CN101325072A - 一种双光束三维光盘数据读写方法 - Google Patents

Abstract

一种双光束三维光盘数据读写方法，本发明属于信息存储技术领域。系统由荧光读写模块和伺服控制模块两个模块组成。两模块光路经过耦合棱镜和一个由两块特殊设计的棱镜胶合而成的分光棱镜进行耦合和分离。伺服激光光源发出的激光始终聚焦在盘片的信道上，通过伺服音圈电机实现伺服跟踪。反射光通过分光棱镜分离后被光电接收器接收，产生误差信号来控制伺服音圈电机。读写光源发出的读写激光，经过调制和扩束准直后再通过耦合棱镜与伺服激光耦合到同一光轴上，通过选层音圈电机与伺服音圈电机的配合实现跟踪和分层聚焦。激发出的荧光通过特殊设计的分光棱镜分离以后被光电倍增管接收，最后经A/D转换传入计算机处理读出数据。

Description

一种双光束三维光盘数据读写方法

技术领域：

本发明属于信息存储技术领域。

背景技术：

近年来光盘存储技术产品和市场蓬勃发展，人们期望光存储技术有新的提高和突破。另外，随着现代计算机速度的迅速提高，对信息存储密度的要求也越来越高。因此需要发展超高密度光存储技术。以双光子吸收技术为基础的三维数据存储技术以其特有的三维处理能力和极高的空间分辨本领而显示出变革性的应用潜力，已成为高密度信息存储领域最热门的研究方向之一。

三维数据存储的工作原理是利用飞秒激光诱导光敏材料发生的局域光化学反应(光还原、光聚合和光解离等过程)，利用扫描系统使这一过程在一定空间范围内选择性地发生，通过相应的后处理工艺实现二进制信息的存储。由于材料发生双光子吸收的几率与激发光强度的平方成正比，由双光子吸收引发的光化学反应将被局域在激光强度很高的焦点周围极小的区域内，可实现很高的空间分辨。作为一种新型的数据存储技术，与传统的光存储技术相比，它可以实现三维的数据存储和读写。1989年，California大学Irvine分校的Rentzepis等用双光子技术在光致变色材料上记录成功只写一次的三维数据，层内比特间距和层间距离分别高达30μm和80μm。1991年，Webb等用单波长单光束产生双光子的方法，在光致聚合物上成功地记录了10层，使层内比特间距和层间间距分别降到1μm和3μm。1998年Y.Kawata等人用钛蓝宝石激光输出的762nm脉冲激光，在无掺杂铌酸锂晶体中实现了双光子激发的三维数据存储，信息密度可达33Gbits/cm³。2005年，日本TAKITA AKIHIRO等人在生物组织中用飞秒激光存储三维数据，可达到信息密度为3.6Gbits/cm³。2006年，中国科学技术大学黄文浩等人采用双光子写入单光子共焦读出的方法分别在光致漂白、光致变色和微爆材料中成功存储和读出了三维数据。

目前双光子三维信息存储尚停留在实验室中利用精密三维平台移动来实现数据写入读出的阶段，没有实现光盘上的三维信息存储。本发明提出了一种双光束三维光盘数据读写方法，可以将数据存储在盘片上，突破了三维存储只能在平台上实现的局限，从而提供了一种使双光子三维信息存储从实验室阶段走向商业化、实用化的途径。

发明内容：

系统由荧光读写模块和伺服控制模块两个模块组成。其中，荧光读写模块包括读写激光光源(1)、光闸(2)、能量衰减器(3)、扩束准直装置(4)、物镜(18)和光电倍增管PMT(12)部分；伺服模块由伺服激光光源(7)、主轴电机(15)、音圈电机(5)、(13)和光电接收器(10)组成。主轴电机(15)采用直流电机等线速度控制(CLV)。两模块光路经过耦合棱镜(6)和一个由两块特殊设计的棱镜(9)、(11)胶合而成的分光棱镜，如图2所示，进行耦合和分离。伺服激光光源(7)发射的激光始终聚焦在光盘盘片(14)的信道上，通过伺服音圈电机(13)实现伺服跟踪，其反射光通过分光棱镜分光后被光电接收器(10)接收，产生聚焦和循迹伺服信号来控制伺服音圈电机(13)。二极管固体激光器输出532nm的连续光作为Ti：Sapphire(掺钛蓝宝石)激光器的泵浦源，Ti：Sapphire激光器(1)作为双光子写入和读出光源，其中心波长为800nm，脉宽为80fs，重复频率为80MHz。读写激光经过扩束后再通过耦合棱镜(6)与伺服激光耦合到同一光轴上，通过选层音圈电机(5)与伺服音圈电机(13)的配合实现跟踪和分层聚焦。光闸(2)由声光调制器和驱动电源两部分组成，主控电路从主机获取数据，经编码后输出脉冲驱动信号，控制声光调制器打开或关闭写入光路，从而实现二进制数据0和1的写入。信息读出时，采用800nm的脉冲光，经物镜(18)聚焦于选定信道，激发出来的荧光通过特殊设计的分光棱镜分离以后被光电倍增管PMT(12)接收，经A/D转换后传入计算机进行处理，从而读出数据。

本发明的创新之处在于利用一个由两块特殊设计的棱镜(9)、(11)胶合而成的分光棱镜，如图2所示，实现了三种波长光束的分光隔离，在棱镜(9)的上下两面都加上一个

波片(21)、(22)，并在第二个

波片(22)下面再加上一个分光片(23)，其光谱特性是对三种波长中的读写激光波长λ₂高透射而对伺服激光波长λ₁高反射，带通滤光薄膜(20)光谱特性是对读写激光λ₂和伺服激光λ₁高透射而对读写激光激发出的荧光λ₃高反射。波长为λ₁、λ₂的两束光(已起偏为S偏振)沿着同一光路入射到偏振分光面(19)上，偏振分光面(19)的特性是反射S偏振光，透射P偏振光，两束光被反射进入第一个

波片(21)，从该波片出射后变成圆偏振光，透过带通滤光薄膜(20)。两束光λ₁、λ₂被盘片反射和激发的荧光λ₃沿原光路进入棱镜(11)，荧光λ₃被带通滤光薄膜(20)反射进入光电倍增管。两束光λ₁、λ₂透过带通滤光薄膜(20)，再经过

波片(21)成为P偏振光，到达偏振分光面(19)后被透射进入第二个

波片(22)后变成圆偏振光进入分光片(23)，其中读写激光λ₂被透射出棱镜，伺服激光λ₁被反射再次进入第二个

波片(22)后变成S偏振光，被偏振分光面(19)反射出棱镜，从而实现了原入射光和出射光的隔离和出射光之间的相互分离。

本发明的另一创新之处在于利用选层音圈电机(5)和伺服音圈电机(13)的配合来实现三维数据的选层和聚焦跟踪。若两音圈电机控制的透镜焦距分别为f₁、f₁′和f₂、f₂′，物方焦点和像方焦点分别是F₁、F₁′和F₂、F₂′，其光学间隔为第一个光学系统的像方焦点F₁′距第二个系统物方焦点F₂的距离Δ。组合系统的物方焦点和像方焦点分别是F、F′，物方焦距和像方焦距分别是f、f′。F₁′和F′相对于第二个光学系统是一对共轭点。应用牛顿公式得：

$x_F^{\′}=-\frac{f_2{f}_2^{\′}}{\mathrm{\Δ}},$ $x_F=\frac{f_1{f}_1^{\′}}{\mathrm{\Δ}},$ $f^{\′}=-\frac{f_1^{\′}{f}_2^{\′}}{\mathrm{\Δ}},$ $f=\frac{f_1{f}_2}{\mathrm{\Δ}}$

当两个透镜靠近时，聚焦深度相应变浅。根据需要可计算选层透镜的参数和移动空间，一般选层透镜要求焦距较大，数值孔径较小。

本发明还设计了一种三维存储盘片结构，其自上而下的基本层次结构为：粘结层(24)，保护涂层(25)，反射膜(26)，保护层(27)，存储材料层(28)。与可擦写DVD盘片相同，该盘片预先刻有螺旋形的沟槽，称为峰和谷。预先刻好的峰谷对伺服光束进行反射，经分光棱镜分离以后被光电接收器探测到聚焦和循迹误差信号驱动伺服音圈电机(13)进行聚焦和循迹跟踪。存储材料采用溶于PMMA的方式，然后旋涂于盘片的底层，可适当增加该层的厚度以便于三维多层的数据存取。

本发明以上述创新设计为基础，搭建了一种基于飞秒激光双光子吸收效应的双光束三维光盘存储系统。其总体结构如图1所示。包括两个激光光源：用于伺服的半导体激光光源LD1(7)和双光子读写飞秒激光光源LD2(1)，波长分别为λ₁、λ₂；数据写入过程：待写入的数据输入计算机进行编码输出电流信号控制光闸(2)，LD2发出的激光经扩束准直、能量衰减后被光闸(2)调制使之载入数据信息，然后透过选层透镜(17)进入耦合棱镜(6)与LD1发出的伺服激光耦合到同一光轴上出射，经过起偏为S偏振光后进入一个由两块特殊设计的棱镜(9)、(11)胶合而成的分光棱镜，两束光被偏振分光面(19)反射进入第一个

波片(21)，从该波片出射后变成圆偏振光，透过带通滤光薄膜(20)；波长为λ₁的伺服激光被物镜聚焦在盘片的预刻的峰谷反射层上被反射，波长为λ₂的读写激光被物镜(18)聚焦在盘片的底层存储材料(28)内使存储材料发生双光子吸收；被反射的读写激光λ₂透过带通滤光薄膜(20)进入第一个波片(21)变为P偏振光，被偏振分光面(19)透射后经过第二个

波片(22)变为圆偏振光，被分光片(23)透射出分光棱镜；被反射的伺服激光λ₁透过带通滤光薄膜(20)进入第一个

波片(21)变为P偏振光，被偏振分光面(19)透射后经过第二个

波片(22)变为圆偏振光，被分光片(23)反射后再次进入第二个

波片(22)，转变为S偏振光后被偏振分光面(19)反射出分光棱镜，被光电接收器(10)接收后产生聚焦和循迹误差信号，控制伺服音圈电机(13)的运动来实现实时的聚焦和循迹跟踪。数据读出过程：LD2发出的读写激光经扩束准直、能量衰减后透过选层透镜(17)进入耦合棱镜(6)与LD1发出的伺服激光耦合到同一光轴上出射，经过起偏为S偏振光后进入一个由两块特殊设计的棱镜(9)、(11)胶合而成的分光棱镜(图2)，两束光被偏振分光面(19)反射进入第一个

波片(21)，从该波片出射后变成圆偏振光，透过带通滤光薄膜(20)；波长为λ₁的伺服激光被物镜(18)聚焦在盘片的预刻的峰谷反射层上被反射，波长为λ₂的读写激光被物镜(18)聚焦在盘片的底层存储材料(28)内激发存储材料发出荧光；被反射的读写激光λ₂透过带通滤光薄膜(20)进入第一个

波片(21)变为P偏振光，被偏振分光面(19)透射后经过第二个

波片(22)变为圆偏振光，被分光片(23)透射出分光棱镜；被反射的伺服激光λ₁透过带通滤光薄膜(20)进入第一个

波片(21)变为P偏振光，被偏振分光面(19)透射后经过第二个

波片(22)变为圆偏振光，被分光片(23)反射后再次进入第二个

波片(22)，转变为S偏振光后被偏振分光面(19)反射出分光棱镜，被光电接收器(10)接收后产生聚焦和循迹误差信号，控制伺服音圈电机(13)的运动来实现实时的聚焦和循迹跟踪。被激发的荧光λ₃经过物镜(18)然后进入特殊设计的分光棱镜(图2)，被带通滤光薄膜(20)发射出分光棱镜，然后被聚焦，通过共焦小孔被光电倍增管PMT(12)接收，经A/D转换后传入计算机进行处理，从而读出数据。在数据的写入和读出过程中，始终控制选层音圈电机(5)和伺服音圈电机(13)同步运动，保证读写光始终聚焦在选定的层面上；当需要改变数据层的时候，需要给选层音圈电机(5)在接收聚焦循迹误差信号的同时在聚焦线圈额外加载一稳恒偏置电压，使读写光的焦点移动至另一选定层。

附图说明：

图1是本发明设计的一种双光束三维光盘数据读写方法的原理示意图。

图2是特殊设计分光棱镜的设计示意图。

图3是盘片结构的局部放大示意图。

以上各图顺序号分别代表的部件如下所示：

(1)读写激光光源               (2)光闸

(3)能量衰减器                 (4)扩束准直装置

(5)选层音圈电机               (6)耦合棱镜

(7)伺服激光光源               (8)起偏器

(9)45°直角分光棱镜        (10)光电接收器

(11)分光片                 (12)光电倍增管

(13)伺服音圈电机           (14)盘片

(15)主轴电机               (16)伺服控制器

(17)选层透镜               (18)物镜

(19)偏振分光面             (20)带通滤光薄膜

(21)

波片                 (22)

波片

(23)分光片                 (24)粘结层

(25)保护涂层               (26)反射膜

(27)保护层                 (28)存储材料层

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1：选取选层透镜(17)焦距为40mm，物镜(18)焦距为3mm，数值孔径NA为0.65，两透镜间光程差为10mm。按上述说明，进行数据写入实验。写入光中心波长为800nm，脉宽为80fs，重复频率为80MHz，功率为17.4mW。待写入的数据输入计算机进行编码输出电流信号控制光闸(2)，LD2发出的读写激光经扩束准直、能量衰减后被光闸(2)调制使之载入数据信息，然后透过选层透镜(17)进入耦合棱镜(6)与LD1发出的伺服激光耦合到同一光轴上出射，经过起偏为S偏振光后进入一个由两块特殊设计的棱镜(9)、(11)胶合而成的分光棱镜(图2)，两束光被偏振分光面(19)反射进入第一个

波片(21)，从该波片出射后变成圆偏振光，透过带通滤光薄膜(20)；波长为λ₁的伺服激光被物镜(18)聚焦在盘片的预刻的峰谷反射层上被反射，波长为λ₂的读写激光被物镜(18)聚焦在盘片的底层存储材料(28)内使存储材料发生双光子吸收；被反射的读写激光λ₂透过带通滤光薄膜(20)进入第一个

波片(21)变为P偏振光，被偏振分光面(19)透射后经过第二个

波片(22)变为圆偏振光，被分光片(23)透射出分光棱镜；被反射的伺服激光λ₁透过带通滤光薄膜(20)进入第一个

波片(21)变为P偏振光，被偏振分光面(19)透射后经过第二个

波片(21)变为圆偏振光，被分光片(23)反射后再次进入第二个

波片(22)，转变为S偏振光后被偏振分光面(19)反射出分光棱镜，被光电接收器(10)接收后产生聚焦和循迹误差信号，控制伺服音圈电机(13)的运动来实现实时的聚焦和跟踪，同时始终控制选层音圈电机(5)和伺服音圈电机(13)同步运动，保证写入光始终聚焦在选定的层面上；当需要改变数据层的时候，需要给选层音圈电机(5)在接收聚焦、循迹误差信号的同时在聚焦线圈额外加载一稳恒偏置电压，使两透镜间光程差移动范围为9.24~10.76mm，则写入光的焦点移动范围为2.02~2.16mm，数据层间距控制为10μm。

实施例2：选取选层透镜(17)焦距为40mm，物镜(17)焦距为3mm，数值孔径NA为0.65，两透镜间光程差为10mm。按上述说明，进行数据读出实验。读出光中心波长为800nm，脉宽为80fs，重复频率为80MHz，功率为2.4mW。LD2发出的激光经扩束准直、能量衰减后透过选层透镜(17)进入耦合棱镜(6)，光路如实施例1中所述。被激发的荧光经过物镜(18)然后进入一个由两块特殊设计的棱镜(9)、(11)胶合而成的分光棱镜(图2)，被带通滤光薄膜(20)发射出分光棱镜，然后被聚焦，通过共焦小孔被光电倍增管PMT(12)接收，经A/D转换后传入计算机进行处理，从而读出数据。始终控制选层音圈电机(5)和伺服音圈电机(13)同步运动，保证读出光始终聚焦在选定的层面上；当需要改变数据层的时候，需要给选层音圈电机(5)在接收聚焦循迹误差信号的同时在聚焦线圈额外加载一稳恒偏置电压，使两透镜间光程差移动范围为9.24~10.76mm，则读出光的焦点移动范围为2.02~2.16mm，数据层间距控制为10μm。

实施例3：在实施例1和实施例2中，可以改变一个由两块特殊设计分光棱镜分光片(23)的特性，使其对波长λ₁的光透射而反射波长λ₂，透射的光信号用光电接收器(10)探测聚焦误差信号和循迹误差信号，反射的光信号再次进入第二个

波片(22)，转变为S偏振光后被偏振分光面(19)反射出分光棱镜；被激发的荧光经过物镜(18)然后进入分光棱镜，被带通滤光薄膜(20)发射出分光棱镜，然后被聚焦，通过共焦小孔被光电倍增管PMT(12)接收，经A/D转换后传入计算机进行处理，从而读出数据。

Claims (9)

1.一种双光束三维光盘数据读写装置，其特征在于该读写装置由两个模块组成：荧光读写模块和伺服控制模块，荧光读写模块包括读写激光光源(1)、光闸(2)、能量衰减器(3)、扩束准直装置(4)、聚焦物镜(18)和光电倍增管PMT(12)；伺服模块包括伺服激光光源(7)、主轴电机(15)、选层音圈电机(5)、伺服音圈电机(13)和光电接收器(10)。

2.如权利要求1所述的双光束三维光盘数据读写装置，其特征在于所述荧光读写模块和所述伺服控制模块的光路通过一个耦合棱镜(6)和一个由两块棱镜(9，11)胶合而成的分光棱镜进行耦合和分离。

3.如权利要求1或2所述的双光束三维光盘数据读写装置，其特征在于所述读写激光光源发射的读写激光通过选层音圈电机(5)与伺服音圈电机(13)的配合实现跟踪和分层聚焦，在数据的写入和读出过程中，始终控制选层音圈电机(5)和伺服音圈电机(13)同步运动，保证读写激光始终聚焦在光盘选定的数据层上；当需要改变数据层的时候，给选层音圈电机(5)在接收聚焦和循迹误差信号的同时额外加载一稳恒偏置电压，使读写激光的焦点移动至另一选定数据层。

4.如权利要求1所述的双光束三维光盘数据读写装置，其特征在于所述分光棱镜能够实现三种波长光束的分光隔离，分光面(19)为一偏振分光面，在第一个棱镜(9)的上下两面都加上一个

波片(21，22)，并在下方的

波片(22)下面再加上一个分光片(23)，其光谱特性是对读写激光高透射而对伺服激光高反射，位于第二个棱镜(2)上的带通滤光薄膜(20)的光谱特性是对读写激光和伺服激光高透射而对读写激光激发出的荧光高反射。

5.如权利要求1所述的双光束三维光盘数据读写装置，其特征在于该光盘预先刻有螺旋形的沟槽，其自上而下的基本层次结构为：粘结层(24)，保护涂层(25)，反射膜(26)，保护层(27)，存储材料层(28)。

6.如权利要求1所述的双光束三维光盘数据读写装置，其特征在于，所述读写激光是由二极管固体激光器作为泵浦源的Ti:Sapphire激光器产生的飞秒脉冲激光，其中心波长为800nm，脉宽为80fs，重复频率为80MHz。

7.一种双光束三维光盘数据读写方法，其特征在于，读写激光光源(1)发射的读写激光和伺服激光光源(7)发射的伺服激光通过耦合棱镜(6)与一个由两块棱镜(9，11)胶合而成的分光棱镜进行耦合和分离；伺服激光光源(7)发射的激光聚焦在光盘盘片的信道上，其反射光用于产生伺服音圈电机(13)的控制信号；信息写入时，读写激光经光闸(2)、能量衰减器(3)、扩束准直装置(4)和选层音圈电机(5)控制的选层透镜(17)后进入耦合棱镜(6)，随后进入特殊设计的分光棱镜，并被物镜(18)聚焦在盘片的底层存储材料内使存储材料发生双光子吸收；信息读出时，采用800nm的读写激光，经物镜(18)聚焦于选定信道，激发出来的荧光通过分光棱镜分离以后被光电倍增管PMT(12)接收，经A/D转换后传入计算机进行处理，从而读出数据。

8.如权利要求7所述的双光束三维光盘数据读写方法，其特征在于所述读写激光光源发射的读写激光通过选层音圈电机(5)与伺服音圈电机(13)的配合实现跟踪和分层聚焦，在数据的写入和读出过程中，始终控制选层音圈电机(5)和伺服音圈电机(13)同步运动，保证读写激光始终聚焦在选定的数据层上；当需要改变数据层的时候，给选层音圈电机(5)在接收聚焦和循迹误差信号的同时额外加载一稳恒偏置电压，使读写激光的焦点移动至另一选定数据层。

9.如权利要求7或8所述的双光束三维光盘数据读写方法，其特征在于所述分光棱镜能够实现三种波长光束的分光隔离，分光面(19)为一偏振分光面，在第一个棱镜(9)的上下两面都加上一个

波片(21，22)，并在棱镜下方的波片(22)下面再加上一个分光片(23)，其光谱特性是对读写激光高透射而对伺服激光高反射，在第二个棱镜(11)上的带通滤光薄膜(20)的光谱特性是对读写激光和伺服激光高透射而对读写激光激发出的荧光高反射。

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