CN105355217B - 基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置 - Google Patents

基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置 Download PDF

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Abstract

一种基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,包括第一激光器、第二激光器、第一1/2波片、第二1/2波片、第一扩束镜、第二扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、聚焦透镜、三棱镜,第一探测器和第二探测器,本发明将两束不同波长的光耦合到同一束光中,通过聚焦透镜产生轴向色差,聚焦于轴向不同位置,即光刻材料不同厚度处,实现轴向双焦点同时光刻。本发明可实现双光束同时存储,将存储的速度增加一倍,也将存储信息提高一倍,为多层光存储技术的推广运用提供基础。本发明还具有实时读取刻写信号系统,确保刻写的准确度。

Description

基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置
技术领域
本发明涉及光刻,特别是一种基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置。
背景技术
进入二十一世纪以后,随着科学技术的发展,人类已经进入信息数字化的高科技时代,信息技术已经成为国家发展、社会进步不可或缺的技术之一。同时,信息量的不断增大,对存储信息的装置要求也越来越高,于是,信息的获取、传输、存储、显示、处理等技术得到了快速发展。其中信息存储是信息领域最重要的技术之一。
光存储技术产生于二十世纪70年代,主要指利用光学方式进行信息存储的技术,即使用激光在某种介质上写入信息,然后再利用激光读出信息。与现有的磁盘存储技术和半导体存储技术相比,其有如下优点:
1)可根据用途采用不同介质制成只读式、一次性写入型或可擦除型等不同功能的光盘。
2)寿命长,在常温下可以保存数据不损坏达100年以上。
3)信噪比高,可达50dB以上。
4)工艺简单,生产成本低。
网络技术的突飞猛进,给人们生活带来了极大的便利,可以借助网络进行实时交流、观看视频、下载软件、查找各种信息等等。这就对网络信息存储提出了要求,需要装置将巨量的信息存储于服务器中,通过网络分享信息。目前服务器主要采用的是磁盘存储技术,该技术可以在很小体积下存储大量信息,且存储与提取数据速度极快。然而,随着数据量的增大,一个非常致命的问题是在存储与提取数据时,会对装置产生大量的热量,需要巨型配套冷却装置进行实时冷却。
网络给人类便利的同时,也带来了安全问题。近年来,各种网络安全问题频出:包括个人隐私泄露问题、银行账户安全问题、高科技保密信息泄露问题、甚至是恶意攻击导致的巨大损失等等。这些问题对服务器提出了更高的要求,磁盘存储技术在安全方面运用受到限制,其原理决定了其很容易被篡改数据,导致一系列的安全问题。
光盘存储技术在运行时产生较少的热量,并且其物理改变来存储信息决定了其信息的高度安全,特别是针对服务器中一些固定不变又非常重要的信息,采用光盘存储可以保证数据的安全性。提高光盘的存储信息量、存储与读取速度,将极大推动光盘存储技术在安全数据存储方面的运用。多层光存储技术是一种提高光盘信息存储的有效途径,然而以往的技术采用的是单束激光,其相对存储与读取速度受限,使其广泛运用收到一定阻碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,采用两束不同波长的激光同时入射,分别聚焦于材料轴向的不同位置,实现双光束同时存储信息,将存储的速度增加一倍,也将存储信息提高一倍,为多层光存储技术的推广运用提供基础。
本发明的技术解决方案是:
一种基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特点在于该装置包括第一激光器、第二激光器、第一1/2波片、第二1/2波片、第一扩束镜、第二扩束镜、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、聚焦透镜、三棱镜,第一探测器和第二探测器,上述元部件的位置关系如下:
沿所述的第一激光器发出的偏振激光方向依次是第一1/2波片、第一扩束镜、第一分光镜和第一反射镜,该第一反射镜与光路成45°,沿第二激光器的激光输出方向依次是第二1/2波片、第二扩束镜,第一分光镜和第一反射镜,在所述的第一反射镜的反射光方向依次是第二分光镜和聚焦透镜,在第二分光镜的反射光方向是所述的三棱镜,经该三棱镜分离后的光束经由第二反射镜和第三反射镜分别入射所述的第一探测器和第二探测器,所述的第一激光器和第二激光器发出的激光光束在通过所述的聚焦透镜形成的聚焦点的轴向距离大于长波长聚焦点直径的5倍。
所述的第一1/2波片与第一激光器相匹配。
所述的第二1/2波片与第二激光器相匹配。
所述的第一扩束镜和第二扩束镜的扩束范围为400nm到700nm波长。
所述的第一分光镜和第二分光镜的分光比为1:1,分光范围为400nm到700nm波长。
所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜为反射率大于99%的镀膜反射镜。
所述的第一探测器和第二探测器为光电倍增管。
所述的第一激光器、第二激光器、第一1/2波片、第二1/2波片、第一扩束镜、第二扩束镜和第一分光镜用第一激光器、第二激光器经光纤和光纤耦合器替换。
本发明的技术效果如下:
本发明装置将两种不同波长激光耦合到一束中,通过聚焦透镜产生轴向色差,从而聚焦于光盘掩膜层不同厚度,实现双点同时记录信息。根据光路的可逆性,收集反馈信号,可以实现双点同时读取。其优点是:
1)采用双点同时刻写,效率提高一倍,信息容量提高一倍。
2)采用双点实时检测,提高准确度。
3)工作过程中产生的热量更少,对系统更加安全。
附图说明
图1是本发明装置光路示意图
图2是本发明另一种装置光路示意图
图3是本发明聚焦透镜轴向色差聚焦示意图
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
首先参考图1,由图可见,本发明基于透镜轴向色差的双光束并行刻写装置包括第一激光器1、第二激光器4、第一1/2波片2、第二1/2波片5、第一扩束镜3、第二扩束镜6、第一分光镜7、第二分光镜9、第一反射镜8、第二反射镜13、第三反射镜15、聚焦透镜10、三棱镜12,第一探测器14、第二探测器16。上述部件的位置关系如下:
沿所述的第一激光器1发出的偏振激光方向依次是第一1/2波片2、第一扩束镜3、第一分光镜7和第一反射镜8,该第一反射镜8与光路成45°,沿第二激光器4的激光输出方向依次是第二1/2波片5、第二扩束镜6,第一分光镜7和第一反射镜8,在所述的第一反射镜8的反射光方向依次是第二分光镜9、聚焦透镜10,在第二分光镜9的反射光方向是所述的三棱镜12,经该三棱镜12分离后的光束经由第二反射镜13和第三反射镜15分别入射所述的第一探测器14和第二探测器16。所述的第一激光器和第二激光器发出的激光光束在通过所述的聚焦透镜形成的聚焦点的轴向距离大于长波长聚焦点直径的5倍。
所述的第一1/2波片作用的激光波长与第一激光器相匹配。
所述的第二1/2波片作用的激光波长与第一激光器相匹配。
所述的第一扩束镜和第二扩束镜的扩束范围为400nm到700nm波长。
所述的第一分光镜和第二分光镜的分光比为1:1,分光范围为400nm到700nm波长。
所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜为反射率大于99%的镀膜反射镜。
所述的第一探测器和第二探测器为光电倍增管。
所述的第一激光器、第二激光器、第一1/2波片、第二1/2波片、第一扩束镜、第二扩束镜和第一分光镜用第一激光器、第二激光器经光纤和光纤耦合器替换。
所述第一激光器1发出的偏振激光,经过第一1/2波片2,该第一1/2波片可以调节发射激光的偏振方向,接着光通过第一扩束镜3,原先的小光束扩束,使光束到达聚焦透镜时能充满整个聚焦透镜,达到最佳状态。第二激光器4发出的激光,经过第二1/2波片5与第二扩束镜6进行扩束后,到达第一分光镜7,经过1比1的分光作用,虽然功率下降到原来的一半,但是两束不同波长的光在入射方向上完成合束。经过第一反射镜8的反射以后入射到聚焦透镜10,通过聚焦透镜时产生轴向色差,聚焦于轴向不同位置,即光刻材料不同厚度处,实现轴向双焦点同时光刻。
双光束刻写的同时,根据光路的可逆性,反馈信号沿原路返回,经过聚焦透镜10以后成为平行光束。经第二分光镜9实现1比1分光,将反馈光束入射到三棱镜12上,所述的三棱镜12将两束不同波长的光分离,分别入射到第二反射镜13和第三反射镜15上,经过反射分别进入第一探测器14和第二探测器16,完成实时监测,确保刻写准确性。
过多的分光镜会很大程度上影响装置的实际效率,所以本发明还提出了另一种可以很大程度提高入射光耦合效率的方法,就是双光束光纤耦合,参见图2所示。将第一激光器1和第二激光器4发出的光利用多光束光纤耦合器17耦合到同一束激光中,通过光纤耦合器,可以免去复杂的光路影响,尽可能多的将实际光能量转播到聚焦透镜中,且减小反馈信号的影响,很大程度提高装置操作效率。
本发明所述色差效应如图3所示,不同波长的激光通过聚焦透镜以后会聚焦于不同的轴向位置,形成空间轴向方向不同聚焦点,聚焦于光刻材料的不同深度。光刻材料11是由4部分组成,包括第一激光器刻写层11-1,保护材料11-2,第二激光器刻写层11-3和基底11-4。在具体操作前根据聚焦透镜的轴向色差效应合理安排好第一激光器刻写层11-1、保护材料11-2和第二激光器刻写层11-3的厚度,让第一激光器1发出的激光光束恰好聚焦于第一激光器刻写层11-1,让第二激光器4发出的激光恰好聚焦于第二激光器刻写层11-3,实现双光束同时刻写。刻写材料选择上,例如半导体材料就是一种很好的光刻材料,其在可见光波段都能有效的吸收光强。当然其他的材料也可采取,更好的是只针对某一特定波长具有强烈吸收而对其他波长吸收不明显的材料。
实施例测试如下所述:
将待刻写材料11置于所述的聚焦透镜10的焦平面,选择两台波长分别为405nm和658nm,频率为10Hz,脉冲宽度为100ms的半导体激光器分别作为第一激光器1和第二激光器4,选择第一1/2波片2和第二1/2波片5为分别作用于405nm波长和658nm波长的1/2波片,选择第一扩束镜3与第二扩束镜6为放大倍率为8、扩束范围为400nm到700nm波长的扩束镜,405nm波长和658nm波长的激光光束分别经过第一扩束镜3与第二扩束镜6扩束后入射到分光比为1:1的第一分光镜7中,沿着第一反射镜8方向的两波长光完成合束。
选择第一反射镜8为反射率大于99%的镀膜反射镜,合束光经过第一反射镜8以后进入分光比为1:1的第二分光镜9中,然后进入聚焦透镜10。选择聚焦透镜10为放大倍率为10,数值孔径为0.25的透镜,利用光斑分析仪测得405nm波长的激光光束与658nm波长的激光光束对应的聚焦点位置相差约85um。
此时选择光刻材料11的结构中,第一激光器刻写层11-1可以选择硫系光刻材料,本例中选择Sb2Te3材料,厚度为4um,保护材料11-2选择ZnS-SiO2材料,厚度为81um,第二激光器刻写层11-3同样可以选择硫系光刻材料,本例中选择Sb2Te3材料,厚度为4um,基底11-4选择K9玻璃或者光盘基底。
405nm波长的激光光束和658nm波长的激光光束经过聚焦透镜10以后分布聚焦于第一激光器刻写层11-1和第二激光器刻写层11-3,激光聚焦作用于材料,形成小孔,也就是信息记录点,完成信息的记录,双层同时进行。记录点的距离以长波长的激光为依据,本例中也就是658nm波长光,点之间的距离为658nm波长的聚焦光斑直径3.2um的2倍,所以刻写过程中光刻材料11的移动速度控制在64um/s。
在刻写过程中,反馈光根据光路可逆性按原路返回,经过第二分光镜9反射进入三棱镜12中,三棱镜12选择的是40X40X40的等边棱镜,合束光经过三棱镜12后,波长为405nm的激光光束和波长为658nm的激光光束出射角不同而分离,分别入射到反射率大于99%的镀膜反射镜的第二反射镜13和第三反射镜15上,然后分别进入第一探测器14和第二探测器16,第一探测器14和第二探测器16选择的是分别用于检测405nm波长和658nm波长的光电倍增管,完成实时检测。
调节聚焦透镜10与光刻材料11的距离,使第一探测器14和第二探测器16接收到的信号最强,则表明两不同波长聚焦光束实际聚焦位置分别在第一激光器刻写层11-1和第二激光器刻写层11-3上。
经过以上步骤,完成在光刻材料11上的双层刻写,实现双点同时刻写,效率提高一倍,信息容量提高一倍。

Claims (8)

1.一种基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于该装置包括第一激光器(1)、第二激光器(4)、第一1/2波片(2)、第二1/2波片(5)、第一扩束镜(3)、第二扩束镜(6)、第一分光镜(7)、第二分光镜(9)、第一反射镜(8)、第二反射镜(13)、第三反射镜(15)、聚焦透镜(10)、三棱镜(12),第一探测器(14)和第二探测器(16);
沿所述的第一激光器(1)发出的偏振激光输出方向依次是第一1/2波片(2)、第一扩束镜(3)、第一分光镜(7)和第一反射镜(8),该第一反射镜(8)与光路成45°,沿第二激光器(4)的激光输出方向依次是第二1/2波片(5)、第二扩束镜(6),第一分光镜(7)和第一反射镜(8),在所述的第一反射镜(8)的反射光方向依次是第二分光镜(9)、聚焦透镜(10),在第二分光镜(9)的反射光方向是所述的三棱镜(12),经该三棱镜(12)分离后的光束经由第二反射镜(13)和第三反射镜(15)分别入射所述的第一探测器(14)和第二探测器(16),所述的第一激光器和第二激光器发出的激光光束在通过所述的聚焦透镜形成的聚焦点的轴向距离大于长波长聚焦点直径的5倍。
2.根据权利要求1所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第一1/2波片与第一激光器相匹配。
3.根据权利要求1所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第二1/2波片与第二激光器相匹配。
4.根据权利要求1所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第一扩束镜和第二扩束镜的扩束范围为400nm~700nm波长。
5.根据权利要求1所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第一分光镜和第二分光镜的分光比为1:1,分光范围为400nm~700nm波长。
6.根据权利要求1所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜为反射率大于99%的镀膜反射镜。
7.根据权利要求1所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第一激光器(1)、第二激光器(4)、第一1/2波片(2)、第二1/2波片(5)、第一扩束镜(3)、第二扩束镜(6)和第一分光镜(7)用第一激光器(1)、第二激光器(4)经光纤和光纤耦合器(17)替换。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于聚焦透镜轴向色差的双光束并行刻写装置,其特征在于所述的第一探测器和第二探测器为光电倍增管。
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