（光学专业论文）短波长与固体浸没透镜高密度光存储技术研究.pdf

攘要 隧煎光存储技术在信爨社会中发撵出越采越重要瓣传耀，隧麓蕊患技术懿发 展，急需开发出具有更高存储密度的存储系统。本课题主要围绕高密度光存储技术 中翡短波长先存储技术和圆体浸没透镜超分辩存储技术展开研究，其目的在于掌 握这两静离密度光枣麟系绞中的关键技术。 本文首先概述了高密度光存储技术的发展历史及现状。随后果用5 3 2 m n 绿光 激竞器，数值孔径o 6 5 的菲球面树脂物镜，建立了一套绿光存储实验装置。在建立 装嚣中解决了亚微米尺寸激光光斑鲍聚焦、必鑫裹焦量检 樊| | 及垂凌聚焦簿阀题， 最终采用该装置在c d r w 相变光擞上进行了存储实验，实现了线宽约为5 0 0 r i m 的 记录线。豆稍甬蓰涂法铡备了三年川酱染料掺杂高分子薄骥，室漱下采用该装鼠 对三甲川普染糙薄膜的光存德特憋进行了磅究，褥囊了记录线塞终6 0 0 r i m 熬缝象。 以上结果的取得表明所建立的绿光存储实验装置已具备基本的存储实验功能。目 前国内关予j 玩方面酌研究大多戳综述为主，而该研究是建立在实验基础之上。 在固体浸没透镜( s i l ) 近场光存纛誊方瑟，营惫建立了透台s i l 存麓煞稿缀 光学系统，采用该系统与s i l 相缩合，建立了s i l 静态存储装置，且在c d r w 相 交竞辙上，实现了线宽约淘4 5 0 n r a 的静态实验结果。该结裂与非s i l 存储系统的 7 已录线宽相魄，线变压缝了1 4 4 穆；嗣跨剥建瞧容位移检测疆理，设诗并完戒了 一种简单有效的s i l 飞行头飞行商度检测装置，设计了高度伺服控制系统，最终 实现了s i l 在距离擞片几酉纳米近场区域的高度检测与控制，目前国内相关文献 尚未见这方藤豹擐遴。 在s i l 。飞秒三维光存储方两，首次提出将s i l 用于1 秒激光三维光存储的方 案，模拟了s i l 离焦遂与实际聚焦在介放内焦点位置殿系统数值孔径大小的关系。 且采鲻数值梵经o ，5 5 聚焦透镜与s i l 攘结合，褥8 0 0 n m 、1 5 0 f s 钛宝石激光髂诤聚 焦到存储介质内，在p m m a 及石英介质内部实现了三维存储。其中，在石英介膜 内部稃储密度可达1 1 x1 0 垃b i t s c m 3 ，该结果为目前所报道存透明介质内所获得 的最藏存健密痊。 扰终，本文还袋用三缭时域有限差分法，对聚焦线骟鬟褰赣党紊逶邋国髂浸 没透镜后焦平画上各分量场分布及距离焦平面不同位鼹光斑图样避行了模拟，模 襁结果表明：在焦平面上及距离焦平面较近的j 琏场区域，出射光场在与入射光偏振 蘩壹方两出瑰鑫著懿场瑷强现象，光斑潮襻呈近耄冀撩疆分京；焉褒距焦平嚣较远 的远场区域光斑图样趋向圆形对称分布。模拟结果对s i l 用于近场光存储具有一 窀的理论指导意义。 关键词：光存储，光盘，离焦检测，自动聚焦，固体浸没透镜，高度检测， 离度控镧，飞移激光嚣彖冲，三维存储，石英，近场，时域有疆差分法。 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yo fo p t i c a ld a t as t o r a g ei sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i no u ri n f o r m a t i o ns o c i e t y i ti s n e c e s s a r yt oi m p l o i th i g h e r - d e n s i t yo p t i c a lm e m o r y s y s t e mw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fd a t as t o r a g et e c h n o l o g i e s t h e h i g h d e n s i t yo p t i c a ld a t a s t o r a g et e c h n o l o g i e sb a s e do ns h o r t w a v e l e n g t hl a s e rs o u r c ea n ds o l i di m m e r s i o nl e n s a t es t u d i e dw i t ht h ea i mt o d e v e l o pt h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h e t w o o p t i c a ld a t as t o r a g e s s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h eh i s t o r ya n dt h er e c e n ta d v a n c e so fh i g h - d e n s i t y o p t i c a ld a t a s t o r a g e8 f es u m m a r i z e df i r s t l y t h e n a l le x p e r i m e n t a ls e t u po fo p t i c a ls t o r a g es y s t e mi s b u i l tu p ，u s i n gan o n - s p h e r ec o l o p h o n y o b j e c tl e n sw i t hn a = 0 6 5a n dg r e e nl i g h ts o u r c e w i t hw a v e l e n g t ho f5 3 2 n m t h es y s t e mc a nf o c u st h el i g h tb e a mi ns u b m i c r o nm e t e r s c a l e ，d e t e c tt h ef o c u s i n gd i s t a n c ee l l o ra n dc o n t r o lt h eo b j e c tl e n st om o v et or e a l i z e a u t o m a t i c a l l yf o c u s i n g u s i n gp h a s e - c h a n g i n gd i s cc d - r w a so p t i c a ls t o r a g em e d i a , a n o p t i c a ls t o r a g ee x p e r i m e n tc a r r i e so u tw i t ht h es y s t e ma n dt h er e s u l t ss h o w st h a ta r e c o r d i n gt r a c kw i t ht h ew i d t ho f 5 0 0 n mi so b t a i n e d ap e n t am e t h y lc r y n i n ed y e p o l y m e rf i l mi sm a d eb ys p i n c o a t e dm e t h o d ，a n dt h ep r o p e r t yo ft h ef i l mi ss t u d i e d w i t ht h es y s t e ma tr o o mt e m p e r a t u r e f i n a l l yar e s u l to fa b o u t6 0 0 n mr e c o r d i n gl i n e w i d t ho nt h ef i t mi so b t a i n e d + t h ea b o v er e s u l t ss h o wt h a tt h eb a s i co p t i c a l a i t i n g l h n c t i o ni sp r o v i d e dw i t ht h i so p t i c a ls t o r a g es y s t e mo f g r e e nl i g h ts o u r c e a tp r e s e n t m o s tr e s e a r c ha b o u tt h i sa r es u m m a r i z e dw i t h i no u rc o u n t r yw h i l eo u rw o r k sa r eb a s e d o n e x p e r i m e n t u s i n gs o l i di m m e r s i o nl e n s ( s i l ) i sa n o t h e rm e t h o dt or e a l i z en e a r - f i e l do p t i c a l d a t as t o r a g e h e r ew i t hab a s i c o p t i c a ls y s t e mo fs i l ，as t a t i cs i lo p t i c a ls t o r a g es y s t e m i sb u i l tu p ，a n dar e s u l to f - 4 5 0 n mr e c o r d i n gm a c ki so b t a i n e d o nc d + r wd i s c c o m p a r e dw i t ht h es a m es y s t e mw i t h o u ts i l ，t h ew i d t hr a t i oo fr e c o r d i n gt r a c ki s 1 ：1 4 4 a l s oad e v i c et h a tc a nc o n t r o ls i lt of l ya tac e r t a i nh e i g h tt ot h es u r f a c eo f r e c o r d i n gm e d i ai sd e s i g n e d t h ef l y i n gh e i g h to fs i li s m e a s u r e db yt h ec a p a c i t y b e t w e e nt h es i la n dt h ed i s c ，a n dac o m p u t e rc o n t r o l st h ed i s ct oa c c e l e r a t eo r d e c e l e r a t e ，t oa d j u s tt h ef l y i n gh e i g h to f t h es t l ，a n dt h e n ，t h es t lh y i n gh e i g h t c a l lb e c o n t r o l l e d t h er e l a t e dw o r k sh a v en o tb e e nr e p o r t e dw i t h i no b rc o u n t r yt i l ln o w a p r o j e c tt h a tu s i n gt h es o l i di m m e r s i o n l e n st of o c u st h ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s i nt h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g ei sf i r s tp r o p o s e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a c t u a lf o c u s i n gp o s i t i o na n dt h en u m e r i c a la p e r t u r ew i mt h ed i s t a n c eo fd e f o c u s i n gi s c a l c u l a t e d t h r e e d i m e n s i o n a lo p f i c md a t as t o r a g ei sa c h i e v e di np m m aa n df u s e d s i l l e ab yc o m b i n i n g8 0 0 n m 1 5 0 蠡l a s e rp u l s e sw i t hn a - - 0 5 5o b j e c t i v el e n sa n ds o l i d i m m e r s i o n l e n s a t h e o r e t i c a lh i g h d e n s i t ys t o r a g ea s1 1 1 0 1 2b i t s c m 3 i n f u s e ds i l i c a i s a c h i e v e d s u c hr e s u l ti st h eh i g h e s tw r i t i n gd e n s i t yi nt r a n s p a r e n tm a t e r i a l st h a ti s r e p o r t e da tp r e s e n t t i m e ， b e s i d e s ，t h r e ec o m p o n e n to p t i c a lf i e l d si n t e n s i t yo ft b c u s e dl i n e a rp o l a r i z e dg a u s s b e a mi nt h ef o c a lp l a n ea n dt h ei n t e n s i t yp a t t e r n si nt h es e c t i o n so fv a r i o u sd i s t a n c e f r o mt h ef o c a l p l a n e a r es i m u l a t e d u s i n g t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e d o m a i n ( f d t d ) m e t h o d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m a g e p a t t e r ni nt h e f o c a lp l a n e o rt h es e c t i o n sn e a rt h ef o c a lt a k e so na p p r o x i m a t ee l l i p s e ，w h i l et h ep a t t e r n si nt h e p l a n e so ft a rr e g i o nd i s p l a y sa s y m m e t r i c a lr o u n d i tm a yb ep o s s i b l et oh a v es o n l e t h e o r e t i c a ld i r e c t i n gi ns o l i di m m e r s i o nl e n sn e a r - f i e l dd a t as t o r a g e k e y w o r d s ：o p t i c a ld a t as t o r a g e ，o p t i c a ld i s k ，d e t e c t i o no fl o c u sd e v i a t i o n , a u t o f o c u s ， s o l i di m m e r s i o nt e n s ，h e i g h td e t e c t i o n ，h e i g h tc o n t r o l l i n g ，f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e ， t h r e e - d i m e n s i o n a ld a t as t o r a g e ，f u s e ds i l i c a ，n e a r - f i e l d ，f i n i t e - d i f f e r e n c et i m ed o m a i n m e 趣o d 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所星交的论文慰我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中肼引用的内容都已给予 f 粥确的注释和黧涮。与我一同i 作的问志对本研究所徽的任何贾献均已在论文 ，谗了秘确的说翻 表示了致阮、 申瀵学位沧文与资褥蓉真i i 实之处，本人承疆一露摇美赛程。 论文馋裹签名：二善生 二- 蓝一 墨 嬲：羔窑堡堡：芏：l 望 知识产权声阴 本人完全了解中科院疆安光学精密机械研究所农关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院谣安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。，产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可吼公布论文的垒部或部分内容，可以采期影印、缩印或其它复 翩手段豫存沧文。 缣密静论文程瓣密焉应遵守魏规定) 论文作者签名：垒出睾三荛一 导烀签名：翌至= 至鸯 f t 期：! ! 堡二王：! l曩颡：型望垒3 ：! 扩 镶波长与辫簿浸注遴镜蓠整嶷党存祷姨木辑竞 1 1 研究纛义 第一章绪论 进入二十一世纪后，随着科学研究和信息产业的迅猛发展，人类融进入经济 售惑纯、信息数字纯豹裁辩技辩代。信怠按术已经成为鏊家经济发震、柱会邂步 及国防实力增强等不可或缺的技术之一。由于信息的多媒体化，豌单的数据、文 字、图像、声音等小数据量信息已经不能满足社会信息化的需求，人们不断追求 其有大数蹇辍静滔动鬻像移高漓濒图像，掘之信怠嚣新速度的热浃，这无疑使褥信 息量以惊人的速度增加。 同时，随着信息网络技术不断发展，网络已经进入了千家万户。在信息社会 中，箕中袋其代表链的慧电信、广播滚视和计算税三大潮络融合成为统一静、综 合的、多功娆的“信息寇速公路”。在“信息赢速公路”中，人们必须考虑壶瑟 露舂 效地存储和管理越来越多的数搦信息，如何艇充分地利用信息存储空间。于是， 信息瀚获取、传输、存储、显示、处理等技术得到了快速的发袋。它们之间楚相 互关联、密不可分数。健在这几个环节中，债息存继是铵患矮域最重要愆羲汝技 术之一。因此，超高密度信息存储技术已成为进一步发展信息高技术产业最煎要 的摹础之一。 以光盘为代表瓣光学数字僖怠存键技术爨7 0 年代开热骚裳帮牙发，已经过了 近3 0 年的发展。作为一种新型的信息存储处理技术，作为继磁存储之餍新兴起的 重要信息存储技术。与磁存储栩比，光存储技术具有很多优点：( 1 ) 数据存储密度 裹、容量大、携带方经。基兹警遥壹经1 2 0 r a m 静e 0 一r 光盘，存储容鬣为6 5 0 疆， 是普通软磁擞的儿百倍。( 2 ) 寿帘长、功能多、在常温环境下数搬保存海命在1 0 0 年以上。胃可根据用途采用不同介质制成只读型、一次写入型域可擦除型等一i 同 功艇靛惫盘。( 3 ) 菲缓黩式读写秘擦除。( 4 ) 信噪魄商，可这5 0 d b 以上。( 5 ) 叠三产 成本低，数据复制工艺简单、效率高。 由于光存储技术具有以上优点，因此近年来光存储技术取得了快速发展，其 中以光盘存储发展最为迅速。它的商品化产品单面存储容量已经从c d 的0 6 5 g b 提高到了d v d 的4 7 g b ，即将达到d v r 的2 2 5 g b ，将会在网络下载、海量信息分配 与备份等计算机数据存储和高清晰度数码录像、数码相机以及数字电影等娱乐性 光电子市场占有重要地位。因此以光盘为代表的光存储器件已成为当代信息社会 中不可或缺的信息载体，受到世界各国的普遍重视。各国相继投入大量人力、物 力和财力进行竞争，使得近年来光存储技术不断取得重大突破，已逐渐形成了一 个巨大的高科技产业。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 的薰鼗标港之一。我国也将这方面的研究列入了国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目中，以便跟上犀际高新技术发展的步伐并获得自主知识产权。 r 一i 图1 - 1 国内外存储技术发展图 1 2 高密度光存储技术的发展“2 3 “。6 在现代数字数据存储中，磁存储技术早已先入为主。磁带、软磁盘和硬磁盘已 短波长与固体授没透镜高密度光存储技术研究 普通应用，形成了巨大纳产业，而磁存储技术近年来仍然很迅速地发展着，羲不多 每5 年增加1 0 倍。光存储最早的形式为缩微照相，从本世纪初开始，经历了较长的时 润，残麓文整蜜瓣长嬲璨存鹣主要形式。5 0 年代裙激走爨瑗藤，激竞垒惠毅零受又 注目，因为它能实现三维图像存储，凝有更大的存储容量。但鼹，由于不能进行实时 数据存取，且不能和计算机联机，因此皆不能与磁存储相比。光擞存储技术是本世 纪7 0 年代秀据出来豹。跫蠢存键鼓术笈震至1 8 0 冬代，矮在声褪领域肉程逡? 激走 唱片( 包括声响唱片c d 和激光视盘l d ) 和激光唱机产业的兴起。其发展之迅速，出 乎人们的预料。 国凌终宠存髓按零豹发鬟禚鹫藤鍪卜l 爨示。嚣中各小方框表示竞眷鼹技术 发展的阶段。各小方糕下方列出各阶段的代表性光盘。虚线方框i 表示我因即将 推向市场的光盘存储：廉线方框i l 表示我国尚处在研究阶段的祷类光存储。 1 2 1 光盘存储技术 光盘存储技术是七十年代发展起来的光学信息存储技术。早期的开发主要集 中在激光式龟褫疆肆弱疆翻。1 9 7 2 年蔫兰p ml i p s 帮m c a 公嗣蓠先菱表激光式毫 视唱片，它们用聚焦成直径l 微米以下的氩激光束在涂有记录介质的光盘上以烧 蚀微孔的方式刻录电视节目，用类似密纹唱片笈制工艺制备l 毫米厚的唱片复制 品，焉小功率氦氖激光扫捶信惑轨道，按反翦獭度静交纯霉蕊已裁录售爨。1 9 7 4 年t h o m s o n - - c s f 和z e n i t h 公司必同发表了另一种透射式激光电视唱片，壤终被 统一为p h i l i p s - - m c a 方式。光学式电视唱片在1 9 7 8 年正式t 市，这大大促进了 久铜对光学存稽技零瓣研究耪应溺开发。霞光耜储系统性能、光盘矮羹藏纠稽技 术等得剖了很大的发展，1 9 7 8 年底荷兰p h i l i p s 首先展出了篇一台具有随录随放 功能的光盘存储系统梯枧。随后各神能记录、褥现蛉光盘存储系统作为大容量存 麓器陆续发表或投入经瑁。1 9 7 9 年p h i l i p s s o n y 又首先发表了具有9 0 分贝以卜 的高保舆放声信噪比的小型数字式声唱片( d a d ) 。1 9 8 2 年小型数字式声唱片进入市 场。光擞存储技术以其耨生的活力吸引了世界上诲多工业磷究肇位的关注，攫绥 第一章绪论 小型数字式声唱片技术被弓i 入计簿机信息存储领域。与当时问一时期的磁存储技 术相比，光盘数据存储技术由于具有高存储密度、低信息位价格、与计算机联机 傻矮豹能力、商信怒辕入速率、浃速隧枫存取信息教拳采久性存髂寿念等往熹， 使它成为具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。到今 天，光艋存储系统的发展如图1 1 中l 所示，从功熊上划分可分为三类：只读楚、 一次写入多次读出整淤及霹擦重笃鍪；簸存储密度一芝分有三健标壤，帮c d 、d v d 及第三代b l u ed i s k 超离密度光盘存储技术标准。嗣翦第三代b l u ed i s k 超岚密 度光盘存储技术标准已出台，即将进入产业化。 炎盘荐璇系统皴构 m 信号 意符 塑l 2 光盘存旗蓉绞基本原爨 光盘存储技术，是利用精宝嘲聚焦的激光束从模雁而成的盘片上读取信息戏进 一步稻蠲光精记录介质静穆瑾或亿学效应去激变分质瓣莱些光学往能，如对光的 反射、吸收或掘移等，从两实现二i 值化数握的写入、读取与攘除。其基本原矬如 图1 2 所示。其媳型的系统结构如图1 3 所示，系统的核心由三部分组成：存储 短波长与词体滢澄透镜高密蘼光襻储技术研究 数据的是嶷及其旋转驱动壤梅：读霹数据的光学头缎终：系统辅辍帮按刽电鼹。 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于光盘鑫片故溅录艨， 处予记录状态对，半警彝激光器光功攀辕出较大，焦点凳大戆激光功率密嶷使褥 记录禽壤的致射率发生交绽，形成信惠点；处子读爨状态瓣，拳鼯终激毙器熬辕 爨功率较小，当其焦点在记录邀上翘撼l 寸，瞧予记激点反射特性螺莫它位遴爱魅 将瞧瓣差簿，检测反瓣必鞠率静变纯鼯霹读感毫存臻信感。 潮1 - 3 光盘存储系统简示圈 二 辩蕊蠹持技术 光存偿的设想提盛予5 0 年代。年代，茭鬓、葛兰、l ；! ! ；零乃始在实验燮进 行电视录象光盘的研究。7 0 年代，技术趋予成熟，7 0 年代寒8 0 年代视，光懿 存健露搔藏系绞开媲蒎舞市场。懿：1 9 7 8 年1 2 是，p i li p s 公司在美瓣懿子 公司m ag 2 n a v a x 开始滋爨v 一8 0 型援放秽l ，1 9 8 1 年l o 蜀，先锋公司开始出售 l d l o 型播放枧( 采用半导俗激光嚣作为读出光源) ，光存德产晶开始亵龉他 ( l d - l a s e rd i s k ) 。1 9 8 2 年确立了囊径为 2 0 m m 、簿度为l 。2 m m 粒，l 、爨数字嘱盘 数标准( c d - c o m - p a c td i s k ) 。随后，开始在市场 ：囊售搽片帮e 蚤拯敬辍。麸 业i ，e 系刭救各毒孛鞭功能光盘系统不娅槎出。9 0 霉饯，系列光盘( e d 第一龌缝论 a u d i o 、v c d 、c d - r o m 、c d - r 、c d - r w ) 秘磁光光盘( m o ) 犬星灞瑰。1 9 9 6 年，薅 始雄e i d v d 系列光盘( o v d - - a u d i o 、d v d - - v i d e o 、d v d r o m 、d v d - r 、d v d r w ) 。d v d 被称为上世纪最后一种重疆产品。 光擞盘片从存鼹功熊上分为三大类。 ( 1 ) 光擞c d - - r o m 这类光盘只能读港琰先添铡好黥铸感。 ( 2 ) 一次镩入光盘( w r i t eo n c er e a dm a n y ，w o r m ) 这类光盘可以读、写信 息，瞧不熊擦昧。主要躅于文档秘强僚等长麓存教帮永久性备份文传。 ( 3 ) 霹擦麓型淹盘这类先盘又胃分为可擦震写光盘( r e w r i t e a b l e ，r w ) 和_ 蠹 接夔霹光盘( d i r e c t - - o v e r w r i t e ，d o w ) 它们郝具有写入、读出和攘 除三耱竞整翡功熊，毽裁者在写入信感蓊必缀先滚除，帮添要= 次动俸 才能完成敬麓功能；丽后者可以在写入新信息瀚间时，1 日信息被自动擦 除。 可霹光盘按其记添奔矮的特眭主要可分为戳下三大类。 ( 1 ) 磁光黧( m a g n e t - - o p t i c s ，m o ) 磁光楚光盘利用光热效应使激渑焦点照 射部位记录介质的温度达到磁性畦录膜层屡里潋度点戡枣i 偿淤度点，馊其矫顽力 海到最小值，褥翻箱外加磁汤彳乍溺使记蒙膜层磁畴方向改变。该改变可逆，可以 实观擦除和重写。傣息读岛是莉鼹磁光膜所具霄的克尔效应实现。 ( 2 ) 妇变型( p h a s e - - c h a n g e ，p c ) 蠼变光盘是剥蹋分鹱奁照态秘饕鑫态， 或是由种晶态到国一种晶态的i ；i 丁逆交化实现信息的霹入与擦除，利用两态具有 的反射率差弊读出记蒙信怠。“。 ( 3 有搬光色蠛光子选逶奔矮( o r g a n i cp h o t o c h r o mo rp h o t o n g a t e d ，o p ) 避利甭有机化合物畈收光子能量后产生的光学特性变化实现信息的写入与读取域 攘除。这类分痿具有存镶寮艘裹、反映速度快鞠信嚷毙裹等援点，发震较为逐速。 爨藩已有效敬溜予e 转一r 光盘静生产，可改写耱有税存储介蔟哥前还缝子错笈阶 段。 光爨存镶技术孛数据以长瘦溪铡鹃酬境茂菠瓣差辩点瀚形式记录，这篷记录 6 囊渡长与瓣体浸没透镜蠢密囊建存锗技术研究 点浍饶囱掺列形成数据撼录鞔迹，辕逑款巍纛肉罄努始戬等润爨滚线形澄光焱经 向排列，如图1 4 以及圈1 5 所示。图l 4 分别为c d 及d v d 盘片记录形式： 图i 一5 为刻录型擞片数据记录形式。对于可刻录型盘片，记录轨迹在擞基伺服用 镁亥l 耩蠹。 图t 一4 只读型盘片数据记录形式 巍蠢基舅 圈1 - 5 蠢l 录型盘嚣数据毽录形式 光盘从存储密度上可分为，c d 、d v d 及簸光光擞( b i u 。r a yd i s c ) 标准。图l 一6 分别为c o 、d v d 及蓝光光盘技术比较示意图。d v d 存储密度比c d 高，蓝光光盘 ( b l u ”r a yd i s c ) 篦骜蓑d v d 光盘高。锩现在蠢片上主要就慧密度麓高，记录点越小 且道渊距越小。其中c d 格式盘片其记录点的宽度0 6 p m ，汜录点最小长发0 。8 3 1 1 m ， 记录邀间距1 6 1 a m 。而d v d 格式盘片记录点宽度0 3 m ，记录点缀小长度0 4 9 i n ， 范录遂阚疆0 7 4 岬。c d 格式可袤l 录纛静预劐穰宽蹙0 8 蚺，丽d v d 格式可刻泶盘 第一章绪论 豹颈亥横宽度只套0 3 蚺。对于巍径为1 2 0 r a m 麴c o 巍盘其攀覆窑爨走6 5 0 m b ；圈 样直径的d v d 光盘单丽容量达到4 7 g b ；而对于超高密度蓝光光盘，记录点最小长 度0 1 6 p m ，记录道间距o 3 2 1 m ，单面容量可达2 3 3g 。 x = 7 8 0 h m n a = 0 4 5 透明保护层厚度1 2 m m x = 6 5 0 n m n a = o 6 5 遄明保护厦厚度o 6 m m = 4 0 5 n r a n a = o 8 5 遴明保护胺厚度0 1 m m 图1 6c d 及d v d 及蓝光光盘技术比鞍示意图 三。先学头技术 光学头技术是光盘中蛉关键部l 牛，偿息的写入和读出都是通过光学头袁完成， 对光盘存储系统性能具有决定性的影响。 光楹信息的写入与读出都是靠光学头来实现，戳此光学头必颡有如下功能： 麓一，穗米爨激光光源的光束变成亚微米走斑，荠蠖之犍确聚焦程炎盎臻息囊上， 以用j 二记录和读取信息：第二，根据从摄上反射的光学信号进行聚焦及储道定位 反馈控制。磷而光学头除了要有激光光源、聚焦透镜和光电探测器外，为使光斑 准确定位在光爱记荣接感的信遴上，消除在运行中蠡l 子光盘本身激及旋转瓠槭系 统因跳动、偏心等引起的误差，还必须商检测目标位鼹偏移的手段和使光点自动 跟踪的伺服机构，自动调熊、跟踪伺服系统。 良d v d 光头为镶，嚣1 7 为舞型d y d 光学头基本器璞。竞学头楚鑫】i 黪镜， 瓣渡长与瓣钵浸没遘辘裹密攫光存储技术磷究 2 ，准嶷透镜，3 镰叛势炎棱镜，4 1 4 波片，5 聚焦误差裣溺辍鞫，6 寻迹误差 检测机构，7 聚焦伺服控制机构，8 寻轨伺服控制机构，9 半导体激光二极管，l o 柱面透镜1 1 光电二极瞀p d ( p h o t od i o d e ) 等光电部件构成。 图1 - 7d v d 光头基本原理图 二二稷管 光学头读出光盘上倍息的原理趋从激光二极管射出的发散p 线性偏振激光通 过准瀣透镜，残为平行走，秀邋过1 4 波冀鬈李，穰掇方商旋转4 5 疫，交必溷镶毙， 这束平行的圆偏光被物镜聚焦到光盘的信息丽，辟反射回来( 根据盘颟的凸凹对 光的反射不同) ，通过1 4 波长片时，偏振方向再一次被旋转4 5 度，成为s 线性偏振 光，在编摄分毙棱镜楚经柱蘧透镜被入射到露象藩光电二缀管上，圈象陵竞泡二 极管根据务募限光量的大小，遴行运舞，对聚焦和寻软饲服机构控制，使之读出 正确的信号。 基于光盘旋转对上下摆动，为往激竞焦点对对准确聚焦在光盘信怠面上，兜 学头必须不龋通过调整聚焦物镳的位疑柬实现自动聚焦。激光焦点蛉爨动聚焦是 通过离焦检测及聚焦伺服机构实现。 离焦检测方法很多，代表性的方法有刀口法、像散法、及临界捕法等。其中 第章绪论 刀口法是在检测透镜d l 的精焦面设置一个“刀口”，如图1 8 刃口法原理阉。其原 理是没有离焦时，“刀口”不挡光，离焦误差信号f e 输出为零。当光盘靠近或远离 物镜，有离焦时，刀网挡住一部分光，如刀口法的( b ) 、( c ) 所示，因此可以从二 一 匐习_ 矽 爱 一s 燕焦检瀑方法 象限光电探测器上检测出误差信号，并可判断出正负方向。临界角法是利用光学 中全反射临界角原理米检测误差信号的。如图1 8 中l 临秀角法原理图，当没商褒 焦时，从光盘返回的光以全反射蠛爨角人射到棱镜反射藤上，光寨被全反射，二 象曝光电探测器输出之差为零：当有离焦对，反射光发散或会聚，这样努有一部 分光戬，j 、予临界角的角度入射棱镜韵反射面而不熊全都反射，使探测器产生差分 输出正或负的离焦误麓信号。而像散法是利用像散元件，如柱面镜产生的像敝， 把物镜离焦量的变化转变为不同方向光能的变化，经四蒙限光电探测器检测，得 到误差信号，像散法原理见图l 8 中所示。四象限光呶探测器的位置必须很糕确， 使之存弧焦时，光斑在其上为鄹形，误差信号f e 竣出为零，瑶在不同离焦烤况下， 蹬象限探测器光褒形状发生不嗣黪变化，由越褥裂离焦误差信号。 由于光盘或夹掩驱凌梳构带l 造时翡偏心谈差以及光盘旋转时的搬动等因素导 黧数攒记录辘遴有小的偏心误差，阂此在读写时必须不断调整物镜在径向的位 鼍 蔓埋 妙一 。篓 短波长与崩体浸没透镜高密厦光存储技术研究 日- i e t e 自e = = = e 日! 日j j = = = e j e ! e e 自 ! = | = = = e e e ! 自= = e 日= = = e = j e = e j ! = ! 自= = ! = = 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。寻迹误差 检测主要有三光束法以及推挽法。三光束法是在光路中加一衍射光栅，激光束通 过衍射光栅被分成三束光，其中0 级光用来读出信号，1 级光用来跟踪信道，如 图卜9 所示，使1 级光斑在信道两侧有一微小偏移，反射后被六象限探测器的2 个象限差分输出，即可检测出记录道跟踪误差。这种方法光路结构、装配调整及 处理电路均较简单，应用最广。推挽法工作原理较简单，如图卜9 推挽法示意图， 将一个二象限光电探测器放在记录表面的像面上，当二象限探测器的分割线与迹 线重合时，差动放大的输出t e 为零；当记录道偏离时，凹坑与光点的相对位置发 生变化，反射光强度分布也发生变化，差动放大的输出就能检测出误差信号t e 。 这种方法的光路和电路处理是晟简单的，光能损失也小，但光盘倾斜时对误差信 号的影响较大。 岔 三光束法 一匿摩霉声 推挽挂 图1 9寻迹误差检测方法 检测到的离焦和寻迹误差信号被反馈给伺服电路，伺服电路将离焦和寻迹误差 信号放大后经补偿网络滤波，再经放大，转换成电流，驱动双向执行机构的调焦 线圈，使物镜在纵向和横向方向运动，完成自动聚焦和寻迹功能，从而使焦点始 终处于信道的中心位置。 激光二级管是光学头中的发光器件，它的发光特性决定了光头的结构及特性。 最原始的光盘机采用的是性能优良，光束质量比较好的h e 一气体激光器，但这 第一蕈绪论 耪激光器髂积大，启动电医辐，记录对 | l 热辨部调制器，使蠲不方便，现汪被淘 汰黼采用半导体激光器。半导体激光器具夺体积，j 、功耗低、工馋电压低、供彀 筒荤，可宜接调制等优点，使光学头能实现小型化和实用化。但出予半导体激光 器本身魏特性，光学系统与气体激光籍的脊所不同。所有半导馋激光器的竣如光 束郝不是完整的球强波形，在平彳亍和蘩誊予发射结翡平面上发散角不阐蔼形威撩 圆光束，因此震要对输如光粜避行攘形。 对于只读型必盘缀光学头爆豹激巍器，需要的激毙功率较祗，w 叛羯数值孔 径较小鹩准崽镱，取中闻一部分质量较好懿光柬藤得到嚣形党褒；餐瓣翊予记录 与撩除的光学头，由于骚求激光功率较高，必须尽量充分利用光能，要求对光柬 整形，般是利用透镜在予午和孤矢两个方向的光焦度不同，使用两个柱颓镜与 球瑶透镜缀合，耀珂激褥戮鬣黪的猿直光聚。 物镜是光学头媳关键元件，葵数馕孑l 径决定了聚焦光斑的大小，为馁蒙焦光 斑尽量小，物镜数嬗孔径都比较大，且像蓑也必缓进抒篷好豹校菠，黻襻翁邋予 衍射极投麴聚焦兜斑。一般艨周数蠖孑0 径n a = o ，4 s g 。6 5 。幽予在读写过程中， 物镜需要快速运动，以实现照动调焦和跟踪，赝以要求重量轻，结构紧凑，瑟且 出于光盘其有一定厚艇和转动时有较大的上下摆动幅度，物镜必须有足够大的工 作鞲。设计中逐应考蕊光盘箍豢簿穗引起的像差，邵把盘片厚度也作为一令元件 进行漫计，一般瞧片嬲光学塑料聚碳酸脂( p c 锚戏，簿浚为1 2 r a t a ，折射率n = l 。5 8 6 。 光盘物镜属于大数镶魏径、小褪场、离分辨率物镜，要求像麓接谶无像羞以 褥翻最小先斑，其馋藤富中心波像蹙应 矗2 0 ，边缘可以降曝些，为姥主要应校 正球差、正弦麓、像散。早期的物镜是采用玻璃午才料的三片式物镜，幽于其结槐 复杂，裔覆大，已鍪奉不淆，被用光学塑料注塑而成的非球面物镜所取代。 在光鑫存簿系统中，光存储翡数据容量取决于光学头所闻的激光器渡妖、耱 镜的数值孔径以及光敷的物蠼尺寸孝珏结构。其中激光器波长孟和数值孔径n a 将影 l 啊激光经光学头聚焦蘑的最小光鼹尺寸，其大小受端剩光衍射极黻的黻制，与激 羲波长与嚣钵浸没逸镜高密麓光存铸技术辑竞 走波长残正魄，聚焦物镶戆数蕊季经戏疫毙： da c l( 1 1 ) n a 其中，d 为光斑的直径， 埘为聚焦物镜的数值孔径。存储面密度则正比于 的平方，所以要提简光存储密度，缩短激光波长和增大物镜的数值孔径怒两中有效 途径。对于c d 系统，光学头一般采用酌激光波长为7 8 0 h m ，物镜数值孔径n a = o 4 5 。 则光斑盏径d = o ，8 8 p m ；对于d v d 系统寒说，浅学头激光波长为6 5 0 n m ，n a = o 6 5 ， 则光斑宜径d = 5 1 0 h m 。对于下一代超商密度蓝光光擞技术，光头将采用4 0 5 r i m 激光 以及n a = o 8 5 豹物镜，这时聚焦光斑誊径将只有2 4 0 n m ，可迸步提高光盘存储的 疆密度。 四磁光巍蠡系统9 ” 在可擦写光盘存储镁域，磁先存锗技术律为一稀极其发展潜力静存镶技术，汇 聚了光存储和磁存储的优点。具有记录密度菇、存镶容量大、可靠性好、价格低， 特别是具有可擦写、携带和交流极其方便的特点，使得其驱动器直接挑战传统磁 盘驱渤器豹计算橇辨设撼位。謦前，磁光存储系统已广泛的用予广播电褫、图像 文档浚料存储等领域。 图i 1 0 磁光煮记录原理 图l 1 1 兜尔效应读出原理 第一章绪论 克尔效旋夔定了磁毙存镶系统读笃过程的理论蕤溅。记录滕理翔圈1 一1 0 爨 示。在磁光记淤，对记录信息的攘除匙糨激光照射到磁龙记录分矮上，使其爨郏 溢菠舞蠢，在羚攘磁场传弱下镬撼录余痰磁骧取囊一蒙。壤惠记渌怒裂嗣写入慧 息调毒激光，鼗据“l ”謦鞋“0 ”熬记录遥j 遘控激竞源，绽激光寨畿瑰“有”帮“无” 璺记录数攒必“i ”时，激光柬照射到磁光记录食鹱上，该溅录像潦度舞辐爨一意 稳度霹，分羼黪矮簸力咒乎变为零，在夕 麓一个援戆匆攘除时藤反瓣磁场终麓下， 镁记录位载磁蜷取自发生发转，毓蔼记录下我袭数据彼信怠镌柱状磁畴。当激光 关簿嚣，该区域立郢冷击| 】，磁畴穷蠢爨露定下来。警避录数据“0 ”嚣孛，激踅源不 发激竞寒，该滋录霞磁酶不熬转，傈持潦狡。磁光记蒙就是这稃褥磁和光来记秉 德怠。现霄豹焱接耋写磁光驱动器，蠲激光束连续照射介质，稀糟倍号去调制磁 场实臻蓬写，减去了擦狳环节。磁光记录介质在常澄下需要强大熬磁场才能教交 磁畴方淘。掰戳，常温下磁光盘鹣存放球辘要魄磁带、磁盘豹要求低的多。 磁光信惠韵读出过稳是利用磁光效应中韵壳尔效应，经过越振器得到线偏振 光照射在记录介质上。光的偏摄瑙校獬磁踌方向不阔发生顺时针旋转，琢理如图l 1 2 。 对于磁化方向向上的反射光偏振面旋转+ 0k 角，对于磁化方向向下的反射光 镰振瑟旋转一ok 焦，蓊羧德器弱毒l l 与8k 正交，澍莳下磁绽送鹣发射光不逶过捡 绱瓣，羯上磁亿区鹣反鬓雩巍遥过。再摹瘸港电探测鼯就可读出酲录瓷介簸上酌信 惑了。其中读数薅激光功率运小予写窳驿雪熬功率。 惑之，巍盘存锩技术之掰以戆魏魏快速发矮，添闲如下： 、光学数字式数据存储密庋高、容爨大、盘片可燹换、携带方便。萌前每比 f ；孥辑占交耀露i ； 为0 6 m m x 0 。6 弘m ，运鬻内还可降至0 。2 p m 0 。2 m 虢下。光盘容 蘩缎大，投揽已成熟的工艺水平，袁径1 2 0 r a m 的光盘黼容_ 螫已运9 g b ；直径9 0 m m 韵可擦写光擞，容量德达3 g b 。 、寿命长、功麓多。光盘存储稻用激光聚焦光寐，通过簿发达0 6 1 2 m m 煎菠长与匿俸浸没透撬蕊嚣菠慧存储藏7 r 研冤 目自_ _ _ - 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