引言

随着云存储和高速互联网等技术的发展, 光盘的使用量逐年减少。然而, 光盘在归档数据存储领域依然会占据较大优势^[1-4], 并且未来光盘将主要应用于数据长期存储领域^[5-6]。但是, 由于构成光盘的聚碳酸酯(PC)材料的热稳定性低, 且金属层对这种材料基底的粘附能力弱, 目前的光盘不能满足长时数据存储所需的可靠性和数据存储时效等需求。为了解决上述技术难题, 国内外研究者们尝试了多种技术方案。这些方案的共性是选用稳定性高的材料作为记录媒质或基底^[7], 如金属陶瓷^[8]、石英^[4]、钨^[9]、蓝宝石^[10]等。单晶蓝宝石材料在物理性质和化学性质方面均有突出的优势。比如, 它具有9级表面硬度(金刚石10级)、高达2 300 K的熔点等。因此, 采用单晶蓝宝石材料制作的光盘具有抗磨损擦伤、防火、防化学腐蚀、防紫外线辐射等优异性能。

国内外研究者们对长时数据存储光盘的记录材料进行了较充分的研究, 但是对用于长时数据存储光盘的数据读取系统方面的研究较少。虽然单晶蓝宝石具有高度力学、化学和热稳定性, 但是由于单晶蓝宝石材料存在明显的各向异性, 因此当扫描激光束入射到这种材料中时, 会发生双折射现象, 从而造成扫描光束畸形失真, 产生像差。由于标准的光盘(CD)读取系统只能对球差进行补偿, 而对这种由于材料各向异性引起的像散像差则不具备补偿能力, 因此在采用这种标准CD读取系统对蓝宝石光盘进行数据读取时, 很容易面临失效问题。

为了解决标准CD读取系统读取蓝宝石光盘时的失效问题, 本文建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型, 提出采用石英补偿板用于补偿蓝宝石衬底像差的机制。使用所述像差补偿方法, 设计了一套基于蓝宝石光盘的光学信息读取系统, 并进行了数据读取实验, 结果表明该读取系统能够有效地补偿蓝宝石衬底像差。

1 单晶蓝宝石衬底中的光束传播问题

如图 1所示, 假定晶体的光轴方向正交于衬底表面, 且读取过程由指定格式[光盘格式(CD)、数字化通用磁盘格式(DVD)、蓝光格式(BD)]光学器件的标准物镜完成。当一束扫描激光经过物镜聚焦后照射到单晶蓝宝石衬底表面时, 会发生双折射现象, 一束光分成两束具有不同折射率的偏振光^[11]:寻常光(o光)和非寻常光(e光)。其中o光遵循普通的折射定律, 传播速度是与传播方向无关的常量; e光则不遵守普通的折射定律, 传播速度是与传播方向有关的变量。当且仅当光束沿光轴方向传播时, e光的传播速度才与o光相等, 此时不发生双折射现象。图 1中由于入射光不沿光轴方向, 所以入射到蓝宝石衬底表面的光束会发生双折射现象。标准的光学物镜只能对球差进行补偿, 而对这种由于材料各向异性引起的双折射现象不具备补偿能力。

通过理论计算可得到o光与e光的焦点距离为

(1)

式中:H为衬底的厚度; Δn为寻常光与非寻常光的折射率之差(Δn=n_o-n_e, 双折射率)。在使用光学系统进行光盘数据读取时, 一般要求聚焦光束必须是衍射受限的^[12], 这就对蓝宝石衬底各向异性的程度(即双折射率)提出了要求。通过对光斑中心处光强的仿真, 可以得到CD、DVD和BD等格式光盘对Δn大小的限制。仿真结果见表 1。

表 1中, Max Δn代表衍射受限光学系统中允许的最大折射率偏差, 对于不同类型的光盘有不同的取值; Δn (蓝宝石)为蓝宝石的双折射率。由表中的数据可以看出, 在不考虑像差补偿的情况下, 任何类型的光盘都不能直接采用光轴与媒质表面正交的蓝宝石作为衬底, 这是因为蓝宝石衬底的Δn超出了读取系统允许的最大折射率偏差。

2 像差补偿机制

研究发现, 这种由材料各向异性导致的像散像差在某种程度上遵循叠加定理, 因此有可能通过增加补偿板的方式来对像散像差进行补偿。设ΔФ₁和ΔФ₂分别为蓝宝石衬底层和附加层因材料各向异性导致的像散像差, 则叠加后的总像差可表示为

(2)

式中:h₁、n₁、h₂、n₂分别表示蓝宝石衬底层和附加层的厚度和折射率; Δn₁和Δn₂分别表示蓝宝石衬底层和附加层的双折射率。已知蓝宝石(n_o=1.780, n_e=1.772, λ=442 nm)的双折射率为8×10^-3, 为负晶体, 则由式(2)可知, 如果能找到一种双折射率与蓝宝石相反的晶体(n_o < n_e), 就能在一定程度上补偿蓝宝石衬底各向异性引起的像差。进一步, 如果两种晶体对于o光的折射率相等, 就能完全补偿蓝宝石衬底各向异性引起的像差。通过对一些容易获取的透明单轴晶体的研究, 发现石英(n_o=1.552, n_e=1.561, Δn=-9×10^-3, λ=458 nm)对于蓝宝石衬底的像差有较好的补偿作用。像差补偿法示意图如图 2所示。

为求得补偿后的最小剩余像差, 光学系统需满足如下条件:

(3)

(4)

式中H_kvr和H_spf分别为石英补偿板和蓝宝石衬底的厚度, 对CD格式光盘而言, H大小为1.2 mm。式(3)和式(4)分别对像散像差和球差进行约束。计算结果显示, 对CD格式光盘而言, 当波长为400 nm时求得的未补偿像差最小。表 2给出了分别采用标准波长(CD格式为780 nm, DVD格式为650 nm)和最优波长(400 nm)时, 对应的蓝宝石衬底层和补偿板的厚度及计算求得的未补偿像差的值, 其中Ф₀为使用石英补偿板前系统的像差。

3 实验结果及分析

依照所述像差补偿机制, 设计了一套如图 3所示的蓝宝石光盘光学信息读取系统。为对所述光学系统进行测试, 选用波长405 nm、最大功率100 mW的单模半导体激光器QLD-405-100S作为相干光源。测试用的蓝宝石光盘具有0.7 mm衬底层厚度和80 mm直径, 其信息层采用高强度激光刻蚀而成。在进行数据读取实验时, 激光束由激光二极管发出, 依次经过衍射光栅、偏振分束器、1/4波片、聚焦物镜、石英补偿板和蓝宝石衬底层, 最终会聚在光盘信息层的微结构表面。

对标准光学读取系统所做的修改主要在于固定了一片石英补偿板, 且所采用的石英补偿板光轴正交于石英表面。补偿板尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm, 与物镜胶合。补偿板采用单轴单晶材料制成, 能够对s偏振光与p偏振光的光路进行补偿, 最终使它们会聚在同一焦平面。测试结果如图 4所示。

由图 4可知, 采用石英补偿板对蓝宝石衬底的像差进行补偿后, 可以获得清晰的图像, 而未使用石英补偿板获得的图像则较为模糊。实验结果证明所述像差补偿方法具有较好的像差补偿作用。

需要注意的是, 提出的像差补偿方法仅适用于单轴双折射晶体, 若衬底材料的各向异性超出了单轴双折射的范畴, 所述像差补偿方法就会存在不确定性。此外, 单晶轴的方向应平行于光度头的方向, 这样可以保证光盘转动时对应的需要补偿的像差始终是一个常量。

4 结论

本文分析了聚焦激光束通过光轴与介质表面正交的透明单晶时, 由材料各向异性引起的双折射现象及其对衬底层像差产生的影响, 建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型。重点提出了采用石英补偿板用于补偿蓝宝石衬底像差的补偿机制, 并进一步确定了蓝宝石光盘及所述石英补偿板的结构参数。实验结果表明, 采用所述像差补偿方法能够有效消除蓝宝石衬底层材料各向异性所引起的像差。

蓝宝石光盘在长时数据存储中的优异性能使其在归档数据存储领域具有广阔的应用前景。本文提出的光学信息读取系统结构简单, 所采用的石英补偿板价格便宜, 便于蓝宝石光盘及其读取系统的推广。在未来工作中, 我们将进一步优化系统的结构参数, 提高系统的读取性能。