（精密仪器及机械专业论文）飞秒激光三维光盘存储系统及相关技术研究.pdf

中国科学技术大学博士论文 摘要 随着网络和多媒体技术的发展，需要存储的数字化信息以惊人的速度增长， 如此大的信息量需要大容量的存储设备来支撑。在国家自然科学基金( n o 5 0 2 7 5 1 4 0 ，n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) 及“8 6 3 ”项目( m e m s2 0 0 3 a a 4 0 4 0 5 0 ) 的资助下， 本论文结会双光子三维共焦荧光存储技术与现有光盘存储伺服技术，提出了飞秒 激光三维光盘存储系统设计方案，搭建了一套双光子三维光盘存储实验系统，并 对相关问题进行了理论和实验研究。 首先，通过对目前国际上研究的多种多层盘片伺服方案的分析，结合在像差 校正中应用的双元透镜控制技术，设计了三维光盘存储系统变焦选层方案，并详 细分析了系统跟踪和选层过程中。音圈电机的致动曲线。考虑到变焦选层方案控 制及光学系统的复杂性，提出了双光头异俱l 方案，作为本论文飞秒激光三维光盘 存储系统的实现模型，并分析计算了由于制造、装配原因导致的双光头轴向、径 向同步误差。提出共焦模块光强伺服控制技术，并利用光致漂白材料存储结果的 标定行数据进行m 戤l a b 模拟仿真。 其次，利用共焦荧光显微原理及其三维光学传递函数，分析了本实验系统共 焦模块参数对单、双光子共焦荧光读取分辨率的影响单光子共焦荧光系统共焦 小孔直径1 0 4 岬时，层析能力比采用2 0 8 4 p m 共焦d , t l 提高了3 6 倍。双光子 共焦荧光系统共焦小孔直径7 8 p m 时，层析能力比采用1 5 6 7 1 t m 共焦小孔提高 了1 5 6 倍。离焦量大时，双光子共焦荧光系统比单光子共焦荧光系统有更好的 轴向响应。通过已知大小荧光物双光子共焦荧光成像实验，验证了共焦小孔赢径 与系统横向轴向分辨率的反比关系。 然后，完成飞秒激光三维光盘存储系统伺服模块的硬件设计和制作，实现伺 服模块功能。完成共焦模块读写光路的设计和搭建，完成共焦模块同步控制电路 的设计和制作。根据实测的双光头同步控制电路聚焦输入输出信号，辨识同步控 制电路聚焦控制模型，仿真曲线和实测结果吻合较好，二者符合度为7 8 0 2 5 9 5 搭建双光头同步聚焦误差检测实验装置，检测、计算各激振频率下的同步聚焦误 差幅值。选择二苯乙烯类衍生物光致漂白材料旋涂在d v d 盘片上进行双光头原理 中国科掌技术大学博t 硷丈 实验，获得初步的实验结果。 最后，改建了基于平移台的存储实验系统，进行飞秒激光三维光存储材料研 究。在光致变色材料( 二芳基乙烯类衍生物) 掺杂的p t , i m a 膜中存储两层数据，点 间距4 1 t i n ，层间距8 1 a m 。在光致漂白材料( 二苯乙烯类衍生物b p s b p ) 掺杂的 p 姒a 聚合物膜中实现三层信息存储，点间距4 1 t m ，层间距1 5 p m 。在微爆材料 s m ( d b m ) 3 p h e r g p m m a 样品中进行了九层微爆信息存储，点间距为4 1 u n ，层间距 为8 m 。通过三种材料光化学物理特性及三维光存储实验研究，本论文的飞秒激 光三维光盘存储系统选择光致漂白材料和双光子共焦荧光读取方式。 本论文对飞秒激光三维光盘存储系统进行理论和实验研究，并对实用化过程 中的相关问题作了讨论和展望，为三维光存储技术产品化打下了一定基础。 关键词：飞秒激光三维光盘存储双光头共焦荧光聚焦和循道伺服 i i 中日科学技术大学博士论文 a b s t r a c t t h en e e df o rd a t as t o r a g ei s e x p l o s i v e ，t r i g g e r e db yt h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i aa n de l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s m a s s s t o r a g ed e v i c e sa r e n e c e s s a r yt of u l f i l lt h ei n c r e a s i n gd e m a n d s 一 af e m t o s e c o n dl a s e rt h r e e d i m e n s i o n a ld i s cs t o r a g es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d b a s e do i ls e r v ot e c h n o l o g yu s e di nc u r r e n to p t i c a ld i s cs t o r a g ed e v i c e sa n dt w o - p h o t o n t h r e e d i m e n s i o n a lc o n f o c a lf l u o r e s c e n td a t as t o r a g e w eb u i l tt h es y s t e ma n d r e s e a r c h e do nr e l a t e dt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li s s u e s t h i sp r o j e c tw a ss u p p o r t e d b yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 2 7 5 1 4 0 & n o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) a n d 8 6 3 ”p r o j e c t ( m e m s 2 0 0 3 a a 4 0 4 0 5 0 ) f i r s t l y , w ea n a l y z e ds e v e r a ls e r v em e t h o d so fm u l t i l a y e rd i s cs t o r a g es y s t e m ， c o n s u l t e dt h et w o e l e m e n tl e n st e c h n o l o g yu s e di n c o m p e n s a t i o nf o rs p h e r i c a l a b e r r a t i o n ，av a r i f o c a ll a y e r - s e l e c t i o nt e c h n o l o g yi nt h r e e - d i m e n s i o n a ls t o r a g es y s t e m w a s p r o p o s e d ，a n dt h em o v e m e n t o fv o i c ec o i lm o t o ri nf o l l o w i n ga n dl a y e r - s e l e c t i o n p r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo f c o n t r o la n do p t i c a ls y s t e mi n v a r i f o c a ll a y e r - s e l e c t i o nm e t h o d ，w eb r o u g h tf o r w a r dat w o - p i c k - u pb o t h s i d em e t h o d 鹊i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rt h r e e - d i m e n s i o n a ld i s cs t o r a g e s y s t e ma n ds t u d i e dt h ea x i a la n dr a d i a ls y n c h r o n o u se r r o r sb e t w e e nt w op i c k u p s b e c a u s eo fm a n u f a c t u r ea n da s s e m b l a g e w ep r o p o s e dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y s c r v ot e c h n o l o g yu s e di nc o n f o c a lm o d u l ea n ds i m u l a t e di ti nm a t l a bw i t hc a l i b r a t i o n d a t ao b t a i n e df r o mp h o t o b l e a c h i n gm a t e r i a ls t o r a g ee x p e r i m e n t s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c o n f o c a lf l u o r e s c e n tm i c r o s c o p ea n di t s t h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a lt r a n s f e rf u n c t i o n ，w ea n a l y z e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n p a r a m e t e r si nc o n f o c a lm o d u l ea n dt h er e s o l u t i o no fs i g l e p h o t o na n dt w o - p h o t o n c e n f o c a lf l u o r e s c e n ts y s t e m t h ed e p t h d i s c r i m i n a t i n g a b i l i t y o fs i n g l e p h o t o n c o n f o c a lf l u o r e s c e n ts y s t e mw i t h1 0 4 p , mp i n h o l ed i a m e t e ri s3 6t i m e sh i g h e rt h a n t h a tw i t h2 0 8 4 啪p i n h o l ed i a m e t e r t h ed e p t h d i s c r i m i n a t i n ga b i l i t yo f t w o - p h o t o n c o n f o c a lf l u o r e s c e n ts y s t e mw i t h7 8 啪p i n h o l ed i a m e t e ri s1 5 6t i m e sh i g h e rt h a n 1 1 1 中国科学技术大学博士论文 t h a tw i t h15 6 7 p mp i n h o l ed i a m e t e r a l s o ，t h et w o - p h o t o nc o n f o c a lf l u o r e s c e n t s y s t e mh a sb e t t e ra x i a lr e s p o n s et h a ns i n g l e p h o t o nc o n f o c a lf l u o r e s c e n ts y s t e mw h e n d e f o c u s i n ga m o u n ti sl a r g e w ec a r r i e do u tt w o - p h o t o nc o n f o c a lf l u o r e s c e n ti m a g i n g e x p e r i m e n tw i t hg i v e n s i z ef l u o r e s c e n to b j e c t , w h i c hv e r i f i e dt h ei n v e r s ef e l a t i o n b e t w e e nd e t e c t o rs i z ea n d s y s t e mr e s o l u t i o n t h i r d l y , w ed e s i g n e da n df a b r i c a t e dt h es e r v om o d u l ei nf e m t o s e c o n dl a s e r t h r e e 。d i m e n s i o n a ld i s cs t o r a g es y s t e m ，a n dr e a l i z e di t ss e r v of u n c t i o n t h er e c o r d i n g o p t i c a ls y s t e ma n dt w o p i c k - u ps y n c h r o n o u sc o n t r o lc i r c u i ti ne o n f o c a lm o d u l ew e r e a l s oc o m p l e t e d t h es y n c h r o n o u sc o n t r o lc i r c u i tw a ss i m u l a t e db yu s i n gi t sf o c u s i n g i n p u ta n do u t p u ts i g n a l t h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dm e a s u r e dd a t af i t t e dw e l l ( f i t = 7 9 0 2 5 9 ) w eb u i l tt w o - p i c k u ps y n c h r o n o u sf o c u s i n ge r r o rd e t e c t i o nd e v i c e a n dm e a s u r e ds y n c h r o n o u sf o c u s i n ge l r o r su n d e rd i f f e r e n te x c i t e df r e q u e n c i e s t h e s t o r a g ee x p e r i m e n tw i t hp h o t o b l e a c h i n gm a t e r i a l ( d i p h e n y l e t h y l e n e ) s p i nc o a t i n go n d v dd i s cw a se x e c u t e d , a n dp r e l i m i n a r yr e s u l th a sb e e na c h i e v e d f i n a l l y , r e b u i l d i n go r i g i n a ls t o r a g es y s t e m sb a s e do np l a t f o r m ，w ec a r r i e do u t t h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ls t o r a g ee x p e r i m e n t sw i t hf c m t o s e c o n dl a s e r t w o l a y e r o p t i c a ld a t as t o r a g ei np m m a f i l md o p e dw i t hp h o t o c h r o m i cm a t e r i a l ( d i a r y l e t h e n e d e r i v a t i v e ) w a sa c h i e v e d t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w ob i t si ne a c hl a y e ra n dt h et w o a d j a c e n tl a y e r si n t e r v a lw e r e4 9 ma n d8 岬r e s p e c t i v e l y t h r e e l a y e ro p t i c a ld a t a s t o r a g ei np m m a f i l md o p e dw i t hp h o t o b l e a c h i n gm a t e r i a l ( d i p h e n y l e t h y l e n eb p s b p ) w a sa c h i e v e d t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w ob i t si ne a c hl a y e ra n dt h et w o a d j a c e n tl a y e r s i n t e r v a lw e r e4 t t ma n d1 5 岬r e s p e c t i v e l y n i n e - l a y e rm i c r o e x p l o s i o nd a t as t o r a g ei n s m ( d b m ) 3 p h e n p m m aw a sa c h i e v e d t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w ob i t s i ne a c hl a y e r w a s4 ”ma n dt h et w oa d j a c e n tl a y e r si n t e r v a lw a s8 p m a c c o r d i n gt os t o r a g er e s e a r c h o np h o t o c h e m i c a la n dp h o t o p h y s i c a l p r o p e r i e so ft h r e e k i n d so fm a t e r i e l s ， p h o t o b l e a c h i n gm a t e r i a la n dt w o p h o t o nc o n f o c a lf l u o r e s c e n ts t o r a g em e t h o dw e r e c h o s e ni no u rf e m t o s e c o n dl a s e rt h r e e d i m e n s i o n a ld i s cs t o r a g es y s t e m i n c o n c l u s i o n ，w ei m p l e m e n t e dt h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n f e m t o s e c o n dl a s e rt h r e ed i m e n s i o n a ld i s cs t o r a g es y s t e m m e a n w h i l ew ed i s c u s sa n d l o o kf o r w a r dt ot h er e l a t e dp r o j e c t si np r a c t i c a lp r o c e s s t h ew o r ki nt h i st h e s i si s i v 中国科学技术大学博士论文 h e l p f u lf o rt h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ls t o r a g e d e v i c e sc o m i n gi n t om a s ss t o r a g e m a r k e t k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e r , t h r e ed i m e n s i o n a ld i s cs t o r a g e ，t w op i c k u p ，c o n f o c a l ， f l u o r e s c e n c e ，f o c u s i n ga n dt r a c k i n gs c r v o v 中屋科学技术大学博士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 信息存储发展概述 人类社会的信息包括数据、文字、声音、图像等。随着社会的发展，人们保 存这些信息的方式在不断改进。4 0 年代，第一台电子计算机e n i a c 诞生了， e n i a c 的诞生对科技发展产生了深远的影响i i 】为了解决电子计算机程序存储的 问题，雷达系统中用来存储脉冲信号的水镊柱延迟线回路存储器被应用在电子计 算机中。2 0 世纪6 0 年代开始采用磁芯存储器( f e r r i t e c o r em e m o r y ) 1 2 ，存储一 位信息用一个具有方形磁滞特性的铁氧体磁芯同时，作为辅助和外围存储器的 磁带存储器也得到了发展。7 0 年代前后，一种利用磁记录技术在旋转圆盘介质 上进行数据存储的磁盘存储器开始投入应用【 。磁盘存储器容量大、数据传输率 高，同时有一定的抗震设计，现在已经成为应用最广泛的计算机外部存储器。7 0 年代末，出现了光盘存储技术h i 。光盘存储器用激光束聚焦为亚微米尺寸光点记 录数据在光盘介质上，用聚焦激光柬读取信息。光盘存储器存储容量大，保存时 间长。近年来，半导体存储器、量子磁盘、近场扫描光学存储、磁力显微镜存储 等多种存储方式也得到了发展【5 1 本论文主要研究的是以激光作为写入或读取激发光的光信息存储技术。按照 信息点在存储介质中的空间分布，可以把光信息存储技术分为平面光存储技术和 三维光存储技术。 1 2 平面光存储技术 平面光存储技术是指信息点存储在介质表面或一定深度处，根据不同机理， 乖j 用激光束读取。目前有些存储方式可以实现双层或几层的数据存储，如d v e 的d 9 、d 1 8 格式，层数增多以后，层与层之间的相互窜扰愈加明显，所以层勤 的增加有限，依然称为平面存储技术。 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 1 2 1 光盘存储技术 1 2 1 1 光盘存储技术简介 光盘存储技术【4 “j ，是将半导体激光束聚焦在旋转盘片上，聚焦和循道伺服 技术使焦点保持在固定深度的选定道，利用光对记录介质的物理或化学效应改变 介质的光学性能，如反射、吸收、相变等，实现数字化信息的写入和读取。图 1 1 为光盘存储基本原理。 4 图1 1 光盘存储基本原理 i 半导体激光器2 光学头 3 光盘4 信道 光盘存储系统发展有3 0 多年了，产品种类很多，功能不断改进。只读光盘 存储器( r o m ，r e a do n l ym e m o r y ) 只能读取已经记录在盘片 ：的数据，无法 进行重复写入和擦除，目前在个人计算机、影碟机中广泛使用。为了满足数据备 份和交换的需要，开发了一次写入多次读取光盘存储器( w o r m ，w r i t eo n c e r c a dm a n y ) 。w o r m 光盘增加了一层记录介质，利用聚焦激光束的高密度能量， 改变盘片记录层材料的物理或化学性质，形成不可逆的信息记录。可擦写光盘存 储器是指针对可擦写介质材料，系统可以实现信息的写入、读出和擦除。可擦写 光盘存储器与前两种光盘存储器主要区别在于存储介质材料的不同，不同的材料 导致不同的存储机理 2 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 1 2 1 2 光盘存储系统和工作原理 光盘存储器主要包括四个部分：光学系统、精密机械结构、伺服控制系统、 信息读取和处理系统【7 1 引。以上三种类型的光盘存储器，光学系统是不同的。只 读型光盘存储器提供了基本的读取盘片信息的功能，是其他两种存储器的基础。 其余两种光盘存储器要加入写入光的整形和控制部分，可擦写型光盘存储器还要 对擦除光进行控制。 图1 2 光盘存储系统 1 物镜及二维致动器 2 1 4 波带片3 偏振分束器 4 柱状透镜5 探铡器6 整形、准直镜 7 激光器8 光盘9 主轴电机 1 0 数据编码1 1 数据解码1 2 主轴转速控制 1 3 主控模块1 4 光学系统 图1 2 所示为光盘存储器系统基本结构，用户数据经过编码l o 后，对激光 器7 进行调制。经过整形和准直镜6 处理后，出射平行光束经过偏振分束器3 1 4 波带片2 ，由物镜l 聚焦在盘片8 的存储介质上，饺存储介质发生物理或化 学变化，形成串行的物理标志。这些物理标志在激光束照射下能显示出光学反差， 从而记录数字化信息。 读出时，需要调整激光器的光强，使读取光强低于存储介质的写入阅值，这 是为了避免对写入信息的破坏。光束经过整形准直后，沿偏振分束器、l “波带 片、物镜，聚焦在光盘信息层上。对于光盘上无凹坑处，光强大部分能够返回， 衰减主要是因为光盘反射层的反射率和保护层的损耗所带来的。而对于信道凹坑 处，从凹坑内返回的激光与从坑岸返回的激光光程相差1 ，2 波长，因此会产生波 3 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 峰和波谷的相互抵消，返回光强相对于无凹坑处有极大衰减。光盘存储系统就是 依据返回光强的这种差别来记录和识别数字信号“0 ”和“1 ”。返回光强通过偏 振分柬器后，导入检测光路，由柱状透镜聚焦在光电探测器5 上。探测器将检出 的光强信号转化为电信号提供给主控模块1 3 ，经信号处理电路处理、解码后还 原出原始写入数据，提供给用户。 1 2 1 3 盘片 光盘盘片类型【7 j 包括：一次写入多次读出光盘，可擦写光盘，只读光盘。 一次写入多次读出光盘类型的c d r 盘片，采用有机材料( 如菁染料、酞菁 染料和偶氮化合物等) 作为记录介质。如图1 3 所示，其膜层结构一般包括保护 层1 ，反射层2 ( 金属膜层) 、记录层3 ( 染料层) 和衬底层4 ( p c 盘基) 。图中 5 为有机染料吸收激光能量，导致热分解形成的漂白和鼓泡。 可擦写光盘类型的相变光盘【9 j ，其记录介质为硫系半导体合金构成的相变材 料。在不同功率密度和脉宽的聚焦激光作用下，相变材料在晶相和非晶相之间变 化，记录数字信息。 表1 ic d 、d v d 只读光盘的主要参数 对于只读光盘来说，目前应用最广泛的是c d ( c o m p a c t d i s k ) 和d v d ( d i g i t a l 4 中国科学技术大学辫士论文第一章堵论 v e r s a t i l ed i s k ) 盘片，蓝光d v d ( b l u e r a yd i s c ，b d ) 产品也己推出。图1 4 中 是三种光盘在同一放大率下的显微照片。从图中可以看出，盘片的道间距和信息 坑尺寸在逐渐变化。c d 和d v d 只读光盘的主要参数列于表1 1 中n 图1 3c d r 盘片结构 1 ，保护层2 反射层3 记录层 4 衬底层5 信息点 图1 4 光盘盘片同一放大倍率下的显微照片 ( a ) c d 盘片( b ) d v d 盘片( c ) b d 盘片 在d v d 系统中，存储的主数据包需要经过一系列的编码处理才能形成记录 在盘片上的物理扇区结构 i 0 1 。光盘上物理扇区信息是沿轨道记录的，光盘的存 储格式取决于信息在轨道上的记录方式。目前主要有三种方式n ：等角速度格式 ( c a v 格式) ；等线速度格式( c l v 格式 ：区域等角速度格式( z c a v t 式) 。目前 光盘存储系统一般可以读取不同存储格式的盘片。 中圈科学技术大学博士论文第一章绪论 1 2 1 4 光学系统 光盘存储器的光学系统全部集中在光学头中，促进了系统的小型化。普通光 驱的光学系统利用盘片反射光因信息点的影响而产生的光强变化来读取数据和 伺服跟踪。 1 普通只读型光学系统 普通只读型光学系统的典型结构请参见第三页图1 2 f 7 8 】。由半导体激光器7 发出的激光是发散的椭圆光，须经过准直整形镜6 成为圆形平行光；经过偏振分 束器3 后，光束成为平行偏振光( p 光) ；此线偏光反射入1 4 波带片2 ，出射时 成为圆偏振光：由二维致动器l 带动的物镜将此光聚焦到光盘8 的反射面上；反 射回来的光束再次经过1 4 波带片后成为垂直偏振光( s 光) ；此时，s 光可穿过 偏振分束器，因而从入射光路中分离出来，进入像散光学元件柱状透镜4 ；柱状 透镜根据聚焦状态的不同，在光电探测器5 上成不同的像，从而可以读出数据信 号和伺服误差信号 2 全息光学系统 全息光学系统可以利用一个全息元件实现原有光学系统中多个光学元件的 功能，从而实现系统的小型化。图1 5 中的全息元件可以同时完成下面三种功能： 将从盘面反射回的数据信息光束从写入通道中分离出来；提供聚焦误差检测信 号；提供循道误差检测信号川。 图1 5 全息光学系统 1 激光器2 全息元件3 物镜4 光盘5 光电探测器 ， 全息光学系统主要包括四个元件：激光器l dl 、全息元件h o e2 、物镜3 、 光电探测器p d5 全息元件包括四幅不同的全息图，分别由光电探测器上的 p i p 4 发出的发散球面波与激光器发出的光波干涉形成。激光器发出的光束经过 6 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 h o e 、物镜聚焦到盘片4 上，返回的携带信息的光束经物镜照射h o e 。当光束 精确聚焦时，返回光束被h l o 4 衍射，会聚在p i p 4 点，经电路信号处理，可 以获得数据信号和聚焦、循道误差控制信号。 1 2 2 近场光学存储技术 使用物镜聚焦读写光束，由于光波的衍射效应，光斑在焦面上的最小尺寸有 一定限制，一般用焦点处光强的半高宽( f w h m ) 来定义光斑直径： f w h m = 0 6 1 小a 。近年来，为了提高存储密度，从c d 、d v d 到b d ，光盘存储 器生产厂商不断提高聚焦物镜的数值孔径和减小入射光的波长。这两种方式，不 仅对光机电系统要求高，代价大，而且容量的提高有限。近年来，利用近场光学 方法进行高密度存储取得了比较大的进展f h - 1 3 。近场光学方法成像分辨率突破了 衍射极限，达到了纳米甚至于亚纳米，这就为其应用于高密度存储打下基础。目 前这方面的研究主要包括孔径探针型近场光存储技术f l ”、固体浸没透镜( s i l ) 近场光存储技术1 1 5 】和s u p e 卜r e n s 近场超分辨结构光盘技术1 1 6 1 。 图1 6 孔径探针型近场光存储 图1 6 所示为孔径探针型近场光存储，这种方式是采用探针尖端的纳米级小 孔作光源，控制探针尖端与存储介质的距离在近场范围，此时，通过小孔的出射 光束在近场范围内的光束直径可突破衍射极限，其大小由小孔的尺寸决定。1 9 8 4 年，d w p o h l 等人首先采用外表镀金属、尖端开有微孔的石英棒实现了数据的 读写【1 4 l 。接着扫描隧道显微镜的针尖【1 7 j 和扫描光学显微镜【1 舡2 0 1 也被用来进行近 场光存储试验。1 9 9 9 年，贝尔实验室提出采用微小孔径激光技术实现近场光存 储1 2 n ，即在半导体激光器的发光表面镀上金属，井用聚焦离子束加工出微孔，利 7 中嗣科学技术大学博士论文 第一章绪论 用小孔实现高密度的数据存储，这样可以提高通光效率。 在实验中，利用孔径探针近场光存储可以获得百纳米甚至几十纳米的信息点 尺寸，大大提高了存储密度。可是这种方式有下面几个问题需要解决：探针尖端 的出光孔径非常小，通光效率低，读写信号微弱，信噪比差；探针尖端非常细小 和精密，容易损坏；探针和存储介质间的近场距离不容易保证，动态条件下容易 发生碰撞。 1 2 3 磁光( m o ) 存储技术 磁光存储与普通磁盘存储技术不同，其利用激光和磁场的共同作用存储信 息。磁光存储的介质在常温下不容易改变其磁畴方向，当聚焦激光束照射时，温 度升高，此时介质矫顽力几乎为零，通过外加电场可以轻易改变磁畴方向1 2 2 】。 在信息擦除时，激光束聚焦在存储介质层上，使焦点局部温度升高，在外加 磁场的作用下，使磁畴取向一致。信息写入时，激光束聚焦处温度升高，在极性 与擦除时相反的磁场作用下，改变记录介质磁畴的取向。在信息读出时，主要利 用磁光克尔效应。当线偏光照射在记录介质上，随着磁畴取向的不同，反射光偏 振面将发生顺时针或逆时针砬的偏转。如果使检偏器的轴与吼光正交，则此方 向的反射光不通过检偏器，而+ 见方向的反射光可以通过检偏器，利用光电探测 器可以检测出记录介质上的信号方向。 磁光存储是一种平面存储技术，信息点的缩小受到超顺磁极限的限制，长远 来说，其存储容量的提高会越来越困难。 1 2 4 多波长、多阶光存储技术 多波长光存储技术1 2 ”6 】是清华大学基于光致变色材料提出的一种超高密度 存储方法，该技术可以采用不同敏感波段的单层混合或多层光致变色作为记录 层，用多种波长激光器通过合光和分光装置实现多记录层的并行读写，并且可以 通过控制记录层的总厚度在焦深之内实现对多个记录层的统一寻址。 传统的二阶存储技术( 如c d d v d 等) 采取的多是游程长度调制技术，通过 改变信息坑的长度来存储数据。而多阶存储技术f 2 7 - 2 9 1 考虑的是信号的幅值，采用 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 幅值调制技术存储数据，如果同时考虑游程长度，则可以采用多阶游程数据存储， 更大的提高了盘片的存储容量。 多阶存储技术是个热点问题 有多种方案。根据记录材料的不同 可将多阶光存储分为信号多阶存储 和介质多阶存储两种。信号多阶存 储包括s o n y 公司的坑边缘调制技囊 术、c a l i m e t r i c s 公司的坑深调制技 术和记录符大小调制技术等【3 0 川】； 介质多阶存储包括o p t e x 公司的电 子俘获多阶光存储技术【2 s l 、清华大 学光致变色多阶技术1 2 9 1 、a r i z o n a 大学的部分晶化多阶技术等阎。 湖浏一 o 图1 78 阶光存储实验结果 光致变色多阶光存储技术是一种光予型存储技术，光致变色是指某物质在不 同波长光照射下所产生的在不同化学状态之间发生快速可逆转换的现象，一般包 括a 和b 两种稳定的化学状态，其分别对应的吸收谱是完全不同的以这两种状 态来表示数字“0 ”和“1 ”，从而实现基于光致变色材科的数字式存储。光致变 色材料的反应程度( 参与反应的分子数) 与所吸收的光子数目成比例，通过控制写 入激光的能量，可以在光致变色材料上实现多阶光存储。 清华大学光盘国家工程研究中心对二芳烯类光致变色化合物的多阶存储进 行了理论和实验研究。图1 7 所示为其八阶光存储的实验结果i 2 卿。从图中可以看 出，各信号峰值之间有明显的阶次变化，且信号之间没有交叠现象。目前清华大 学正在进行基于光致变色材料的多阶游程存储实验，光致变色多阶技术与现有的 光盘系统有较好的兼容性，便于技术的推广 当然，多波长方案和阶数的提高意味着需要更高的稳定性和更复杂的信号处 理过程，相对于体存储技术而言，其容量的提高是有限的。 9 申臣科学技术大学博士论文第一章绪论 1 3 三维光存储技术 1 3 1 全息光存储技术 全息光存储( 3 3 】是一种体存储技术，图1 8 所示为其存储原理。写入时，半导 体激光器发出的光束分成两束，一束被空间光调制器调制形成物光，另一束通过 一个反射镜作为参考光反射入存储介质。两束光在存储介质中相遇，形成干涉条 纹。此条纹使得存储介质发生物理或化学变化，以吸收率、折射率或厚度上的变 化等形式保存下来。空间光调制器的二维图案以光学干涉图样的形式保存在有_ 定厚度的存储介质中，所以，存储介质的部分损坏对信息的读取没有决定的影响， 只是降低了读出信息的信噪比。读出时用参考光照射存储介质，通过衍射效应可 以再现物光。 图1 8 全思光存储原理图 全息存储有许多优点，其存储密 度高，传输速率快，对缺陷不敏感。 但其材料的读出信噪比较低，同时光 学系统复杂，与现有存储技术不兼 容，所以仍需进一步研究。 图1 9 所示为一种盘片结构的全 息光存储系统示意卧3 4 1 ，系统采用角 度空间角度复用技术。其他存储方案 还包括空间复用技术、角度复用技 图1 9 全息光存储系统网 术、波长复用技术、相编码复用技术、环移角度复用技术等i 埘。目前国际上索 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 尼、i n p h a s e t e c h n o l o g i e s 等公司已经开发了全息光存储演示系统1 3 5 1 ，国内清华大 学也在这一领域有深入研究【3 6 】。 虽然近年来，全息存储已经取得了很大的进展，但还需要解决信息存储的稳 定性和噪声问题。 1 3 2 光谱烧孔存储技术 1 9 7 4 年，p e r s o n o v 首先报道了光化学反应引起的光谱烧孔现象f 明，接着， m o e r n e r 提出了将此现象用于光信息存储的想法1 3 8 瑚 图l ，1 0 撤活中心吸收谱 如图l ，1 0 所示，固体中，各激活中心受周围环境的影响，其格位结构不同， 这些不同格位激活中心的中心频率有差异，导致整体光谱的非均匀增宽。就是说， 照射区域的吸收谱线为各格位吸收谱线的包络。若用线宽非常小的窄线激光照射 材料，与入射光频率相同的激活中心发生光化学和光物理变化。此时若测景其吸 收谱线，会发现在入射光频率出发生凹陷。可以利用这一凹陷来代表= 进制的“0 ” 或“l ”，进行光信息存储。利用不同频率的激光照射材料相同位置，可以使吸收 谱线发生多个凹陷，这样就把频率维引入了平面存储中，形成三维信息存储。 光谱烧孔光信息存储的密度取决于非均匀变宽的线宽w l 与均匀线宽w h 之 比。在低温条件下，这一比值可以达到几千倍，这样可以使存储密度提高了几千 倍，应用前景是非常好的。 目前光谱烧孔光存储还需要解决几个难点。一个是耍提高信号读取的信噪 比。另。一个难点是常温存储问题，目前使用的材料，一般都在几十k 甚至几k 中嗣科学技术大学博士论文 第一章绪论 的温度下才能达到上千的烧孔数量，常温下无法达到如此高的频率分辨率。光谱 烧孔存储技术如果要走向实用化，还有很多的研究工作要做。 1 3 3 多层荧光光盘存储技术 2 0 0 1 年，美 雪c o n s t e l l a t i o n3 d ，i n c ( c 3 d ) 公司进行了可擦写光盘“f l o r e s c e n t m u l t i l a y e rd i s c s ( f m d ) ”的播放演示。使用的f m d 光盘直径为1 2 c m 。在玻璃底 板上构成5 层荧光记录层，由显示装置选择和切换各记录层上所记录的5 种不同 的图像内容进行播放。在转速仅为3 5 r p m 时数据传送速度可达1 7 m i g m b i t s 4 0 l 。 图1 11 多层荧光光盘读取装置原理图 图1 1 l 所示为多层荧光光盘读取装置，半导体激光器产生的激光经过二色 棱镜、像差校正，然后反射聚焦到盘片选定层上。激发出的荧光原路返回，由二 色片反射，经过滤色片滤除杂光，照射在光电探测器上。探测器输出信号一方面 用来提取存储的信息，同时经过处理，产生伺服信号，驱动读取头跟踪盘片的转 动误差。 f 岫方式的盘片成本高，制作过程复杂，多层盘基结构也限制了盘片层数的 增加。同时根据盘片的结构和制作过程可以看出，目前开发的仅仅是只读存储器， 要想实现可写的多层荧光存储，需要有不同的盘片结构。 1 2 中嗣科学技术大学博士论文 第一章绪论 1 3 4 双光予三维光存储技术 1 3 4 1 双光子激发原理 在普通单光子激发过程中，基态荧光分子或原子吸收一个能量为c o 光子后成 为激发态，随后又弛豫到基态，产生( o d 仿) 能量的光子，以光子形式释放能 量而发出荧光，如图1 1 2 所示。双光子激发时，反应物则需要同时吸收两个能量 为c o 2 的光予才能产生( 一d ) 能量的荧光。用于双光子诱导的光子能量只需单 光子诱导的一半1 4 l 】。所以双光予技术可以采用穿透能力强且性能温和的近红外 光代替紫外光达到材料变性的目的。 在材料中，单光子荧光强度正比于入 射光强：厶= c l ，( r ，z ) 。c l 为比例系数， “，力为高斯分布的入射光光强。而双光 子荧光强度正比于荧光物质的浓度和双光 子跃迁概率。采用密度算符的运动方程加 上微扰方法，双光子跃迁概率可表示为【4 2 4 3 l ： = 獬器诋t 2 _ m ”“擞篇 。“ ：# f 。a q 。f 图1 2 8 取光子激发原理 式中嘞= 燃糕器g 胁去瓦耘两 因此，材料中双光子荧光强度可以表示为： i p = c n 掰( t ，峨酬r i 度j - n ：) 式中c 为与实验条件有关的常数，n 为产生双光子荧光的物质密度，为激 光光强，口为双光予吸收系数，a 是有效爱因斯坦系数，q 是激发态的去激发速 率。从式1 2 可以看出，双光子荧光强度正比于入射光光强的平方。 双光子跃迁是一种高阶非线性行为，仅在聚焦点内的分子能被激发( 体积的 数量计为r ) 。当利用双光子效应进行三维光存储时，在光束传播路径上