CN1684169A

CN1684169A - 用于近场光存储的固体浸没透镜

Info

Publication number: CN1684169A
Application number: CN 200510049314
Authority: CN
Inventors: 刘柳; 何赛灵; 陶淘
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: CN1332387C

Abstract

本发明公开了一种用于近场光存储的固体浸没透镜，在传统固体浸没透镜的下表面涂覆上一负折射介质层，该负折射介质层将聚焦于固体浸没透镜下表面的激光重新聚焦于碟片的表面。在使用时，该负折射介质层与空气隙的相对介电常数和磁导率在工作波长下匹配，并且空气隙的厚度设计为与负折射介质层的厚度相同。它能够在不降低读取数据时的信号响应以及读取/写入数据时的分辨率的基础上，很大程度的提高固体浸没透镜的下表面与碟片之间的距离，从而降低对伺服系统、机械传动系统和记录环境的要求。

Description

用于近场光存储的固体浸没透镜

技术领域

本发明涉及光存储技术以及人工电磁介质领域，特别地，涉及一种用于近场光存储的固体浸没透镜。

背景技术

光存储技术给信息技术领域带来了革命性的影响。光存储以光子为信息载体，它可以进入到电子载体所不能进入的超高存储密度、超快存储速率以及并行输入/输出、高度互连的领域。目前，各种光盘驱动器用包含物镜的光学头进行读或写，并完成聚焦与轨道跟踪伺服控制，由于物镜距介质较远(毫米级)，故称为远场存储。其存储密度的提升最终将受到衍射分辨率极限(0.5λ/NA)的限制，因此，为了满足不断增长的市场需求而寻求新的光存储原理变得尤为迫切。

近场光存储技术，以其能突破衍射分辨率极限的优点，成为目前光存储研究的一个重要发展方向。其中，固体浸没透镜(Solid Immersion Lens：SIL)技术，为一种结构及原理相对较简单的方式。如图1所示，通过将一个传统固体浸没透镜6，插入到光盘读写头的聚焦透镜5的下方，并让激光正好会聚到固体浸没透镜的下表面上，这样可以提高光学头的数值孔径NA，减小光斑的尺寸。半球型SIL可以使光斑尺寸减少为插入前的n_SIL倍(n_SIL是固体浸没透镜的折射率)。但是通常包含SIL的光学头的NA都大于1(在远场存储中NA小于1)，这时，激光透过固体浸没透镜的下表面后，在空气隙7中将产生倏逝波(evanescentwave)，其振幅沿着传播方向呈指数衰减。因此，为使固体浸没透镜有效地发挥作用，其下表面与碟片之间的间距要保持在近场距离之内，通常空气隙7的厚度为几十纳米。这对于伺服系统、机械传动系统和记录环境都提出了很高的要求。

另外，近年来，以负折射介质为代表的新型人工电磁介质(meta-materials)的科学研究得到了越来越广泛的关注，成为当前非常前沿和热门的研究领域之一。这种负折射介质的折射率为负值，它具有负折射(negative refraction)和倏逝波放大(amplification of evanescent wave)的特性。理论和实验上都已经证明，一负折射介质平板可以对置于其前的物体进行次波长成像，其成像的分辨率将突破衍射极限。由于，天然的介质的折射率都为正，因此，这种负折射介质只能是人工合成。目前，在微波段和光波段都已经成功的制作出这种负折射介质。但是，还没有把这种人工电磁介质应用于近场光存储的固体浸没透镜的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型固体浸没透镜，它能够在不降低读取数据时的信号响应以及读取/写入数据时的分辨率的基础上，很大程度的提高固体浸没透镜的下表面与碟片之间的距离，从而降低对伺服系统、机械传动系统和记录环境的要求。

为实现该发明目的，本发明采用的技术方案是：在固体浸没透镜的下表面涂覆上一负折射介质层；该负折射介质层将聚焦于固体浸没透镜下表面的激光重新聚焦于碟片的表面。进一步地，所述负折射介质层是具有负折射率的均匀介质或等效折射率为负的人工微结构。

本发明的目的还在于提供一种固体浸没透镜近场光存储系统。

为实现该发明目的，本发明采用的技术方案是：一种固体浸没透镜近场光存储系统，包括激光二极管、准直透镜、分光器、孔径、物镜、空气隙、碟片、探测器、固体浸没透镜和在固体浸没透镜的下表面涂覆的一负折射介质层组成。进一步地，在使用时，该负折射介质层与空气隙的相对介电常数和磁导率在工作波长下匹配，并且空气隙的厚度设计为与负折射介质层的厚度相同。这时固体浸没透镜下表面聚焦光斑可以近乎完美的成像于碟片的表面。

本发明的有益效果为：

1.它能够在不降低读取数据时的信号响应以及读取/写入数据时的分辨率的基础上，很大程度的提高SIL的下表面与碟片之间的距离。

2.聚焦激光在其焦平面附近的光斑直径和光强变化相对较小，因此，可以从一定程度上增大对空气隙厚度的容差性。

由于以上特性，该新型的固体浸没透镜，可以降低对伺服系统、机械传动系统和记录环境的要求。

附图说明

图1是传统固体浸没透镜近场光存储系统简图；

图2是本发明的固体浸没透镜截面图；

图3是本发明的固体浸没透镜近场光存储系统简图；

图4(a)和(b)分别是在不考虑碟片的情况下传统固体浸没透镜和本发明固体浸没透镜的近场光场分布图；图4(c)为光场在空气中的像平面以及本发明固体浸没透镜下表面的场分布图。

图5(a)和(b)分别是当信息符空间频率为零时传统固体浸没透镜和本发明固体浸没透镜的近场光存储系统的探测器信号与信号对比度与空气隙厚度的关系曲线图。

图6(a)和(b)分别是在不同空气隙厚度h_a时传统固体浸没透镜和本发明固体浸没透镜的近场光存储系统的归一化信号对比度与信息符空间频率的关系图。

图7是当信息符空间频率为零时近场光存储系统的信号对比度与空气隙厚度相对于设计值的变化的关系图。

附图中部件的说明：

1.激光二极管，2.准直透镜，3.分光器，4.孔径，5.物镜，6.传统固体浸没透镜，7.空气隙，8.碟片，9.碟片中的信息符，10.探测器，11.本发明固体浸没透镜，11a.固体浸没透镜，11b.负折射介质层

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明。

如图2所示，本发明固体浸没透镜11是在固体浸没透镜11a的下表面涂覆上一负折射介质层11b。负折射介质层11b可以是具有负折射率的均匀介质(homogeneous material)，也可以是等效折射率为负的人工微结构，如：光子晶体。

图3是本发明固体浸没透镜近场光存储系统简图。图中，固体浸没透镜近场光存储系统由激光二极管1、准直透镜2、分光器3、孔径4、物镜5、空气隙7、碟片8、探测器10和本发明固体浸没透镜11组成。固体浸没透镜11取代图1中的传统固体浸没透镜6。这时，负折射介质层11b可以将聚焦于固体浸没透镜11a下表面的激光重新聚焦于碟片8的表面。在使用时，该负折射介质层11b与空气隙7的相对介电常数和磁导率在工作波长下匹配，并且空气隙的厚度h_a设计为与负折射介质层的厚度h_L相同。这时固体浸没透镜11a下表面聚焦光斑可以近乎完美的成像于碟片8的表面。

图4、5、6、7中，用二维时域有限差分算法(2D-FDTD)以及矢量衍射的方法比较了传统固体浸没透镜和本发明固体浸没透镜近场光存储系统的性能。这里，取工作波长为650nm，物镜5的数值孔径为0.6，碟片8为通常用于近场光存储的相变光盘，空气隙7的折射率为1，其信息符9由多晶态和非晶态相变介质(GeSbTe)交替组成，具有一定的空间频率f_s。设计新型固体浸没透镜11中的负折射介质11b的相对介电常数为ε_L＝-1+j6×10^-4、相对磁导率为μ_L＝-1+j6×10^-4，固体浸没透镜11a的折射率为n_s＝1.843。与之比较的传统固体浸没透镜6的折射率为n_s＝1.843。

如图4所示，图4(a)和(b)中的虚线表示不同介质的分界面；图4(b)中的实线表示空气中的焦平面(即，离空气/负折射介质界面的距离等于700nm的平面)；图4(c)中的实线表示在固体浸没透镜与负折射介质的交界面出的光场分布，虚线表示在空气中的焦平面上的光场分布。新型固体浸没透镜可以使光场在空气中汇聚，一个聚焦光斑在空气中形成。该聚焦光斑的位置离空气/负折射介质界面的距离等于负折射介质层的厚度h_L(该例中为700nm)。它可以看成是固体浸没透镜下表面的聚焦光斑的像，这个像同样具有突破衍射极限的光斑大小。

如图5所示，图5中实线表示信号对比度V，虚线表示探测器信号的最大值I_x，点线表示探测器信号的最小值I_a。在传统固体浸没透镜近场光存储系统中，当空气隙7的厚度增加时，其信号对比度迅速减小。当进一步增大空气隙7的厚度增加时，呈一振幅衰减的震荡。而在新型固体浸没透镜近场光存储系统中，当空气隙的厚度h_a与负折射介质层的厚度h_L相同时，探测器信号与信号对比度基本保持不变，为一常数。通常信号对比度越大，读出信号的信噪比越好。信号对比度定义为V＝|I_x-I_a|/|I_x+I_a|。其中I_x和I_a为，在读取含有一定空间频率f_s的信息符的碟片时，探测器信号的最大和最小值。

图6为归一化信号对比度与信息符空间频率的关系图。实线表示h_a＝50nm，粗虚线表示h_a＝200nm，细虚线表示h_a＝400nm，点划线表示h_a＝700nm，每一条曲线可以看成是一个低通滤波器，其带宽通常决定碟片的记录密度。在传统固体浸没透镜近场光存储系统中，当空气隙7的厚度增加时，曲线的带宽迅速减小。而在新型固体浸没透镜近场光存储系统中，当空气隙的厚度h_x与负折射介质层的厚度h_L相同时，曲线的带宽基本保持不变。

图7为近场光存储系统的信号对比度与空气隙厚度相对于设计值的变化的关系图。图中，实线表示本发明固体浸没透镜(h_L＝h_a＝700nm)，虚线表示传统固体浸没透镜(h_a＝50nm)。在本发明固体浸没透镜近场光存储系统中，空气隙的厚度h_a的容差可以达到约40nm，而在传统固体浸没透镜近场光存储系统中，空气隙的厚度h_a的容差仅为15nm。空气隙的厚度h_a的容差定义为，一段空气隙的厚度h_a的变化范围，在这段范围中，信号对比度的变化不超过在h_a为其设计值时的10％。

Claims

1.一种固体浸没透镜，其特征在于，由固体浸没透镜(11a)和在固体浸没透镜(11a)的下表面涂覆的一负折射介质层(11b)组成；使用时，负折射介质层(11b)将聚焦于固体浸没透镜(11a)下表面的激光重新聚焦。

2.根据权利要求1所述的固体浸没透镜，其特征在于，所述负折射介质层(11b)是具有负折射率的均匀介质或等效折射率为负的人工微结构。

3.一种固体浸没透镜近场光存储系统，其特征在于，包括激光二极管(1)、准直透镜(2)、分光器(3)、孔径(4)、物镜(5)、空气隙(7)、碟片(8)、探测器(10)、固体浸没透镜(11a)和在固体浸没透镜(11a)的下表面涂覆的一负折射介质层(11b)。

4.根据权利要求3所述的固体浸没透镜近场光存储系统，其特征在于，使用时，所述负折射介质层(11b)与空气隙(7)的相对介电常数和磁导率与在工作波长下匹配，即：Re[ε_L]＝-ε_a，Re[μ_L]＝-μ_a，其中ε_L和μ_L分别为负折射介质层(11b)的相对介电常数和相对磁导率；ε_a和μ_a分别为空气隙(7)的相对介电常数和相对磁导率；Re[]为取实部运算。

5.根据权利要求3所述的固体浸没透镜近场光存储系统。其特征在于，使用时，所述空气隙(7)的厚度h_a与所述负折射介质层(11b)的厚度h_L相同。