（光学专业论文）应用固体浸没透镜的高密度光数据存储研究.pdfVIP

摘要 丫5 9 2 8 5 6 摘要 光信息存储技术 ( 简称光存储)是7 0 年代发展起来的继磁存储之后的重要信 息存储技术。它具有存储密度高、容量大、寿命长、功能多等优点，受到了人们 的普遍关注。2 1世纪信息技术的飞 速发展急需更高密度的存储技术，光存储技术 的高密度、高数据传输速率、多功能和小型化的良好发展趋势使其逐步占据数字 存储技术的主导地位，成为信息存储领域的支柱产业。 本论文概述了己 产业化的以c d和d v d为代表的光盘存储技术和在开发中的 高密度光存储技术 ( 主要包括三维光数据存储技术及近场光学超高密度光存储技 术)的原理及研究现状。编制了对固体浸没透镜近场超高密度光存储系统进行模 拟的二维时域有限差分程序，实现了 对固体浸没透镜光存储系统的数值模拟;着 重研究了线偏振的高斯光束通过固体浸没透镜的光传输和近场光场分布特性;分 析了固体浸没透镜底面出射光强、光斑直径随固体浸没透镜折射率的变化、 光透 过固体浸没透镜后的强度、光斑直径随离开固体浸没透镜底面距离的变化。模拟 结果表明，固体浸没透镜的折射率越大，底面的光强越强，但随离底面距离的增 加，光强呈类指数形式衰减，且固体浸没透镜的折射率越大光强衰减得越快。光 斑随着离开固体浸没透镜底面距离的增大而增大。固体浸没透镜的折射率越大， 底面出射的光斑越小，但随着离开固体浸没透镜底面距离的增加，光斑增大得越 快。在固体浸没透镜底面的近场区域，出射光场发生了退极化，使得出射总场的 光斑有了一定程度的 “ 增宽”现象。根据衍射超分辨原理首次模拟出了底面镀有 金属膜、中心留有通光微孔的固体浸没透镜的出射光场分布。结果表明，当只有 大于全反射临界角的部分会聚高斯光束透过固体浸没透镜时，选择合适尺寸的通 光微孔，固体浸没透镜底面的出射光斑会很小并在近半个波长的范围内没有明显 的变化，进而提出了一种增大固体浸没透镜和存储介质间距而又不减小分辨率的 理论方案;将固体浸没透镜应用到飞秒脉冲激光三维存储技术中， 使脉冲激光聚 焦点在偏离固体浸没透镜底面中心的情况下进行记录;用波长为 8 0 0 n m，脉宽约 为1 5 0 f s 的脉冲激光在p m m a表面实现了高密度的光信息存储， 并在熔石英内实 摘要 现了高密度的多层存储。 在融石英内 部的记录达到五层， 信息点间距为0 .6 l m ， 层 间 u h . 2 .5 t m : 其 理 论 体 存 储密 度 达1 . 1 t b it s / c m 3 。 据 作 者了 解， 该 结 果 为目 前己 报 道过的用飞秒脉冲激光在透明介质中存储得到的最高体存储密度。分析和阐述了 固体浸没透镜应用于飞秒脉冲激光三维光存储系统中的可行性及优点。当脉冲聚 焦点相对于固体浸没透镜底面离焦时，对系统的有效数值孔径进行了计算，结果 表明采用固体浸没透镜离焦的方式进行记录，系统的有效数值孔径最低可增大到 固体浸没透镜插入前的折射率倍，其数值孔径的理论极限值为存储介质的折射率。 由于固体浸没透镜提高了光学头的有效数值孔径，这在大大提高体存储密度的同 时，也降低了对存储所需入射激光功率的要求。总之，用固体浸没透镜在透明介 质中进行飞秒激光三维存储是可行的、且其在提高体存储密度方面有较大的发展 潜力。 关键词:光数据存储技术;光盘;固体浸没透镜;时域有限差分法;线偏振 光;隐失场;飞秒脉冲激光 ab s t r a c t ab s t r a c t t h e t e c h n i q u e o f o p t i c a l d a t a s t o r a g e i s a n i m p o rt a n t d a t a s t o r a g e t h a t a r i s e s f r o m 1 9 7 0 s f o l l o w i n g m a g n e t i c s t o r a g e . t h i s t e c h n i q u e h a s b e e n p a i d p o p u l a r a tt e n t i o n b y i t s v i rt u e s s u c h a s h i g h d e n s i t y , l a r g e c a p a c i t y , l o n g l i f e a n d m u l t i - f u n c t i o n s e t c . i t i s c r y i n g o u t f o r e x p l o i t a t i o n a n d i n tr o d u c t i o n h i g h e r d e n s i t y s t o r a g e t e c h n i q u e s t o s a t i s f y t h e h i g h - s p e e d d e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o n s t o r a g e . t h e f a v o r a b l e d e v e l o p m e n t a l t r e n d o f o p t i c a l d a t a s t o r a g e t o h i g h d e n s i t y , h i g h d a t a r a t e s , m u l t i - f u n c t i o n a n d s m a l l s i z e m a k e i t o c c u p y t h e d o m i n a n t p o s it i o n a n d b e c o m e t h e p i l l a r i n t h e d o m a i n o f d a t a s t o r a g e . i n t h i s a rt i c l e , t h e f u n d a m e n t a l p r i n c ip l e a n d c u r r e n t r e s e a r c h o f o p t i c a l d a t a s t o r a g e in c l u d i n g c d a n d d v d , t h r e e - d i m e n s i o n a l o p t i c a l d a t a s t o r a g e a n d n e a r - f i e l d h i g h - d e n s i t y o p t i c a l d a t a s t o r a g e a r e s u m m a r i z e d . a t w o - d i me n s i o n a l f i n i t e d i ff e r e n c e t i m e d o ma i n p r o g r a m f o r a n a ly s i s o f s o l i d i m m e r s i o n l e n s s y s t e m i s c o m p i l e d . t h e o p t i c a l n e a r - f i e l d d i s t r i b u t i o n a n d p r o p a g a t io n p r o p e r t i e s o f s o l i d i m m e r s i o n le n s s y s t e m a r e a n a l y z e d i n d e t a i l w h e n i l l u m i n a t e d 勿 l i n e a r l y p o l a r i z e d f o c u s i n g g a u s s b e a m. t h e c h a n g e o f t h e o p t i c a l i n t e n s i t y a n d b e a m d i me n s i o n a t t h e b o tt o m o f s o l i d i mme r s i o n l e n s wi t h d i ff e r e n t r e fr a c t i v e i n d e x a n d d i ff e r e n t d i s t a n c e a r e d i s c u s s e d . t h e s i m u l a t e d r e s u l t s r e v e a l t h a t t h e h ig h e r t h e r e fr a c t i v e i n d e x i s , t h e s t r o n g e r t h e o p t i c a l i n t e n s i t y a n d t h e s m a l l e r t h e b e a m d im e n s io n a t t h e b o tt o m o f t h e s o l i d i m m e r s i o n l e n s ab s t r a c t w i l l b e . t h e o p t i c a l fi e l d a tt e n u a t e s as e x p o n e n t i a l f u n c t i o n a n d t h e t r a n s m i t t e d b e a m e x p a n d s q u i c k l y w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e d i s t a n c e a w a y fr o m s o l i d im m e r s i o n l e n s . a n d it i s a l s o f o u n d t h a t t h e p o l a r i z e d i n c i d e n t g a u s s b e a m b e c o m e d e p o la r i z e d a ft e r e m i t t i n g f r o m t h e b o tt o m o f s o l i d i m me r s i o n l e n s . t h e b e a m d i m e n s i o n o f t h e e m i tt i n g o p t i c a l f i e l d a t t h e n e a r - f i e l d b o tt o m o f s o l i d i m m e r s i o n l e n s i s b r o a d e n e d . wh e n o n l y a l l o w s t h e t o t a l i n t e r n a l r e fl e c t i o n b e a m s f o c u s o n t h e s m a l l a p e r t u r e , w h i c h i s f o r me d a t t h e c e n t e r o f m e t a l f i l m c o a t e d o n t h e b o tt o m o f s o l i d i m me r s i o n l e n s , t h e o p t i c a l f i e l d s p r o p a g a t e d fr o m t h e a p e r t u r e o f d i ff e r e n t d i m e n s i o n i s f i r s t s i m u l a t e d . i t t u rns o u t t h a t t h eb e a m d i a m e t e r i n c r e as e s m o r e s l o w l y w i t h i n h a l f o f t h e w a v e l e n g t h i n s p e c i fi e d a p e r t u r e s i z e , a n d i n d i c a t e s t h a t i t i s p o s s i b l e t o i n c r e as e t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e r e c o r d i n g l a y e r a n d s o l i d i m m e r s i o n le n s w i t h o u t d e c r e as i n g t h e r e c o r d i n g d e n s i t y . me a n w h i l e , s o l i d l e n s i s a l s o a p p l i e d t o f o c u s f e m t o s e c o n d l as e r p u l s e i n t h r e e - d i m e n s i o n a l d a t a s t o r a g e . h i g h - d e n s i t y o p t i c a l d a t a h a s b e e n r e c o r d e d a t t h e s u r f a c e o f p o l y e t h y l e n e m e t h a c ry l a t e ( p mm a ) a n d a 5 - l a y e r s r e a d i n g a n d w r i t i n g o f d a t a i s a c h ie v e d i n f u s e d s i l ic a u s i n g 8 0 0 n m , 1 5 0 f e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e s . t h e d a t a a r r a y s i n f u s e d s i l i c a s h o w s 2 .5 w m s e p a r a t i o n b e t w e e n t w o l a y e r s a n d 0 .6 1t m s e p a r a t i o n b e t w e e n t w o b it s , th e o r e ti c a ll y , 1 . 1 t b it s l c m 3 v o lu m e tr ic d e n s ity h a s b e e n d e m o n s t r a t e d i n t h i s w a y . t o o u r b e s t k n o w l e d g e , i t i s t h e h i g h e s t w r it i n g d e n s i t y i n tr a n s p a re n t m a t e r i a l s w i t h f e m t o s e c o n d l ase r p u l s e . t h e f e a s i b i l i t y a n d s o m e a d v a n t a g e s o f e m p l o y m e n t o f s i l h a v e b e e n d i s c u s s e d . t h e n u m e r i c a l a p e rt u r e a r e ab s t r a c t c a l c u l a t e d w h e n l a s e r p u l s e i s d e f o c u s in g . i n c o n t r a s t w i t h t r a d i t i o n a l m i c r o s c o p y o b j e c t i v e , t h e e m p l o y m e n t o f s o l i d i m m e r s i o nl e n s c a n e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e n u m e r i c a l a p e r t u r e o f t h e r e c o r d i n g s y s t e m; t h e r e b y i t c a n i n c r e a s e t h e v o l u m e t r i c d e n s i t y a n d d e c r e a s e t h e d e m a n d o f t h e i n c i d e n t l a s e r p o w e r . i n c o n c l u s i o n , s o l i d i m m e r s i o n l e n s , w h i c h i s f e a s i b le t o f o c u s f e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e i n t h r e e - d i m e n s i o n a l o p t i c a l d a t a s t o r a g e , s h o w s t h e r a t h e r p o t e n t i a l t o i n c r e a s e t h e v o l u m e t r i c d e n s i t y . k e y w o r d s : o p t i c a l d a t a s t o r a g e ; o p t i c a l d i s k ; s o l i d im m e r s i o n l e n s ; fi n i t e - d i ff e r e n c e t i m e - d o m a i n m e t h o d ; l i n e a r l y p o l a r i z e d l i g h t ; e v a n e s c e n t f i e l d ; f e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e 第一章绪沦 第一章绪论 1 . 1 研究意义 2 1 世纪人类进入信息社会， 信息技术是提高 社会整体发展水平最重要的保障 条件之一。由于计算机互联网络的普及和信息的多媒体化，人们需要处理的不仅 是数据，文字、声音和静态图像，还有活动的高清晰图像等，因而信息的需求量 与日剧增。据预计全球的信息量在今后几年中将会以更快的速度增长。现阶段， 在信息技术的几个环节 ( 获取、 传输、存储、显示、处理)中，信息存储是关键。 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代， 人们最关心的是信息处理的速度， 即如何提高计算机 芯片的运行速度和效率，2 0世纪计算机主处理器的竞争已使 c p u的主频达到了 2 g h z的运行速度;随后通讯网络的兴起及数据共享和通信使人们认识到网络时 代的到来: 面对2 1 世纪， 人们又在考虑如何有效地存储和管理越来越多的数据和 如何应用这些数据，导致川世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起。 在这信息爆炸时代，信息量飞速增长与现有存储技术及有限存储空间之间始 终是一对矛盾。人们急需提高现有存储技术的存储密度，发展有更高存储密度潜 力的新技术。因此，信息存储技术的研究和发展已成为当今信息技术和产业发展 的新热点，在这一领域的研发实力已成为衡量一个国家核心竞争能力的重要标准 之一。 光信息存储 ( 简称光存储) 是7 0 年代发展起来的重要的信息存储技术。目 前代表光学数据数字存储技术的光盘已成为现代信息社会中不可缺少的信息载 体。 与 磁存储技术相比， 光盘存储技术具有以下特点: ( 1 ) 存储寿命长。 非 接触式 读/ 写和擦，对光盘的损伤小，且光盘存储介质稳定，一般寿命在 1 0 年以 上，而 磁存储的信息一般只能保存 3 -5 年。 ( 2 ) 移动存储性能好。目 前光盘机中 光头与 光盘之间约有 1 -2 m m的距离，因此光盘可以自由更换，而高密度的磁盘机，由 于 磁头飞行高 度( 几十纳米) 的限 制， 较难更换 磁盘。 ( 3 ) 信息的 载噪比 ( c n r ) 高。 光盘的载噪比可达到 5 0 d b以上，而且经多次读写不降低。因此光盘多次读出的 第一章绪论 音质和图像的清晰度是磁带和磁盘无法比拟的。( 4 ) 信息位的价格低。由于光盘的 存储密度高，而且只读式的光盘( 如c d 或l v 唱片) 可以大量复制，它的信息位价 格是磁记录的几十分之一。光盘存储技术经过三十几年的发展，从l d ( 激光视 盘) 到c d ( 小型光盘) ，可刻录c d 光盘( c d r ) 和可擦重写c d 光盘( c d r w ) ， 再到d v d 光盘，取得了巨大成就，发展速度之迅速，出乎人们的意料，形成了 世界规模的大市场。其发展趋势是高密度，高数据传输速率，多功能和小型化， 这将为新型网络系统的实现起到巨大的推动作用。总之，光存储技术已经成为信 息存储领域的支柱产业。 1 2 光存储技术研究的现状 目前已有的光盘存储技术主要分为两种：已产业化的以c d 和d v d 为代表 的光盘存储技术和开发中的高密度光盘存储技术。后者主要有三维光存储技术及 近场光学超高密度光存储技术。下面简要介绍一下上述各种存储技术的原理和研 究现状。 1 2 1 现有的光盘存储技术“】 从1 9 8 2 年s o n y 和p h i l i p 公司推出第一张数字激光唱片开始，光存储技术给 信息技术领域带来了革命性的影响。这种小型数字激光唱片技术以其新生的活力 吸引了世界上许多工业研究单位的关注，它很快就被引入计算机信息存储领域， 成为有广泛应用前景的信息存储新技术，得到了广泛的研究与开发。到目前为止， 以c d 和d v d 光盘为代表的信息存储技术已趋于成熟。 光盘存储系统结构 简单的光盘存储系统结构示意图如图1 1 所示，系统由存储数据的盘片及其 旋转驱动机构、读写数据的光学头组件以及控制和接口的系统电路三部分组成， 。总体结构与硬盘系统比较类似，不同的是存储介质变成了光学介质，数据的读写 第章绪论 图1 1 ：光盘存储系统结构简图 机构由飞行磁头变成了光学头。系统工作时，由半导体激光器发出的激光束经光 学系统聚焦在光盘盘片的记录层上。处于记录状态时，半导体激光器输出的光功 率较大，焦点中心处较大的激光功率密度使得记录介质的反射率发生变化，形成 信息点；处于读出状态时，半导体激光器的输出功率较小，当其焦点在记录道上 扫描时，由于记录点的反射特性与其余位置的反射特性的差异，检测反射光功率 的变化即可读出己存储的信息。由于光学系统是非接触式读写，光学头与光盘盘 片的距离较远，盘片被设计为可 换式的，因而光盘系统具有好的 移动存储性能。 光学头结构 光盘信息的记录和读出是通 过光学读写头( 以下简称光学头) 实现的。因此光学头是光盘存储 装置的关键部件，其性能和价格 在整个光盘存储装置中都占有重 要位置。图1 - 2 是一种典型的光 圈l - 2 光学头的光学系统结构图 第一章绪论 学头的光学系统结构图。半导体激光器发出的激光经整形光学系统后变为圆形准 直光束，该光束被聚焦在光盘记录面上，从记录面上反射回的光进入光电探测器， 由光电探测器检测并产生信息读出的r f 信号以及离焦和寻迹误差信号。由于光 盘旋转时上下摆动，光学头必须不断调整聚焦物镜的位置以跟随数据面位置变化， 该动作通过离焦检测和聚焦伺服机构实现。由于光盘或夹持驱动机构制造时的偏 心误差以及光盘旋转时的振动等因素导致数据记录轨迹有一小的偏心误差，因此 在读写时必须不断调整物镜在径向的位置以跟随这一偏心误差，这一工作由寻迹 误差检测及伺服系统来完成。 聚焦物镜是光学头的关键元件。由于在读写过程中，物镜需要快速运动。以 实现自动聚焦，所以要求其重量轻，结构紧凑，而且由于光盘有一定厚度，转动 时有较大的上下摆动幅度，物镜必须有足够大的工作距离。物镜的数值孔径决定 了光斑的大小，要获得高的存储密度，必须尽量减小聚焦光斑的直径，而平行光 束经透镜聚焦后光斑直径由下式决定： d ：堕旦 n a ( 1 - 1 ) 这里d 是光斑强度分布的半高宽，五是激光的波长，n a 是所用透镜的数值孔径。 对于c d 系统，般采用的激光波长为7 8 0 n m ，物镜数值孔径n a = o 4 5 ，则 d = 0 8 8 a n ，而对于d v d 系统来说，激光波长6 5 0 n m ，n a = 0 6 5 ，则 d = 0 5 1 o n 。 盘片结构 光盘存储技术中数据以长度调制的凹坑或反射差异点的形式记录，这些记录 点沿圆周排列形成数据记录轨迹，轨迹从光盘内圈开始以等间距螺线形沿光盘径 向排列。光盘盘片按存储功能分为三种：只读型( r e a do n l ym e m o r y , r o m ) ，( 如 图l 一3 ) 一次写入多次读出型( w r i t eo n c er e a dm a n y , w o r m ) ( 图1 4 ) ，其记录 轨迹在盘基伺服用预刻槽内：可擦重写型( r e 、v r i t e a b l e ，r w ) ( 图l 一5 为可擦重写型 4 第一章绪论 相变光盘刻录数据后的照片) 。 图1 3 只读型盘片数据记录形式 光盘基胄 图i - 4 刻录型盘片数堆记录形式 图1 - 5 相变型r w 盘片记录的数据点 光盘存储技术依存储密度可为两代标准，即c d 和d v d 标准。d v d 的存储 密度比c d 高；体现在盘片上主要就是d v d 的记录点和道间距均比c d 的小。对 于c d 格式盘片，其记录道间距为1 6p - m ，记录点的宽度为o 6um ，最小记录点 长度为o 8 31 tm 。而d v d 格式盘片的记录道间距只有0 7 4um ，记录点宽度为0 ，3 1 1m ，记录点最小长度为0 4um 。c d 格式可刻录盘的预刻槽宽度o 8ui t i ，而d v d 格式可刻录盘的预刻稽宽度只有o 3um 。对于直径为1 2 0 m m 的c d 光盘其单面 容量为6 5 0 m b ，而同样尺寸的d v d 光盘单面容量达到4 7 g b 。 1 2 2 开发中的高密度光存储技术 高密度蓝光光盘存储技术n 9 第一章绪论 提高光盘存储密度的传统方法是减小读写光斑的尺寸，而光斑直径由式( 1 1 ) 决定。从该式可以看出，要减小光斑直径，必须减小激光波长或增大光学头聚焦 物镜的数值孔径。从c d 系统到d v d 系统，激光波长从7 8 0 r i m 减小到6 5 0 n m ， 物镜数值孔径由o 4 5 增大到o 6 5 ，得到了6 , 5 倍于c d 系统的存储密度。为了获 得更高的存储密度，使用更短波长激光光源和更高数值孔径物镜是一捷径，也是 新一代高密度光盘的研究开发动向。计划推出的蓝光d v d 技术将采用4 0 5 n m 的 激光以及n a = 0 8 5 的物镜，这时聚焦光斑直径将只有2 4 0 n m ，预期得到5 倍于 d v d 系统的存储密度。这一代存储光盘在实验室中已基本完成，但尚未推向市场， 故目前尚无统一名称，通常被称为高密度d v d ( h d d v d ) 或蓝光d v d ( b d v d ) 。 目前，为尽快将h d d v d 推向市场，以p h i l i p 为首的世界九大公司己联合制定出 了h d d v d 的统一规格【1 0 】。 三维光存储技术 现在使用的光存储技术一般还只是在单面或双面光盘上存储数据，新的d v d 技术也只能存储几层数据。为进一步提高数据的存储密度，充分利用存储介质的 空间，三维体存储是首选的方法之一。它基本包括双光子光学存储、光谱烧孔光 学存储、全息光存储及近年来发展起来的透明介质的飞秒脉冲体存储等。 a ：双光子光学存储n q 4 l 双光子过程的存储是一种体积光学存储技术。存储媒质是用具有双光子吸收 性能的光致变色活性分子分散在聚合物中制成的块材。以s p ( 螺吡喃衍生物) p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲酯) 为例( 见图1 6 ) ，说明其工作原理。两束相互垂直 的光同时射入存储介质中，在相交处的s p 分子吸收了两个光子的能量后，从s o 态跃迁到s 1 态，在此实现光离化，并通过系间窜越到达三重激发态的最低能级 s l ，完成信息的写入。分子处于写入态时，对5 5 0 r i m 的光有强吸收，因此可用 两个1 0 6 4 光子去激励，使写入分子重新回到s o 态并放出6 6 0 n m 的荧光，这便 是信息的读出。在这一方案中，只有在两光束交点处才能发生信息的写入与擦除。 于是允许对三维体积中任意点独立地寻址。双光子存储与光盘存储相同的是其 第一章绪论 ：叠 二困 图1 - 6 ：双光子吸收存储( a ) 两束相互垂直的激光同时射入存储媒质 ( b ) 光致变色分子( s p p m m a ) 写入和读出过程的能级示意图 ( 表示s p 分子异构作用的中间过程) 存储方式也是按位存储，对每一数据位分配特定的物理地址。但采用双光子存储 技术可以使各个独立的信息位遍布材料体积，从而大大提高存储容量，如果所有 可能的位置都存储了信息，存储的体密度可能达到t b i n 3 ，如果在同一平面中的 所有数据位都同时并行地读出，数据传输速率可能达到1 0 0 g b s 。双光子过程中， 两个光子中任何一个都不能单独地被吸收，只有两个波长的组合才能与分子的跃 迁相谐振。故两个光子必须在时间上和空间上都互相重叠，才能引起双光子吸收。 b ：光谱烧孔光学存储【1 5 l 光盘信息道上，一个光斑代表一个信息位，由于光受到衍射极限的限制，每 个光斑微区含有1 0 钆1 07 个分子；也就是说1 0 0 万到1 0 0 0 万个分子“抬”一位 b i t 。如果能用一个分子存储一位信息，存储密度便能在现行光存储的基础上提高 1 0 6 1 07 倍。这种在分子级水平上实现信息存储的器件称为分子器件。这个目标将 来有可能实现。目前有一个过渡，就是将光斑微区的1 0 6 l o7 个分子，按吸收频 谱的分段划分为几百或几千个组团，每个组团抬一位，存储密度则可提高1 0 3 1 0 4 倍，达到1 t b c m 2 的量级，这种存储就是光谱烧孔存储( p h b ，曲o t o ns p e c t r a lh o l e b u r n i n g ) 。 不同的分子组团有不同的频率吸收光带，各组团吸收光带叠加形成的展宽光 带成为材料的非均匀吸收光带，其半宽称为非均匀线宽，用a c o ，表示。如果用频 7 第一章绪论 率为v ，线宽很窄的强激光( 烧孔激光) 激发工作物质，则吸收频率为v ，的第1 个组团 分子吸收光子能量后从基态跃迁到激发态并伴随有光物理化学反应及其生成物。 分子组态的这种变化对应信息的写入。读出信息时，用低功率激光扫过整个吸收 线，得到的非均匀吸收光带在v 处出现凹陷，这个凹陷即所谓的“光谱烧孔”。因 为光谱烧孔除了利用光盘平面上的二维维度以外，还可利用光频率维度，故常将 光谱烧孔存储说成三维存储。 c ：全息光存储1 “1 8 1 图l 一7 光全息存储构成原理示意图 图1 7 示出全息存储器的构成原理。全息图是在记录介质里记录两个相交的 相干光束形成的干涉图。一个光束经过空间调制而携带信息，称为物光束；另 个以特定方向直接到达记录介质，称为参考光束。在两相干光束相交的空间中形 成亮暗交替的干涉条纹，条纹轨迹取决于两光场的相对位相：两光场位相相同的 地方是亮区，位相完全相反的地方是暗区。不同的数据图像与不同的参考波面一 一对应。在写入光束移去后，材料对干涉条纹照明的响应而产生的折射率分布仍 能持续一段时间，因而在材料中形成类似光栅的结构。读出过程利用了光栅结构 第一章绪论 的衍射， ； j 适当选择的参考光( 即写入过程中某一参考光的复现光束) 照明全息图， 使衍射光束经受空间调制，从而较精确地复现出写入过程中与此参考光相干涉的 数据光束的波面。这就是全息图存储信息的基本原理。对于厚的记录介质，金息 图遍布于材料的整个体积，形成体积( 三维) 全息图。体积全息图再现时对光束的 入射角度、波面位相或波长都十分敏感，因而有可能用不同角度或位相的参考光 束，或用不同波长的记录光，在介质的同一体积记录多重全息图( 即“复用”) ， 每一幅全息图都可以在适当的读出条件下分别读出。 近场超高密度光存储技术 如前文所述，在h d d v d 之后，传统的提高光盘存储面密度的方法将变得非 常困难。首先短波长半导体激光器本身的研制比较困难，而且当波长达到紫外时， 塑料盘基对光的传输性能大大减弱，给应用带来困难。其次增大数值孔径将遇到 大数值孔径的非球面透镜制作工艺上的困难：同时，大数值孔径的物镜对盘片厚 度的变化更加敏感，小的厚度的变化将产生大的像差，从而使得读出信号质量下 降：而且在远场记录的情况下，数值孔径有理论极限，其最大值为1 。因此传统 的远场光存储密度终将受到瑞利衍射极限的限制。要想突破衍射极限来获得超高 密度的光数据存储，必须在近场中实现；因为突破衍射极限的超衍射分辨信息存 在于近场区的隐失场中。8 0 年代末发展的近场光学技术，为高密度光存储技术带 来了全新的概念和实现的可能性。近场光存储的本质就是把局域于近场区隐失场 中的超分辨信息( 即高频信息) 尽可能多地存入存储介质中，从而实现超分辨的。 目前实验室中已建立了多种能够进行存取操作的实验系统，典型的有三种：( 1 ) 探针型近场存储 1 ”。 ( 2 ) 固体浸没透镜( s o l i di m m e r s i o nl e n ss i l ) 近场存储 例a ( 3 ) 超分辨近场结构( s u p e r - r e s o l u t i o nn e a r - f i e l d s t r u c t u r e s u p e r - r e n s ) 存储。 a ：探针型近场存储 探针型近场存储是在近场扫描光学显微镜( n s o m ) 的基础上发展起来的一 种超分辨存储方式。这种方法使用近场扫描光学显微系统的光纤探针作为光存储 9 第一章绪论 系统的读写光学头。由于探针顶端的通光 孔径很小( 为纳米量级) ，当采用近场扫 描光学显微技术控制探针尖端与记录层 表面的距离在几十纳米的近场范围内并 扫描时，从探针通光孔出射的近场光束直 接作用在记录介质上，得到大小接近于通 光孔径的记录光斑。早在1 9 9 2 年贝尔实图1 8 探针型近场光存储原理 验室的b e t z i g 研究小组就用这一技术实 现了在磁光介质上的记录，获得了直径约6 0 n m 的记录点。其记录原理如图1 8 所示。 19 9 9 年m b l e e 等人为了提高数据的传输速度，用硅探针阵列m , z 3 l 来进行 对记录盘的刻写并获得了2 5 0 r i m 的记录点 2 4 1 。这种方案在硅探针的锥形针尖里 放置了一个玻璃球，使针尖的通光效率提高了1 6 倍口5 1 ，这样的改进可以使探针 型近场存储方案向实用化方向发展 26 1 。 探针型近场存储技术虽然实现了较高密度的光存储，但存在着一定的缺点。 首先由于光纤探针尖端孔径为纳米量级而使得透过的光能量较低，读写信号微弱， 信噪比差。其次，反馈系统的响应速度较慢，探针与记录介质的间距比较难保证。 以上两个缺点限制着读写速度的提高。这种方法还有一个缺点就是光纤探针容易 损坏和受到灰尘的污染。这些都限制了探针型近场存储方案的发展。 1 9 9 9 年贝尔实验室的a p a r t o v i 小组从解决光纤探针通光效率低的方向着手， 抛弃了传统的光纤探针，采用了g - t , l 、孔径激光【2 7 3 0 i ( v s a l v e r y s m a l l 。a p e r t u r e l a s e r ) 技术，使得其通光效率比普通光纤探针提高了1 0 4 倍以上。其方法是在半导 体激光器的光输出面上镀金属，并用聚焦离子束加工出一个微孔，微孔的直径为 5 0 n m - 3 0 0 n m ，微孔输出尺寸小于衍射极限的光斑，并通过气浮磁头的方法将其 浮置于记录介质上表面近场范围内来实现高密度的数据存储1 3 。他们用2 5 0 r i m v s a l ( 激光波长为7 8 0 r i m ) 获取了2 5 0 r i m 的记录点，存储密度为1 1 6 2 5 g b i t s e m 2 ， 1 0 第一章绪论 数据传输速度为2 4 m b i t s s 。虽然此种方案的空间分辨率高，已能用于超高密度的 信息记录、再现和擦除：然而要将它用于光盘驱动器中难度还是很大的：必须解 决亚波长尺寸的近距离控制和缩小光头体积等问题，这并不是一件容易的事。 b ：固体浸没透镜近场存储 固体浸没透镜技术是利用半球 或超半球固体浸没透镜( s o l i d i m m e r s i o nl e n s ，s i l ) 进行近场光学 数据存储的技术，其存储的原理如图 1 - 9 所示。这种方法是利用高折射率 的固体浸没透镜来提高光学头系统 的有效数值孔径，从而缩小读写光斑 的直径、提高存储密度。其存储方式 是将s i l 插入到光盘读写头的聚焦物图1 - 9 固体浸没透镜近场光存储原理 镜下方，使激光正好会聚在s i l 的底 面中心。理论上讲半球型的s i l 可以使光学头的数值孔径提高为插入前的n s i l 3 2 】 ( n s i l 是s i l 的折射率) 倍；超半球型s i l 可以使光学头的数值孔径提高为插入 前的n 2 s i l 【2 0 1 倍。一般来讲，包含s i l 的光学头的有效数值孔径都大于l ，这时激 光透过s i l 的底面后将产生隐失波。为有效发挥s i l 的作用，其底面和记录介质 之间距离须保持在近场范围内，这样聚焦在s i l 底面的光斑通过近场耦合的方式 将光能量传到记录介质中，实现高密度的记录。 s m ，m a n s f i e l d 和g s k i n o 在1 9 9 0 年首先将半球型的s i l 应用于固体浸没显 微镜( s i m ) 【3 2 】，明显地提高了成像的分辨率，随后在1 9 9 3 年用半球型的s i l 做 了近场存储实验1 3 3 1 。1 9 9 4 年，b d t e r r i s 等将超半球型s i l 应用于近场存储，用 7 8 0 n m 的激光光源获得了3 1 7 n m 的记录点( n s l l = 1 8 3 ) f 3 4 】；随后他们采用气动悬浮 飞行头设计方法成功地将s i l 悬浮在盘片表面，实现了超半球型s i l 的动态存储 第一章绪论 虽然这种方法无法达到探针型近场存储那样高的存储密度，但它克服了探针 型近场存储探针透光率低和读写缓慢的缺点，并且由于这种方法可利用许多现有 存储的相关技术( 如：硬盘驱动器的空气悬浮磁头技术) ，因此用s i l 进行近场光 学存储有较大的发展前景。但还存在一些关键的技术和难点没有解决，如s i l 的 制作，其尺寸较小，要求密度高，较难加工旭难于与普通的聚焦物镜进行装配；其次 是光学调焦，很难将准直激光束经过普通物镜后准确聚焦在s i l 的底面中心：而 且s i l 的光学头与记录盘片的间距难以控制，以至于目前基于s i l 的近场存储系 统都还处于试验阶段。 c ：超分辨近场结构存储技术 图1 1 0 超分辨介质膜系结构 为了克服探针型近场存储和s i l 近场存储方案的缺点，j t o m i n a g a 于1 9 9 8 年提出了超分辨近场结构( s u p e r - r e s o l u t i o nn e a r - f i e l ds t r u c t u r e ，s u p e r - r e n s ) 存储 方案佯，它是利用介质在强光场作用下的非线性效应或表面等离子体场增强效应 来实现亚波长尺寸光学存储的。其盘结构是在一般相变光盘的保护层之间加入非 线性掩膜层，同时去掉反射层。当呈高斯分布的激光束通过这一膜层时，只有强 光才能透过并到达记录层，而强度较低的光则不能透过；这就相当于在介质膜层 上开了一个亚波长尺寸的通光微孑l ，当光停止照射时，微孔关闭，因此这一介质 膜层也称为孔径开关层。由此可看出，s u p e r - r e n s 的优点是显然的：( 1 ) 通过调 2 第一辛绪论 整孔径开关层的厚度，可以很方便地改变通光孑l 与记录介质的间距，克服了常规 近场存储时近场间距难以控制的问题；( 2 ) 由于整个近场结构都做在光盘片上，所 以可以很好地与现有的光盘存储器兼容，大大减少了研究和开发费用：( 3 ) 由于通 光微孔是由孔径开关层的非线性光学效应动态地产生的，因此可以通过改变入射 激光功率来方便地改变通光孔的大小，从而改变记录位的大小：( 4 ) 采用光学头 聚焦控制系统容易实现数据的高速读写。典型的s u p e r - r e n s 膜结构有两种：如 图1 1 0 所示，其中核心的s b 或a g o x 薄膜层被称为孔径开关层，作用与近场探 针的纳米孔径相同。 此种存储方法提出的时间不长，目前研究的重点还在膜厚度对记录特性的影 响及膜层工作机理的探讨上。日本的a s a t 等研究了超分辨膜层和记录层之间的 保护层厚度对近场存储效果的影响 3 6 1 。t , n a k a n o 等研究了以s b 作超分辨 ( s u p e r - r e s o l u t i o ns r ) 膜的膜层厚度对近场记录c n r 的影响1 3 7 1 ，h f u j i 等研究 了a g o x 作s r 材料，z