CN108597544A - 一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统，包括光源部分、耦合部分、光斑调节部分以及目标介质，所述光源部分产生多个光束，通过所述耦合部分以及所述光斑调节部分，最终达到所述目标介质上，其特征在于，所述耦合部分包括二向色镜、消色差耦合镜和单模保线偏光纤，所述多个光束依次通过所述二向色镜、所述消色差耦合镜和所述单模保线偏光纤，以实现所述多个光束的自动重合和光场强度分布的效果。本发明结构简单，有效减少客观环境因素变化导致的光斑质量、准直性和重合程度的降低，使得光存储系统的可靠性增加，使得实际分辨率可以接近理论设计分辨率。

Description

一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统

技术领域

本发明涉及光存储领域，尤其涉及一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统。

背景技术

随着信息技术的发展，人们储存信息的技术也在不断的更新，从原始的纸张信息记录形式发展到当前最为先进的光学超分辨技术。在近些年来，随着计算机应用的普及化，人们对于超高容量、密度、快速的信息储存技术越来越向往。而光储存技术是以光子为信息载体的一项优秀技术，特别是近年来取得了许多重大突破，在市场上的应用越来越广泛。当前社会中信息储存已经无法离开以光盘为基础的储存器件，其对于活动图像以及数据的储存有着非常好的效果。而光学超分辨光存储技术对于光储存的发展有着引导作用，特别是储存密度的提高更是起到关键作用。

目前已存的技术中，多光束超分辨光存储的一种实现原理为基于双光束受激发射损耗(STED)显微原理，利用受激发射损耗(STED)显微光路，以实现光存储写入和读出。但是传统的受激发射损耗(STED)显微光路，光路系统普遍复杂庞大。由于机械振动、温度等客观因素的改变，会影响光斑的质量、准直性和重合程度，从而影响分辨率这一最关键的光存储参数。光路系统越庞大，整个写入/读出系统受到更多客观因素影响，因此光路系统小型化、简单化是对光存储分辨率提升的有效改进方式。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统。本发明仅使用一根单模保线偏光纤即能实现多光束在进入光学存储之前最后的准直。使用特制的相位板和四分之一波片的结合，不但提供了高质量的光斑和高度重合的光束，还能通过控制入射光束的偏振方向来调整聚焦到目标介质上的光斑分布。本发明结构简单，有效减少客观环境因素变化导致的光斑质量、准直性和重合程度的降低，使得光存储系统的可靠性增加，使得实际分辨率不易受到客观环境因素的影响，可以接近理论设计分辨率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是基于受激发射损耗(STED)原理，如何将光存储光路小型化、简单化，提高光斑质量、准直性和重合程度，进一步达到增加光存储系统分辨率的技术目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统，包括光源部分、耦合部分、光斑调节部分以及目标介质，所述光源部分产生多个光束，通过所述耦合部分以及所述光斑调节部分，最终达到所述目标介质上，其特征在于，所述耦合部分包括二向色镜、消色差光纤耦合镜和单模保线偏光纤，所述多个光束依次通过所述二向色镜、所述消色差光纤耦合镜和所述单模保线偏光纤，所述二向色镜可将所述多个光束在垂直于光传播的空间截面上重合，所述单模保线偏光纤对不同波长的所述多个光束保持单模传输，从所述单模保线偏光纤出射的多个不同波长的光束自动重合，最终以实现所述多个光束的自动重合和光场强度分布的效果。

进一步地，所述光斑调节部分包括四分之一波片和相位板，所述四分之一波片被设置于所述单模保线偏光纤出射端，所述相位板被设置于所述四分之一波片出射端，所述相位板的直径被设置为与光束的入射直径相匹配，通过设置所述多个光束的波长、偏振方向和所述相位板的性能参数，可以在所述目标介质上得到不同样式的光斑。

进一步地，所述光源部分包括三个激光器，所述三个激光器可产生三个不同波长的光束，分别为第一光束、第二光束和第三光束，所述第一光束在写入光路中作为诱导记录光，在读出光路中作为读出激发光，所述第二光束在写入光路中作为抑制记录光，在读出光路中作为读出损耗光，所述第三光束作为材料固化光。

进一步地，通过调整所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束的波长和偏振方向，以及调整所述相位板的性能参数，使得所述第一光束在所述目标介质上聚焦为高斯分布的实心光斑，所述第二光束在所述目标介质上聚焦为空心光斑，所述第三光束在所述目标介质上聚焦为非高斯分布的实心光斑。

进一步地，所述相位板由两种不同折射率的透明材料组成，分别为第一材料和第二材料，所述第一材料和所述第二材料在所述第一光束的波长处，折射率匹配，所述第一材料和所述第二材料在所述第二光束的波长处，折射率不匹配，所述相位板的相位分布函数满足公式：

其中为相位，L为第一材料的厚度，Δn为所述第一材料和所述第二材料在所述第二光束的波长处的折射率差，λ_STED为所述第二光束的波长。

进一步地，所述相位板的主要结构为将两种双斜坡状的透明材料进行粘合。

进一步地，所述相位板的主要结构为将两种螺旋状的透明材料进行粘合。

进一步地，所述相位板呈圆柱体，其高度由所述第二光束的波长以及该波长在所述第一材料、所述第二材料中的折射率差所决定，所述圆柱体的楔形角满足公式：

其中α为楔形角大小，H为所述圆柱体高度，d为所述圆柱体直径。

进一步地，所述第一光束的波长和所述第二光束的波长组合为表1中的任何一个组合。

表1.所述第一光束和所述第二光束的波长组合表

进一步地，所述相位板的所述第一材料、所述第二材料的选取，楔形角度的选取，所述第一材料的厚度的选取，与所述第一光束波长、所述第二光束波长具有对应关系，如表2所示。

表2.不同的第一光束波长、第二光束波长组合所对应使用的第一材料、第二材料的型号、第一材料的厚度(选取相位板的直径为5.6mm)以及楔形角对应表(参考德国肖特玻璃公司)

进一步地，所述第一光束与所述第二光束的入射偏振方向被设置为相同，与所述四分之一波片的快轴、慢轴均呈45度角，经过所述四分之一波片以后形成的圆偏振光的旋向与螺旋状所述相位板从0到2π的旋向一致，所述第三光束的偏振方向被设置为与所述第一光束、所述第二光束的偏振方向垂直，与所述四分之一波片的快轴、慢轴的其中之一呈45度角，与另一个轴呈135度角，经过所述四分之一波片以后形成的圆偏振光的旋向与螺旋状所述相位板从0到2π的旋向相反。

本发明相比于现有技术，至少具有如下优势：

结构简单：仅使用不到20个光学器件完成整个光路搭建，将客观环境因素变化的影响程度降到最低。

光束重合程度、准直性高：本发明为确保两束光或者三束光自动重合，将两束光或者三束光准直过后经过二向色镜耦合在一起，在垂直于光传播方向上的空间截面，两束光或者多束光能重合，并经过同一个消色差耦合镜耦合进入一根单模保线偏光纤，提供了多光束的高重合度和准直性。

光斑质量高：本发明使用的保偏单模光纤对不同波长下多束入射光保持单模传输。经过光纤模式的传播过滤，光场强度成基模高斯分布，能够为满足超分辨存储提供高的光斑质量。

为进一步提供高质量光斑，本发明还提供了一种特制的相位板，通过控制入射光束的偏振状态，可以调节光斑分布。由于该相位板由两种特定不同的材料组成，并根据需要制成双斜坡状或者为螺旋状结构，从单模保线偏光纤出射的多个光束同时经过相位板时，该相位板作用于不同的波长、不同偏振方向，可以将写入诱导记录光/读出激发光(第一光束)聚焦为高斯分布的实心光斑，将写入抑制记录光/读出损耗光(第二光束)聚焦为空心光斑，将材料固化光(第三光束)聚焦为非高斯分布的实心光斑。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的双光束超分辨光存储小型化光路的光路图；

图2是本发明的一个较佳实施例中，第一光束、第二光束的光偏振方向与四分之一波片快慢轴方向的关系示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例中，通过相位板进行波长选择的示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例中，双斜坡状相位板的相位分布图；

图5是本发明的一个较佳实施例中，螺旋状相位板的相位分布图；

图6是本发明的一个较佳实施例中，第一光束和第二光束的光斑被调节的示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例中，一种材料的双斜坡相位板的立体图；

图8是本发明的一个较佳实施例中，两种材料的双斜坡相位板拼接的立体图；

图9是本发明的一个较佳实施例中，一种材料的螺旋相位板的立体图；

图10是本发明的一个较佳实施例中，两种材料的螺旋相位板拼接的立体图；

其中，1-第二光束光源，2-第二光束窄带滤光片，3-第一光束光源，4-第一光束窄带滤光片，5-高通二向色镜，6-低通二向色镜，7-第三光束窄带滤光片，8-第三光束光源，9-消色差光纤耦合镜，10-单模保线偏光纤，11-光纤准直镜，12-四分之一波片，13-相位板，14-反荧光二向色镜，15-高数值孔径物镜，16-光纤耦合镜，17-小孔，18-雪崩光电二极管，19-目标介质。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示为本发明的光路图，该光路具有超分辨光存储写入或者读出功能。

在超分辨写入时，根据目标介质19的材料特性来确定使用两束光或是三束光完成超分辨写入。根据类受激发射损耗(类STED)原理，最少需要两束光，一束诱导记录光用于将材料打成亮态或者聚合态，另一束抑制记录光用于将材料打成暗态或者非聚合态。在超分辨写入的时候，在写入相邻的第二个点时抑制记录光是否会将第一个写入点擦除，取决于材料的特性。因此根据材料性质，确定是否需要加第三束材料固化光用来固化材料特性。

在超分辨读出时，同样根据类激发射损耗(STED)原理，一束光为读出激发光，另一束为读出损耗光。

在本实施例中，第一光束光源3产生的第一光束，在写入光路中作为诱导记录光，在读出光路中作为读出激发光。第二光束光源1产生的第二光束，写入光路中作为抑制记录光，在读出光路中作为读出损耗光。第三光束光源8产生的第三光束，在写入光路中作为材料固化光。实际使用中，根据目标介质19的特性来确定是否使用第三光束。第一光束光源3、第二光束光源1和第三光束光源8各自产生的光束，首先分别通过第一光束窄带滤光片4、第二光束窄带滤光片2和第三光束窄带滤光片7，以消除由于光源设备产生的波长波动。三束光通过高通二向色镜5、低通二向色镜6合并为一束光，再经过消色差光纤耦合镜9耦合入单模保线偏光纤10。从单模保线偏光纤10中出射的光依次通过光纤准直镜11、四分之一波片12、相位板13、反荧光二向色镜14、高数值孔径物镜15后，最终聚焦在目标介质19上。由目标介质19发出的荧光被高数值孔径物镜15收集，并通过反荧光二向色镜14反射进入光纤耦合镜16，通过小孔17进入雪崩光电二极管18。

本发明在应用于写入光路和读出光路时，区别仅仅在于，读出光路不需要第三光束。

本实施例之所以可以为超分辨存储提供高度准直、重合的光束，是因为将两束光或者三束光准直过后经过多个二向色镜(5、6)耦合在一起，在垂直于光传播方向上的空间截面，两束光或者多束光能重合，并经过同一个消色差耦合镜9耦合进入一根单模保线偏光纤10，该单模保线偏光纤10对不同波长下多束入射光保持单模传输。经过光纤模式的传播过滤，从单模保线偏光纤10出射的不同波长的光自动重合，因此能够为超分辨存储提供高度准直、重合的光束。

本实施例之所以可以为超分辨存储提供高质量的光斑，是因为将四分之一波片12与一个特制的相位板13结合使用，通过调节入射光束的偏振方向以及相位板13的性能参数，可以将第一光束在目标介质19上聚焦为高斯分布的实心光斑，将第二光束在目标介质19上聚焦为空心光斑(如图6所示)，将第三光束在目标介质19上聚焦为非高斯分布的实心光斑。

图2为本实施例的写入光路中三个光束的偏振方向与四分之一波片12的快、慢轴方向关系示意图。其中，第一光束与第二光束被合称为写入激发光，两者的偏振方向被设置为相同，该偏振方向位于四分之一波片12的快、慢轴之间，与快、慢轴各呈45度夹角，经过四分之一波片12之后，形成的圆偏振光的旋向与螺旋状相位板13从0到2π的旋向一致。第三光束被称为写入固化光，其波长与第一光束、第二光束的波长均不相同，且其偏振方向与第一光束、第二光束的偏振方向垂直，其偏振方向位于快轴或慢轴的一侧，与其中一个轴夹角为45度，与另一个轴的夹角为135度，经过四分之一波片12之后，形成的圆偏振光的旋向与螺旋状相位板13从0到2π的旋向相反。

第一光束、第二光束和第三光束经过四分之一波片12之后，还将经过一个特制的相位板13，该相位板13由两种不同的透明材料组成，每一种材料的结构为双斜坡状(如图7所示)或为螺旋状(如图9所示)。由于第一光束、第二光束和第三光束的波长各自不同，第三光束的偏振方向与第一光束、第二光束不同，因此可以选择合适的材料用以作用于不同的波长和偏振方向，使得第一光束的相位在垂直于传播方向的平面上不随空间位置(x,y)改变，因此经过高数值孔径物镜15聚焦以后仍然呈现高斯分布的实心光斑；第二光束的相位在不同的(x,y)位置随着相位板13的厚度呈现相应的分布，因此经过高数值孔径物镜15聚焦以后呈现为空心光斑；第三光束的偏振旋向由于与第一光束、第二光束相反，因此经过高数值孔径物镜15聚焦以后，呈现中心为非零强度、非高斯分布的大实心光斑。

如图3所示为本发明的相位板13作用于不同波长的光束产生的相位延迟效果示意图。本发明的的相位板13由两个不同折射率的透明材料通过特定的结构拼合组成，该两种透明材料在第一光束的波长处折射率相等，但在第二光束处的折射率显著不同，其相位延迟满足公式：

其中为相位，L为第一材料的厚度，Δn为两种透明材料在第二光束的波长处的折射率差，λ_STED为所述第二光束的波长。因此该相位板13可以使得第一光束的相位在垂直于传播方向的平面上不随空间位置(x,y)改变，从而呈现高斯分布的实心光斑；第二光束的相位在不同的(x,y)位置随着相位板的厚度呈现相应的分布，从而呈现为空心光斑。

相位板13的结构优选为双斜坡状和螺旋状。双斜坡状相位板13的相位分布如图4所示，其单材料的形状结构如图7所示，两种材料拼接后的形状结构如图8所示；螺旋状的相位板13的相位分布如图5所示，其单材料的形状结构如图9所示，两种材料拼接后的形状结构如图10所示。螺旋状的相位板13的折射率满足如下公式：

其中，n为折射率，B₁,B₂,B₃,C₁,C₂,C₃为20摄氏度温度下的色散系数，λ为入射光波长。该折射率在第一光束的波长处匹配，在第二光束的波长处，差异较大。

相位板13的结构也可以为圆柱体，高度由第一光束、第二光束的波长和该波长在两种透明材料的折射率差所决定，而楔形角由如下公式决定：

其中，α为楔形角度，H为相位板的最大高度，d为相位板的直径。

在将本发明应用于写入光路和读出光路时，第一光束和第二光束的波长需要根据目标介质19的材料特性来确定，而非随意选取，优选的波长组合如表1所示：

表1.所述第一光束和所述第二光束的波长组合

对应于以上第一光束和第二光束的波长组合，需要为相位板13选取合适的透明材料、厚度和楔形角大小，如表2所示。

表2.不同的第一光束波长、第二光束波长组合所对应使用的第一材料、第二材料的型号、第一材料的厚度(选取相位板的直径为5.6mm)以及楔形角对应表(参考德国肖特玻璃公司)

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种多光束超分辨光存储的小型化光路系统，包括光源部分、耦合部分、光斑调节部分以及目标介质，所述光源部分产生多个光束，通过所述耦合部分以及所述光斑调节部分，最终达到所述目标介质上，其特征在于，所述耦合部分包括二向色镜、消色差光纤耦合镜和单模保线偏光纤，所述多个光束依次通过所述二向色镜、所述消色差光纤耦合镜和所述单模保线偏光纤，所述二向色镜可将所述多个光束在垂直于光传播的空间截面上重合，所述单模保线偏光纤对不同波长的所述多个光束保持单模传输，从所述单模保线偏光纤出射的多个不同波长的光束自动重合，最终以实现所述多个光束的自动重合和光场强度分布的效果。

2.如权利要求1所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述光斑调节部分包括四分之一波片和相位板，所述四分之一波片被设置于所述单模保线偏光纤出射端，所述相位板被设置于所述四分之一波片出射端，所述相位板的直径被设置为与光束的入射直径相匹配，通过设置所述多个光束的波长、偏振方向和所述相位板的性能参数，可以在所述目标介质上得到不同样式的光斑。

3.如权利要求2所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述光源部分包括三个激光器，所述三个激光器可产生三个不同波长的光束，分别为第一光束、第二光束和第三光束，所述第一光束在写入光路中作为诱导记录光，在读出光路中作为读出激发光，所述第二光束在写入光路中作为抑制记录光，在读出光路中作为读出损耗光，所述第三光束作为材料固化光。

4.如权利要求3所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，通过调整所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束的偏振方向，以及调整所述相位板的性能参数，使得所述第一光束在所述目标介质上聚焦为高斯分布的实心光斑，所述第二光束在所述目标介质上聚焦为空心光斑，所述第三光束在所述目标介质上聚焦为非高斯分布的实心光斑。

5.如权利要求4所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述相位板由两种不同折射率的透明材料组成，分别为第一材料和第二材料，所述第一材料和所述第二材料在所述第一光束的波长处，折射率匹配，所述第一材料和所述第二材料在所述第二光束的波长处，折射率不匹配，所述相位板的相位分布函数满足公式：

其中为相位，L为第一材料的厚度，Δn为所述第一材料和所述第二材料在所述第二光束的波长处的折射率差，λ_STED为所述第二光束的波长。

6.如权利要求5所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述相位板的主要结构为将两种双斜坡状的透明材料进行粘合。

7.如权利要求5所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述相位板的主要结构为将两种螺旋状的透明材料进行粘合。

8.如权利要求5所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述相位板呈圆柱体，其高度由所述第二光束的波长以及该波长在所述第一材料、所述第二材料中的折射率差所决定，所述圆柱体的楔形角满足公式：

其中α为楔形角大小，H为所述圆柱体高度，d为所述圆柱体直径。

9.如权利要求7所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述第一光束的波长和所述第二光束的波长组合为表1中的任何一个组合。

表1

。

10.如权利要求9所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述相位板的所述第一材料、所述第二材料的选取，楔形角度的选取，所述第一材料的厚度的选取，与所述第一光束波长、所述第二光束波长具有对应关系，如表2所示。

表2

。

11.如权利要求7所述的多光束超分辨光存储的小型化光路系统，其特征在于，所述第一光束与所述第二光束的入射偏振方向被设置为相同，与所述四分之一波片的快轴、慢轴均呈45度角，经过所述四分之一波片以后形成的圆偏振光的旋向与螺旋状所述相位板从0到2π的旋向一致，所述第三光束的偏振方向被设置为与所述第一光束、所述第二光束的偏振方向垂直，与所述四分之一波片的快轴、慢轴的其中之一呈45度角，与另一个轴呈135度角，经过所述四分之一波片以后形成的圆偏振光的旋向与螺旋状所述相位板从0到2π的旋向相反。