
）ような遷移がそれぞれ生．じ、それらの遷移確率は、
（ＭＳ＝±？→Ｍ″ｓ＝±閉）：ＭＳ＝士閉→Ｍ″ｓ＝
士問）＝３：２である。

ここで、右円偏光（σ＋）は右ねじを締めたときの回転
方向にとり、また、Ｍｓ．．Ｍ″Ｓの符号の＋は光の進
行方向（＋Ｚ）にとる。つぎに、第２図ｂは、右円偏光
により励起したときにおける遷移の態様を示したもので
あり、ＭＳ＝？とＭＳ＝ー閉とが同時に３対２の割合で
励起）され、＋Ｚ方向の磁化が減少し、見掛けの磁化が
−Ｚ方向に生じたように見える。

同様にして、左円偏光により励起したときには＋Ｚ方向
の磁化が生じ、さらに、直線偏光により励磁したときに
は士Ｚ方向の磁化が同時に誘起さ″れ、互いに打消し合
うので、外部には磁化が現われない。

つぎに、上述のような光誘起磁化を測定した結果を第３
図に示す。

第３図示の測定結果は、ルビーレーザを励起光として、
ルビー単結晶を、その；結晶のＣ軸と光の進行方向とを
平行にして励起した場合におけるＣ軸方向の磁化を１０
ターンのピックアップコイルにより検出し、かつ、１０
＠に増幅した測定写真である。第３図示の測定写真にお
いて、Δ■Ｚσ一は左円偏光により励起したとき、また
、Δ■ｚσ＋は右円偏光により励起したときにおける信
号電圧をそれぞれ示し、下側の（σ−、σ＋）は、それ
ぞれ励起レーザ光の波形を示す。信号電圧は、第２図に
も示したように、右、左円偏光励起の相互間でその極性
が逆転する。つぎに、励起光の右、左円偏光強度の差を
変化させた場合における信号電圧の変化の態様を第４図
に示す。

第４図示の特性曲線によれば、直線偏光板と）波長板と
により円偏光を形成したときには、右、左円偏光の強度
の差は、）波長板の回転角度をθとすると、Ｓｉｎ２Ｏ
の周期で変化することが判る。すなわち、光誘起磁化の
強さは、右、左円偏光の強度差に比例し、右円偏光もし
くは左円偏光により励起したときに、それぞれ、極大も
しくは極小の値を示し、直線偏光により励起したときに
は磁化の強さは零となる。これらの実験結果から、励起
光の楕円率を変化させることにより、磁化の強さと方向
とを制御し得ることが判る。なお、円偏光励起によるル
ビー単結晶の光誘起磁化の方向については、右円偏光（
σ＋）励起、左円偏光（σ−）励起および直線偏光（σ
±）励起について、それぞれ、第５図Ａ，ｂおよびｃに
示すような実験結果が得られており、第２図につき前述
した理論的予測とよく一致している。つぎに、上述のよ
うにして得た信号電圧のレーザパワーに対する依存性を
測定した実験結果を第６図に示すが、第６図示の特性曲
線により、信号電圧がレーザパワーに比例していること
が判る。以上に述べたレベル間の遷移によつて生ずる光
誘起磁化の時間変化は、つぎのような式を仮定すること
によつて説明することができる。ここに、■（σ±）（
ｔ）は直線偏光σ士により励起したときの時間変化であ
り、Ｍｓ．．ｍｓ″は基板状態と励起状態とにおける磁
気モーメントであり、βはボーア磁子を示し、Ｎｍｓ−
？Ｍｓ″（ｔ）は、基底状態から励起状態に遷移すると
きにおけるルビー中のクロム（Ｃｒ）のイオンの時間変
化を示すものであり、さらに、Ｇｇ＝１．９８、Ｇｅ＝
２．４５であり、また、τ８、τ８は、それぞれ、基底
状態と励起状態とにおける緩和時間を示し、τ８）γ８
の関係にある。

なお、Ｎ．．ｓ−＋Ｍｓ″（ｔ）は、レーザ波形と、パ
ワーメータにより求めた値とを用い、ルビー単結晶の端
面における反射率を８％としたものである。

つぎに、光誘起磁化の実験結果と前述した（１）式とを
用いて計算した結果とを、それぞれのピーク値を一致さ
せてグラフにして示すと第７図に示すようになり、理論
的計算の結果との対応から、上述した実験の結果をよく
説明することができる。

すなわち、第７図から判るように、光誘起磁化は、レー
ザ光の強度に依存し、遅れがないことが明らかであり、
すなわち、光誘起磁化は光の変化によく追従して変化し
ている。一方、本発明光磁気変換装置においては、例え
ばルビー（Ａｌ２Ｏ３：Ｃｒ）のようにそのエネルギー
レベルの遷移の状態が照射光の偏光の状態に応じ変化し
て磁化する光誘起磁化物の単結晶を用いて、その単結晶
に例えばクロム（Ｃｒ）等の磁性元素を微量に添加して
構成元素を置換し、その置換した磁性元素に適合した波
長の偏光光によりその単結晶を照射して磁化状態の変化
をおこさせているのであるから、前掲（１）式から判る
ように、光誘起磁化の強さのピーク値は、励起されるク
ロムイオンの数、Ｎ．９−．５″（ｔ）に比例して増大
する。

しかし、励起されるクロムイオンの数の増加に伴つてル
ビー単結晶における緩和時間が短くなるので、光誘起磁
化の強さのピーク値は増大するもその減衰が速かとなり
、平均の強さ、すなわち、低周波域での強さは減少する
。したがつて、ルビー中のクロム（Ｃｒ）の濃度が増大
すると、光誘起磁化の強さのピーク値の増大と緩和時間
の短縮により、光誘起磁化信号の高域成分が増大し、磁
化信号を広帯域化することができる。なお、上述したと
ころから明らかなように、かかる光誘起磁化の照射光の
偏光状態に応じた変化の現象は、ルビーの単結晶のみに
限つて生ずるものではなく、一般に、つぎのような性質
を有する物質においても同様に発生する。すなわち、ル
ビーを用いた実験とその解析の結果とから明らかなよう
に、光誘起磁化は、（１）式に示したごとく、イオンの
エネルギ状態が一つの状態から他の状態に遷移するとき
に、その遷移に伴う磁気モーメントのベクトル合成が零
でなくなつた場合に発生するのであるから、光励起に伴
う磁気モーメントの発生に関し、つぎのようなエネルギ
ーレベルの状態を示す物質、例えばバナジウムＶのよう
な物質は、ルビー以外に光磁気変換用の材料とすること
ができる。

すなわち、（１）基底状態相互間の磁気モーメントが変
化する。

（２）励起状態相互間の磁気モーメントが変化する。

（３）基底状態相互間および励起状態相互間の磁気モー
メントは変化せず、基底状態と励起状態との間で磁気モ
ーメントが変化する。

つぎに、第７図示の特性曲線は、６７ミリジュール（Ｍ
Ｊ）のレーザパワーによりルビー単結晶を励起したとき
の光誘起磁化の時間変化を表わしたものであり、ルビー
単結晶内で吸収されるレーザ光のパワーをＪａｂｓとす
ると、そのＪａ比の値は約０．７ミリジュール（ＭＪ）
となり、光誘起磁化の最大値は０．２５ｅｍｕＩｙ．Ｊ
ａ？程度である。

また、第７図示の特性曲線は、外部磁場によつても緩和
時間を変化させ得ることを表わしている。なお、以上に
述べた実験結果は、ルビー （Ａｌ２Ｏ３）に添加したクロム（Ｃｒ）の濃度を０．
０２６ａｔ％とした試料について測定したものであり、
零磁場における緩和時間は１８０ｒ１ｓてあつた。

しかし、０．０２６ａｔ％よりクロムの濃度が大きい試
料、例えば０．３ａｔ％とした試料についての零磁場に
おける緩和時間は約１００ｒ１Ｓであり、光誘起磁化信
号は増加する。なお、以上の説明においては、ルビーの
単結晶にクロム（Ｃｒ）を微量に添加してその緩和時間
を短縮させた場合の例について述べたが、ルビー（Ａｌ
２Ｏ３）に添加してその緩和時間を短縮させるものはク
ロム（Ｃｒ）に限らず、チタンＴｉあるいは３価のバナ
ジウムＶ３＋を添加しても同様にその緩和時間を短縮さ
せることができ、ルビー（Ａｌ２Ｏ３）にこれらの異種
元素の少なくとも１種類を微量に添加することにより、
本発明装置における光磁気記録を一層高速化することが
できる。

以上の説明から明らかなとおり、本発明によれば光エネ
ルギにより励起した磁性イオンの有する磁気モーメント
を用いるという理由から、磁気記録に本発明光磁気変換
装置を適用すればその磁気記録を著しく高速化すること
ができる。また、レーザビームは極めて細く絞ることが
できるので、高密度の磁気記録を行なうことができ、し
たがつて、磁気記録装置を小型化することができ、高速
、高密度、小型の磁気記録装置が得られる。また、ルビ
ーのような常磁性の物質を用いると、ヒステレシス現象
が生じないので、直線性の良好な光磁気変換を行なうこ
とができる。さらに、いま、磁気テープ、磁気シート、
磁気ディスク、磁気ドラム等の磁気記録媒体とするに適
した磁性材料であつて、上述したような光誘起磁化現象
を呈する物質を使用したとすれば、その物質により上述
した磁気記録媒体を構成することにより、磁気ヘッドを
必要としない光磁気記録が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，ｂ，ｃは光誘起磁化現象を応用した装置の構
成例をそれぞれ示す構成図、第２図Ａ，ｂは光誘起磁化
発生の態様をそれぞれ模式的に示す線図、第３図は光誘
起磁化の測定結果の例を示す特性曲線図、第４図は光誘
起磁化の楕円率依存性の例を示す特性曲線図、第５図Ａ
，ｂ，ｃは偏″光の姿態と光誘起磁化の方向との関係を
それぞれ示す線図、第６図は光誘起磁化信号の励起光パ
ワーに対する依存性の例をを示す特性曲線図、第７図は
光誘起磁化に関する実験結果と理論計算の結果との対応
の例を示す特性曲線図である。 １・・・・・・変調器、２・・・・・・信号受信器、３
・・・・・・光誘起磁化物質（ルビー単結晶）、４・・
・・・ゼツクアツプコイル、５・・・・・・増幅器、６
・・・・・・復調器、７・・・・光誘起磁化結晶、８・
・・・・・ヨーク、９・・・・・・磁気テープ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光誘起磁化物置における磁化発生のエネルギに対応
   した波長を有する光の楕円率を変調信号に関連して変化
   させ、その楕円率を変化させた光により前記光誘起磁化
   物置を照射することにより、当該光誘起磁化物質におけ
   る磁化の方向および強さを前記変調信号に関連して変化
   させるようにしたことを特徴とする光磁気変換装置。 ２ 前記光誘起磁化物置にその磁化物質を構成する元素
   とは異なる元素を添加することにより、当該光誘起磁化
   物質の緩和時間を短縮させたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の光磁気変換装置。 ３ 前記光誘起磁化物置をＡｌ＿２Ｏ＿３とするととも
   に、そのＡｌ＿２Ｏ＿３にＣｒ、Ｔｉおよび三価のＶの
   うち、少なくとも１種類の元素を添加したことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の光磁気変換装置。 ４ 前記光誘起磁化物置をＡｌ＿２Ｏ＿３とするととも
   に、そのＡｌ＿２Ｏ＿３に０．３ａｔ％を超えるＣｒを
   添加したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   光磁気変換装置。