光信息存储原理与技术OIST_甜梦文库
光信息存储原理与技术OIST
光信息存储原理与技术? 指导思想：扩大知识面，增加光信息存储的信息量； 开拓思路，了解现实生活中应用的光信息存储技术， 为今后的学习、工作奠定基础。 ? 内容概要：了解光信息存储领域涉及到的各种存储方 法及其关键技术，了解光信息存储研究的最新进展， 培养在光信息存储领域进一步深入学习的能力。 ? 重点讲解光存储的光学基础理论以及光存储方面的最 新文献报道。光信息存储原理与技术主要内容第一章 光存储技术概述 二维光存储：光盘存储 第二章 光盘存储概论 第三章 光学基础理论 第四章 光盘系统光学单元技术 第五章 光盘存储系统的光学存储原理 第六章 光盘系统的标量衍射理论 第七章 光盘系统的矢量衍射理论 第八章 光盘系统的光路设计 第九章 光学技术决定的光盘存储系统发展方向 光信息存储的新进展 第十章 三维光存储：体全息存储 第十一章 四维光存储 第十二章 光信息存储最新进展文献介绍参考书《磁光技术存储原理》，陈小洪，高正平编著， 电子科技大学出版社； 《光信息科学与技术应用》，郑光昭编著，电子工业出版社； 《光信息技术原理及应用》，陈家壁，苏显渝编著， 高等教育出版社； 《信息存储技术》，张旭萍编著，电子工业出版社； 其他光信息方面的文献及书籍。第一章社会进步生产和科技发展光存储技术概述需要存储、传播、处理 和利用的信息量急剧增加 信息存储技术?此外，在信息传输链路中，由于各个环节的速 度可能不同，还需要存储器作为中间的环节。信息的最终归宿传播通 道的终 端之一存储容量在 1015bit以上信息 信息源 传送者 (传送器)编码 信号 解码 信道 接收者 (接收器)信息 加工 处理存储已存信息使用终端 下一轮 传播的 信息源信息传播方框图迄今为止没有任何单个存储器件能够超过人的大脑的存储容量1人们对存储器件性能的要求① 容量（密度） ② 写（存）和读（取）数据的传输速率 ③ 存取等待时间 ④ 持久性（包括使用期和保存期） ⑤ 误码率和噪声特性 ⑥ 符号间的干扰和串扰 ⑦ 可否直接重写 ⑧ 非破坏性读出和选择性擦除 ⑨ 功耗和热耗散要求 ⑩… 对于包括存储器件 在内的整个系统， 还需考虑系统的可 靠性或者平均损耗 时间，是否可拆 卸，以及系统和器 件的成本 能 与 处 理 器 相 比 是 落 后 的当 今 的 计 算 机 系 统 中 存 储 器 的 性若把建立地址的时间包括在内，从响应最快的 高速缓存器（静态随机存取存储器SRAM）存取 一次数据也要花费计算机的几个时钟周期若把所有要用到的数据都保存在最容易读写的 位置――处理器芯片中，成本将会很高计算机系统都采用存储器分级结构计算机系统存储器分级结构传统媒体已不能完全适应需要紧靠处理器的寄存器和高速缓存器 寻址最快、等待时间最短，但每兆 字节容量的成本也最昂贵这些远离处理器的外存 储器件容量大，价格低 廉，但由于其机械运动 属性，存取等待时间 长，数据传输速率低芯片外的主存储器(通常是动态随机 存取存储器DRAM)较便宜，故能做成 大容量的器件 各种磁盘、磁带技术与相应的驱动 器相结合，可实现更大的存储容 量，也称为海量存储设备 (mass storage)当前趋势： 对图像和声音的处理和通信的需求日益高涨 (即所谓“多媒体革命”) 全球计算机网络(例如万维网)的广泛采用 娱乐、教育和计算机工业的结合多媒体教 育和训练数字图书馆以光为信息载体的视觉信息色彩纷呈 视觉 人的信息 听觉 触觉 可包含大视场、大景深的快速运动图像 其信息丰富的程度远超其他信息获取方式 成为人类的主要信息来源存储 器件运动画面的 产生和发行医学成像庞大的 存储产 品市场 迫切需求实物光存储技术 信息技术中 的支柱产业符号信息存储各个领域的研究和发展150年前照相术发明―开启了光学方法存储信息的时代2照相术是通过光诱导乳胶中物质的光化学反应，改 变乳胶局部透过率，从而实现信息的存储。现代意义上的光存储技术于1970年代兴起，到1980年代已迅速 形成产业，在经历了只读光盘存储系统和一次写入光盘存储系 统后，目前早已进入可擦写光盘存储系统规模化工业生产阶段。当前，光存储主要是指与计算机和其他通信系统联机的海量存储技 术。与传统的磁性存储技术(磁带、磁泡、磁盘)相比，光存储具有以缩微照相术下优点： 存储密度高缺点： 需要复杂费时的湿法后 处理，作为一种离线读 写方式，难于像磁盘、 光盘一样与现代通信设 备以及计算机联机，因 而在扩大信息交流方面 存在限制。理论估计，光存储的面密度为1/λ2的数量级，其中λ优点： 能够高保真度地存储高 分辨率图像，其保持文 物、古籍等物品原貌的 能力无可替代，在今天 的海量信息存储领域仍 占有重要位置。为用于存储的光的波长。光学方法可以寻址纪录材料的整个体积， 存储的体密度可达1/ λ3。按照λ=500nm计算，存储密度为1 TB/cm3 的数量级。若同时在大量可分辨的窄光谱凹槽中进行纪录，存储密 度还可以提高1~3个数量级，这是当前任何其它数据存储技术所无法 匹敌的。 并行程度高 由于光束可以携带图像即二维数据页，通过对照明光 束波面的二维调制，光存储器件能够广泛地提供并行输入/输出和数 据传输。抗电磁干扰外界电磁干扰的频率都远远低于光频率，因此光作为光存储的介质选择标准：从原理上讲，只要材料的某种性质对光敏感，在 被信息调制过的光束照射下，能够产生物理、化学性质的改变，并且这种改变 能在随后的读出过程中使读出光的性质发生变化，都可以作为光存储的介质。不受外界电磁场的干扰，不同光束之间也很难相互干扰 存储寿命长 磁存储的信息一般只能保存2~3年。而只要光存 储介质稳定，寿命一般在10年以上。 非接触式读/写方式 用光读/写，不会磨损和划伤存储体，这 不仅延长了存储寿命，而且使存储体可以自由拆卸、移动和更 换，因而可以做成真正海量的存储器 信息价格位低 由于光存储密度高，其信息价格位可以比磁记 录低几十倍光存储分类按存储介质的厚度分：面存储(二维存储)和体存储(三维存储) 按数据存取的方式分：逐位存储(又称光打点式存储)和页面并行式 存储 按鉴别存储数据的方式分：位置选择存储和频率选择存储光存储技术受到人们的广泛关注目前最普遍、最成熟的技术是光盘存储，正在发展中的技术有很多1987年，可擦重写磁光存储系统作为商品问世，其性能为： 在可擦写光盘存储领域内磁光存储系统最具发展前途，其产品 占了该领域的75%以上。 1987年，可擦重写磁光存储系统作为商品问世，它从一开始就 引人注目，因为它同时具有光存储和磁存储的优点。 磁光盘具有记录密度高、存储容量大、可靠性好、使用寿命长、 信息位价格低等优点。 磁光存储系统已在广播电视、图像文档存储、航空航天、国家 管理、军事等领域进入大规模的应用阶段。 容量640MB,平均存取时间150ms 1990年，多功能磁光盘驱动器问世，所谓多功能驱动器是指 能读、写、擦可重写介质，能读/写一次写入介质和能读出与可 写入相同格式的只读介质 1991年，直接重写磁光盘和驱动器出现在国际光存储会议上 可擦重写磁光盘在 写入信息时，要两 次操作才能完成， 第一次是将已经记 录在盘上的信息抹 去，第二次才是写 入新的信息。 直接重写技术是在写入新信 息的同时自动擦出原有的信 息，无需两次动作。磁光盘刚问世时生产厂家标明的寿命为大于10年 后来改为大于30年，有的称寿命大于60年 实验表明磁光盘的寿命可望超过100年3增加存储容量--亦即提高存储密度多功能 存储器 提高介 质寿命 磁光存储 系统的 努力方向 增加存 储容量 缩短存 取时间 提高数 据速率 直接重 写技术其关键技术之一是采用短波长激光器。波长越短，激光点直 径越小，因而记录密度越高，早期磁光盘驱动器采用的半导体 激光器波长一般为780nm，通过各种倍频与和频技术，可得到 更短波长的激光器，目前较流向的适用于磁光介质读、写、擦 的激光器波长为400nm。 采用在磁光盘的预刻槽的“台上”和“槽内”记录信息的“光道密 度加倍法”和提高线密度的“区域比特记录法”均可以使存储密 度提高一倍。 光学头聚焦透镜的数值孔径与激光点直径成反比，如果提高 数值孔径，再加上采用先进的RLL(1,7)编码技术以及使光盘采 用多个磁光层的组合技术，均可使存储容量大大提高。可行性缩短平均存取时间平均存取时间是指向光盘驱动器发出命令到驱动器可接受读 写命令为止的时间，它由读写光头移动时间、读写光头稳定时 间和旋转等待时间三部分组成。缩短平均存取时间的最关键技 术是轻型光学头和直接重写技术。 轻型光学头最重要成果是“声光偏转光学头技术”，此法采用声 光偏转技术作精细调解，使光学头以较高的速度到位，几乎不 需要调整时间，从而使光学头把激光束直接引向要求的轨道， 而无需重新定位，再配以具有高速度的分离式光学头，可大大 降低平均存取时间。此外也可以使用保偏光纤，使光与极靠近 盘面飞行的微小物镜耦合来实现光学头的轻型化。 直接重写技术可以免去先转一圈的抹去信息的等待时间，从 而使平均存取时间大大缩短。直接重写技术主要采用激光束调 制和磁场调制两种方法。提高数据速率―即增加从光盘驱动器送出的数据传输率。数据速率与盘片转速、记录的位密度有关，它的提高主要涉 及转速的提高、高功率短波长二极管阵列的应用以及编码和信 号处理方法的改进。 目前磁光驱动器转速一般为rpm。再加上采用单片 集成、单独寻址的高功率激光二极管阵列作为记录光源，实现 多条平行轨道上同时存取数据的所谓多光道并行存取，可大幅 度提高系统的数据速率。光存储技术的发展趋势和关键技术以光学、集成光学、光子效应、体全息技术、光感生或磁感生超分辨率 等原理为基础的新一代光存储技术将朝着以下几个方向发展： 1.实现低价位DVD系列光盘及驱动器的规模生产 直径为120mm的DVD光盘单面容量4.7GB，双面容量9.4GB，如果改成 双面双层，容量可达到18GB，组成了标称容量为5GB、9GB、10GB、 18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列，只要这种光 盘及光盘机的生产成本能降低到当今CD-ROM或CD-R光盘及光盘机的 价位，就足够满足一般信息系统及家用电器的需求。由于DVD系列产品 仍以传统的光盘制造技术为基础，基本工作原理没有改变，只是将信息 符 坑 点 的 尺 寸 从 原 来 的 0.83μm降 低 到 0.4μm， 信 道 间 距 从 原 来 的 1.6μm降低到0.74μm。这种光盘机的结构原理也没有太大的变化，所 用的半导体激光器的波长略有缩短，一旦形成规模，成本必将大幅度下 降。目前，加工这种高密度光盘母盘及盘片注塑的设备及技术都已完全 成熟。2.进一步提高DVD光盘质量、成品率及功能目前，DVD光盘的成品率，无论是母盘制作还是最终产品的成品率都低 于普通CD光盘，从而也影响其生产成本。各种生产光盘的专用加工和测 试设备还需要进一步更新，将深紫外超分辨率曝光技术、电子束曝光技 术、多层光致抗蚀剂技术、无显影曝光技术、4X或更高速的刻录技术等 引入母盘制作，以便进一步提高母盘质量和成品率。DVD光盘及光盘机 将在功能上进行改进，首先是多功能化，包括光盘机和盘片的多功能 化，即一台光盘机可用于只读、一次写入不可擦除及可直接改写等不同 盘片，而盘片也可能作成同时具有只读和可擦写功能。此外随着编码技 术和集成电路技术的进步，光盘机的编码及控制软件功能还将进一步改 进，将分散的视频、音频、编码、解码、调制、解调、通道控制、伺服 控制重新整合成少数芯片甚至单一芯片，不仅能降低成本，还会大大提 高系统的可靠性。为了使光盘机使用更方便，其另一改进方向是光盘机 的智能，使人一机界面更加简单，操作更为简便。43.在记录密度不变的条件下提高系统性能无论是VCD或DVD光盘都可以利用自动换盘系统，组成光盘库、 光盘塔、光盘阵列，实现提高整个系统的容量、数据传输率及多 数据存储的可靠性。如果将光盘库、光盘塔及光盘阵列与自动换 盘系统有机结合，可以大大提高系统容量、数据传输率和显著改 善存储数据的可靠性。目前最大的光盘库容量已可达到TB量级。 （1）利用光学非辐射场与光学超衍射极限分辨率的研究成果，进 一步减小记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射 或反射都会形成传播场（传播波）和非辐射（隐失波）。传播波 携带着物体结构的低频信息，容易被探测器探测。隐失波携带描 述物体精细结构的高频信息，沿物体表面传播。只要把这一部分4.综合利用其它新技术开发下一代新产品高密度数据存储技术始终是信息技术和计算机技术发展中不可缺 少的关键研究领域，要想增加存储容量、提高数据传输速率，需 要采用新技术和新材料，研究开发出新一代高密度、高速光存储 技术和系统。虽然目前所进行的研究尚处于实验室阶段，许多理 论问题、实验技术问题及工程问题还待深入研究，但从所取得的 初步成果中能看出其发展方向包括：信息扑捉到，就可提高系统的分辨率。 （2）采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超 过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结 构信息，突破衍射极限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微 镜的分辨率提高两个数量级，面密度提高4个数量级。（3）以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出， 从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量 子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（10-12秒）， 另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录 方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。 （4）三维多重体全息存储，利用某些光学晶体的光折变效应记录 全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息。由于全息图像 对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容量，并基 于光栅空间相位的变化，体全息存储器还有可能进行选择性擦除 及重写。（5）利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光 子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双 稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相 光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道 显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及 微光纤阵列技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、 高速、并行读写海量存储系统。实验已证明目前的技术可使光 存储密度达到40-100Gbits／in2。光存储发展的关键技术1.高密、高效、高速的母盘刻录技术 采用短波激光和大数值孔径的物镜，可使道间距减小，比特长度 减小，从而可提高光盘的刻录密度；采用脉宽调制，可显著提高 记录效率。 2.DVD单面盘的精密注塑及双盘的封装技术 将DVD母盘、模板生产线挑选出的合格模板，用精密注塑机注塑 成形，制得的DVD半成品经适当冷却，送入溅射室，根据不同要 求，分别溅射金或铅，然后进行粘合剂旋涂、封装、紫外光固化、 在线检测、商标印刷等，制成DVD只读光盘。3.光盘记录介质 DVD-RAM光盘是否稳定可靠，记录介质是关键，而材料设计能 否满足高速存储的要求，又取决于记录介质能否在两个稳定态之 间实现快速可逆相变。国内外传统相变介质材料设计都是基于激 光的热效应，信息写入用液相快淬实现；信息的擦除用晶核形成、 晶粒长大来完成。由于热效应是能量积累过程，写入一个比特需 较长时间，约几十纳秒，而且介质在经历几十万次的写／擦循环 后会出现信噪比下降的热疲劳。5随着记录激光采用短波长，激光的热效应逐渐减弱， 而激光光子的激发作用变得突出；所以新的材料设计 基于激光的光效应。对半导体类型介质来讲，写入一 个比特只要几十皮秒，使记录速率获得数量级的提高。 这种基于非线性光学双稳态变化效应的记录介质称为 光双稳态记录介质，它可以是无机材料，也可以是有 机材料或无机-有机复合材料。未来的发展?随着光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细 微加工技术、计算机与自动控制技术的发展，光存储技术 在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上 将有巨大的发展潜力。目前，光盘存储已在功能多样化， 操作智能化方面都有着显著的进展。随着光量子数据存储 技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术的 发展，光存储技术必将在下一世纪成为信息产业中的支柱 技术之一。62.1概述超高密度的光存储光盘存储原理光学原理1960s激光面世光学可实现能量高度 集中的、聚焦成 微米级的光斑电子学 科学家 工程师机械1972年9月由荷兰飞利浦公司…化学首次向国际新闻界展示了能播 放电视节目的光盘存储系统 从而开创了光纪录的时代光盘存储技术是综合多向高新技术的结晶（涉及：光、机、电、 激光以其特有的性能，不仅使一度沉寂的光学焕然一新，而且已 从物理学的研究对象变成了是科学技术进步的重要工具，光盘存 储器便是在激光的光辉照耀下杰出的丰硕成果。 算、信号处理等多学科领域），已日益融合与电视、音响、图像 存储和数据处理之中，成为了一种世界范围内的崭新载体。 为适应人类更完美的追求，其关键性技术展开了世界范围的大追 逐，突破性地向提高存储密度和降低平均存取时间方向发展， 其发展进程蕴含了： ① 半导体激光器不断向短波长发展（现已研制出：绿光、蓝绿光、 蓝光、半导体激光器），并采用和、差、倍频技术； ② 光盘类型由只读式向只写一次式及可擦式：磁光、相变、有机 光色和光子选通型方向发展，光盘尺寸不断小型化； ③ 光学读写头不断由整体型向分离式、多功能、集成化、全息型、 飞行式光线光学头发展。这些关键性技术的突破和彼此协调发展，使光盘存储技术以令人眩目的发展速 度、奇迹般层出不穷的研究成果、以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身 于现代高科技的前沿。发展概况1972年，激光唱片（LD）的推出，存储密度4×107位/cm2，比磁 盘高2个数量级。 1978年，Philips公司的DRAM光盘，开始了光盘存储的广泛应用。 1985年，Philips公司和Sony公司推出CD-ROM。2.1.1光盘2.1.1.2 光盘的结构 光盘有三个主要部分组成： ① 光盘基片--保证机械上的完整性、尺寸的 精度和稳定性，材料一般为玻璃、塑料 (丙烯酸树脂等) ，也可以用金属； ② 存储介质--其稳定性与寿命是直接影响光 盘长期存储信息的关键技术； ③ 密封层（即保护层）--光盘的通常保护方 式：直接或间接在记录层表面直接覆盖 一层透明聚合物，依光盘刚性，从 0.2mm到1.5mm。记录介质 内外间隔圈 基片兼保护层1.1mm光盘的诞生具有划时代的意义，光盘是信息时代的标志，它已经 带动了许多产业发生变革，具有美好的前景。 2.1.1.1 光盘的概念 光盘(disk or disc)：用光学方式读写信息的圆盘状记录载体，用介 质层上不同物理状态的信息标志单元代表所存储信息的不同状态。保护层 介质层 基片空气夹层结构：0.5mm1需指出：光盘结构采用反射式而不是透射式，是因为： a) 反射式光盘只需要从一面接近，从而简化了光盘系统结构； b) 反射式只需在信息层一侧有保护层，而透射式则需要双面保护层； c) 反射式易于实现聚焦、伺服控制。2.1.1.3 光盘的类型 作为计算机系统外部设备的数字光盘存储技术，按其功能划分 主要有四种： (1)只读存储光盘(Read Only Memory, ROM) 只读式存储光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式多数采用 经声光调制的聚焦氪离子激光，将信息刻录在介质上制成母 盘，然后进行大量模压复制。由于制作工艺和设备的限制，这 种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息，用户不能自行 写入。CD只读、CD音像与LV都属此类。配备了CD-ROM 驱动 器的微机，也可读取大量光盘中存储的软件和多媒体信息。氪粒子激光器 声光调制 光刻胶 信号发生器 前置放大 玻璃衬盘光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片，在记录介 质表面沿螺旋形轨道，以记录斑的形式写入大量的信息位，因 此光盘是按位存储的二维存储介质。记录轨道的密度可达1000 道/mm以上，这种类似光栅的结构是光盘在白光照明下呈现绚 丽的彩色。(2) 一次写入光盘(Write Once Read Memory, 缩写为 worm；或称 Direct Read After Write，缩写为 DRAW) 一次写入光盘利用聚焦激光在介质的微区产生不可逆的物理和 化学变化写入信息。这类光盘具有写、读两种功能，用户可以自 行一次写入，写完即可读，但信息一经写入便不可擦出，不能反 复使用。它适用于文档和图像的存储和检索。 为了保证光盘能被用户写入，实现写后即读(DRAW)，记录的数 据能够实时加以检验，一次写入光盘上应有的地址码(信道号、扇 区号及同步信号等)都以标准格式预先刻录并复制在光盘衬盘上。光盘的存储介质应当是不需要中间处理的类型。除了分辨率 高、对比度高、抗缺陷性能强等对光盘存储介质的共同要求 外，一次写入光盘还要求介质具有较高的记录灵敏度和较好的 记录阈值，并且存储介质的力、热及光学性能应与预格式化衬 盘相匹配。 一次写入光盘的写入过程主要是利用激光的热效应，其记录 方式有烧蚀型、起泡型、熔绒型、合金型、相变型等很多种。 目前一次写入光盘已经实现商品化。(3)可擦重写光盘(Rewrite, 或Erasable C DRAW 即 EDRAW) 这类光盘除用来写、读信息外，还可将已经记录在光盘上的信息擦 去，然后再写入新的信息；但写、擦是分开的两个过程，需要两束 不同的激光和先后两个动作才能完成，即先用擦激光将某一信道上 的信息擦除，然后在用写激光将新的信息写入。这种先擦后写的两 步过程限制了数据的存取时间和传输速率，因而尚未应用到计算机 系统的主存即随机存取存储器(Random Access Memory, RAM)。但 是，用这类光盘代替磁带，用在海量脱机存储和图像数字存储方面 已成定局。 可擦重写光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆变化来实现 反复的写与擦。光盘可擦重写技术的关键是解决新的存储介质材料。 经过多年的努力，已在磁光型（热磁反转型）存储材料上得到突破 而获得实用化。(4)直接重写光盘(overwrite) 前面介绍的可擦重写磁光盘，在记录信息时需要两次动作，即先 将信道上原有的信息擦除，然后再写入新的信息。这可以用一次 激光的两次动作完成，也可以用擦除光束和随后的写入光束配合 完成。无论采用哪种方式，都将限制光盘传输速率的提高。 光盘存储技术目前的研究热点，一是提高可擦重写光盘的性能， 二是研究直接重写光盘。直接重写光盘可用一束激光、一次动作 录入信息，也就是在写入新信息的同时自动擦除原有信息，无需 两次动作。显然这种光盘能够有效提高数据传输率，有希望应用 到计算机系统的随机存取存储器。22.1.1.3 光盘的特征和性能实现直接重写的可能途径之一，是利用激光束的粒子作用，在极 短的时间内使介质完成快速晶化，这种光致晶化的可逆相变过程 可以非常快。当擦除激光脉宽与写入激光脉宽相当时(20~50ns)， 相变光盘可进行直接重写，从而大大缩短了数据的存取时间。近 年来，国内外的大量研究工作都在围绕降低擦除时间（加快晶化 速度）、提高晶态和非晶态的反衬度以及多次擦除种材料的稳定 性等方面进行。 高的面密度。 光记录是以光束经紧密聚焦于记录媒体表面上的光斑来进行读/ 写的。光斑是由物镜射出的光尖(Optical Stylus)在盘面上形成的。 由于光的波动性质，光束经小孔发生衍射，限制了光斑的最小 尺寸。 使用激光光源可以细化光斑尺寸。有效的最小光斑直径近似为 FWHM (full width at half maximum) = 0.6λ/NA,式中， λ为光波 长，NA为聚焦透镜的数值孔径(它指边缘光线入射角的正弦函数 值)。在光盘存储器中，波长约为800nm，数值孔径为0.5（它受激光光 源和透镜技术的限制）。由此可知 FWHM≈1μm。若取光盘的信 道间距为1.6 μm，则面密度可高达(400~600)×106 bit/in2，与磁记 录(约0.4 Gb/in2)相比略高一些。 但光记录在道密度方面则高出磁记录很多。如果考虑到短波长、 多光束、多层媒体等光记录技术的出现和成熟，则面密度的提高更 具发展前景。远场光记录如是，近场光记录(读、写头靠近媒体的记 录)，将更能提高面密度。较低的位成本。光盘因其容量大，盘片可换，故每位信息存储 的成本很低，尤以CD-ROM、视听类光盘价格最为低廉。但可擦 除光盘驱动器的价格则很昂贵，它是同等容量磁盘驱动器价格的 3~5倍。 可用一个光盘头实现多通道工作。相互独立的多光束可通过一 个透镜聚焦在盘面的多个信道上。它能创造出高数据传输率的光 盘系统。 只读光盘可通过模压复制。通过模压复制的只读光盘有利于信 息的交换和使用。存储容量大。可存储在光盘中的数据总量多，直径30cm的光盘 存储容量可达位/片。 信噪比高。即信号电平与噪声电平之比较高，从光盘读出信息 时，信噪比越高，可靠性越高。 原始误码率稍高。磁记录的表面缺陷因多层磁化强度的集合而 不致显露，光记录则主要依赖表面的光反射和漫射来区别有无标 记，若表面有缺陷，则易显露，故原始误码率高。磁记录误码率 为10-6，而光记录则为10-4，故光记录要求有较高的误码校正措施 才能达到10-11的可用程度。 存取速率较慢。由于光盘头的重量稍重，故运行速度因此降低。 加上道密度极高，寻道的难度增加，导致光盘头沿径向的运动速 度变慢。又因激光功率的限制，为积累一定的能量以改变媒体光 学性质，需要一定的时间，故限制了转速的提高，使单光束记录 的数据传输率不能得到显著提高。而磁记录是基于磁化翻转的， 受转速约束的程度低，故数据传输率高。 重写能力较差。光盘的可擦除性能尚待提高。32.1.22.1.2.1光盘存储器其具体组成如下： 光盘存储器的构成 光盘(存储介质) 光盘存储系统 光盘机 读/写光学头 整机控制系统光盘存储器：由光学头、控制处理系统、机械部分组成。（光 盘存储系统或光盘系统是光盘存储器的统称）。 ?光学头：进行数据的写入和读出。 ?控制处理系统：实现监测和校正读/写光点与数据道间的定位误 差，并完成数据处理。 ?机械部分：完成优化组合，实现合理安装。光盘驱动器 供电系统 伺服系统 机械系统 读写信号处理 系统 写信号处理系统 读信号处理系统以上个部分的关系可以表示为具体个部分的作用：a 供电系统：提供电气部分的交、直流电源。 b 机械系统：光盘的装载机构、转盘机构。 c 读/写光学头：光盘面上读/写信号的直接执行者。 d 伺服系统：确保读/写光斑对信道的正确跟踪扫描关系，及 与整机控制系统、重放处理系统协调动作实现 随机存取。 e 整机控制系统：光盘系统各部分协调工作。 原始信号模拟信号写信号处理信源编码 信源解码信道编码调制 信道编码调制读信号处理数字信号读写光学头数字信号还原信号模拟信号具体过程如下： 输入调制信号于激光器，由激光发出的光束经光学系统的物镜 聚焦于光盘的记录层上，形成衍射光斑；为使光点中心与信道 中心吻合，必须实现聚焦控制和伺服跟踪控制；记录时在记录 层上产生信号标志，读出时根据有无信息标志所引起的变化， 经检测器实现信号的读取。2.1.2.2光盘存储器的种类(2)独特的非接触读写方式：读写光点是用透镜将激光束聚焦而成。 透镜、聚焦点与记录层间的相对位置如图。光盘与物镜、光学头 不相接触，因而光头和基片均无磨损、划伤，从而具有以下特点： a 能自由更换盘片； b 光盘表面的灰尘颗粒与划伤对光盘的信息读取影响微小； c 可靠性高； d 由于为非接触方式，光点可高速运动，但限于光学头的重 量，存取时间彼此纪录慢。完全与光盘的种类相对应，即有：只读式、只写一次式、可擦式、 直接重写式光盘存储器。 可擦式及直接重写式光盘存储器以磁光型光盘存储器功能强、用 途广、发展潜力最大。 2.1.2.3 光盘存储器的特点(1)记录密度高、存储容量大；由于激光相干性好，聚焦衍射光 斑为1μm量级，故存储一位需1μm2，记录密度为108/cm2，则 30cm的光盘存储容量为位/面。透镜、聚焦点与 光盘的相对位置4(3)数据速率高：由于采用了能量高度集中的激光作为光源，并可 利用多通道并行传输，故数据速率高。 (4)易于长期保存信息：光盘信息存储能长达数十年甚至更多，而 磁存储一般只有2~3年。 光学 伺服 2.1.2.4 光盘存储器的主要单元技术 ① 半导体激光器 ② 光学读写头与光学系统高性能半导体激光器 以光学头为代表的高 精度光学技术 亚微米级的精密伺服 控制技术 高性能、高灵敏度特 性的新型光存储介质③ 光盘伺服系统 ④ 精密机械与光盘结构 ⑤ 存储介质工艺光盘存储技术精密机械材料 化学电子信号处理2.1.2.5光盘存储器的主要技术指标 b) 数据传输率：单位时间内通过光盘上某点的数据位数a) 存储容量：表征光盘存储系统有效性的重要指标之一。用光 盘上所存储的数据位的总和来表现。n=η A d γτb =η ?VLdη/d ――为信道位密度；VL ――为信道的线速度。 c) 信噪比：表征光盘存储系统的可靠性指标。 信噪比至少应大于20dB，典型值如下： LD 亮度S/N=40dB； 色度S/N=30dB；伴音S/N=60dB。 激光唱片 S/N=90dB 数据光盘 S/N&60dBη――读数光斑直径在正常读数时所覆盖的数据位的数目。 A――光盘面的有效记录面积； d――读数光斑直径； γ――信道间距。 提高存储容量的方法： 1 采用更小的记录方法；d=0.6λ/NA，减小λ或增大NA。 2 采用更有效的编码方法，增加每个记录标志的编码位数。 3 减小信道间距γ。 4 …2.1.2.6 光盘存储器与磁带存储器比较 a) 磁带存储器按顺序存取数据，光盘实行随机取数； b) 光盘对周围环境条件要求不高，磁带维护烦琐； d) 取数时间：从指定的信道上拾取信息的速度。 1 进给电机驱动光头“粗访问”； 2 通过光学头伺服调节，使读数光束准确落在目标信 道上，实现“精细访问”。 c) 光盘存储寿命长，磁带取决于环境温度和湿度； d) 光盘存储密度远比磁带高。 2.1.2.7 光盘存储器与磁盘存储器比较： 光盘存储器优点： a) 非接触读/写方式决定盘片无磨损、划伤，易于盘片更换； b) 存储密度高； c) 存储寿命长：10年以上，而磁存储为2~3年； d) 信息载噪比高； e) 信息位价格低。 光盘存储器缺点：其平均存取时间要比磁存储慢一个量级。52.22.2.1 激光的概念激光源激光的发展史从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条道路：一是自然界业 已存在，当人们自觉或不自觉地发现以后再产生理论，并加以证明和利用， 如万有引力、氧气、电磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少 地球上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预测，然后再 通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、核聚变等，这种情况称为 “科学发明”。而后者则更 有科学理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于 后者。激光：基于受激发射放大原理而产生的一种相干光辐射。LASER LASERLight Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大”? 激光 是20 世纪 的四 项重 大的 发明 之一1917年，著名的物理学家爱因斯坦在《关于辐射的量子力学? 一文中研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收 和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程，即存在激 光的可能性;1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，标志 了激光技术的诞生。 美国休斯公司实验室梅曼演示的。 波长为694.3nm的激光C.H.Townes A.M.ProkhorovThe Nobel Prize in Physics 1964N.G.Basov汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反 转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几 乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原 理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。2.2.2 1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。 中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。 1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统－－ －神光装置，在中国科学院上海光学精密机械 研究所研制成功。 神光I、神光II、神光III激光的特点：一束激光射到~38万km的月 球上，光斑的直径只有~2km1 方向性好 （发散角～10 -4弧度）手电筒的光射到~m处， 扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使 长为2.5km的隧道掘进偏 差不超过16nm.62单色性好3 能量集中―― 脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高单色性最好的氪灯Kr86 Δλ=4.7×10-3 nm 稳频He―Ne激光器Δλ = 10?9 nm激光在屏上形成的小光斑，有极大的 照度 太阳表面的亮度比白炽灯大 几百倍。普通的激光器的输出亮 度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 激光是当今世界上高亮度的光源。激光的 单色性比普通光高 10 10 倍.激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度 集中，同时在时间上也可 高度集中，因而可以在一 瞬间产生出巨大的光热。4 相干性好时间相干性好（Δλ～10 - 8埃），相干长度可达几十公里。 空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。在工业上， 激光打孔、切割和焊接。医 学上视网膜凝结和进行外科手术。在测 绘方面，可以进行地球到月球之间距离 的测量和卫星大地测量。在军事领域， 可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器2.2.3激光器的分类按工作物质分 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） LL 按工作方式分 连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W ）2.2.4激光的应用1. 工业应用 精密测量(距离、位移) 激光加工(切割、焊接、打孔、雕刻) 激光钻孔机 JJ--200型 Nd:YAG激光打孔焊接机 适用于各种材料的打孔，金银首饰 的焊接及微型继电器与电容器的气 密性封装。该机能使用在生产线 上，长时间稳定地运转。该机符合 国际安全标准。其光路设计为全封 闭型，并带有冷却水温、水流保护 装置及冷却水过滤装置。波长范围：极紫外──可见光──亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）激光钻孔机72. 医学应用 眼科 普通外科 牙科 皮肤科3. 军事应用 激光武器 激光测距 激光侦察 大气激光通信 激光制导激光之所以能成为杀伤武器，是因为它主要有以下破坏效应： 一是烧蚀效应，高能激光光束照射到目标时，部分能量被目标材料 吸收转化为热能，使其汽化、熔化、穿孔、断裂，甚至产生爆炸； 二是激波效应，当目标材料被激光照射汽化后，在极短时间内对靶 材产生反冲作用，于是在靶材中产生压缩波，使材料产生应力应变 并在表层发生层裂，裂片飞出具有杀伤破坏作用； 三是辐射效应，目标材料因激光照射汽化，会形成等离子体云，能 辐射紫外线、X光射线，使目标内部的电子元件损伤。 色素去除，皮质切除 输出：1w-30w 用于切除等手术 输出：1w-30w 用于五官科的治疗 输出：1w-15 w? 激光枪? 舰载激光武器? 机载激光武器4. 通信领域的应用 （1）空间激光通信（2）光纤通信 光纤的优越性： ? ? ? ? 光纤通信用光源： 宽带 不受电磁干扰 重量轻 低损耗短距离通信用0.85um； 长距离通信用1.31um，1.55um85. 日常应用 激光打印机 激光防伪 电脑光驱 激光霓虹灯 条形码扫描器 光存储 -- CD/VCD2.2.6为光存储选择激光光源时应考虑的因素：① 激光器的外形尺寸要小。通常，可供光盘驱动器使用的激光器 只有几百微米长； ② 价格低廉。用于CD的激光二极管价格很便宜； ③ 应能调制激光束的光强和光脉冲宽度。通常脉冲频率可达GHz 量级； ④ 效率要高。激光二极管的效率约为10%； ⑤ 电特性要好。要求光输出强度与电流大小成线性关系，在低电2.2.5为什么选择激光作为光存储中的写/读光源：压(1~2V)下能工作，不需要特殊要求的电源； ⑥ 光波波长要短。目前使用的AlGaAs激光器工作波长为 780nm，GaAs激光器工作波长为840nm，目前已更短波长 的半导体激光器；由于激光单色性好、相干性好，可以聚焦成为直径 约1μm的极小光点，能量高度集中，从而成为唯一 可被选中的光盘存储器光源。⑦ 功率应适当。一般半导体激光器的功率在3~35mW，用于写 入的激光器功率约为20~30mW，用于读出的激光器的功率只 有3~5mW； ⑧ 光束的准直性应较好。半导体激光器激光器不太准直，光束 断面呈椭圆形； ⑨ 适宜的像散。若有像散现象出现，则需要几微米移位，光束 质量便变差； ⑩ 噪声要小。半导体激光器噪声较大，气体激光器噪声较小； 11 耐用性要好。若激光器耐电流冲击的能力差，则在电流冲击 下瞬时(1μs)便招致损毁，故对电源的设计与调整要细心。正 常寿命为105 小时，高温下(60?C)下寿命减少到只有额定值的 10%。2.2.7 光存储用激光器的种类和特点 光记录使用的激光器有气体激光器和半导体激光器两类。 气体激光器主要有He-Ne激光器、氩离子激光器等。这类激光器 的主要优点是输出功率大、光束稳定性好、波长较短等等。但 其不能直接调制，体积、重量大，难以满足光盘系统小型化要 求。半导体激光器具有体积小、重量轻、 可直接调制、寿命长等优点，故成 为光盘系统的主要光源。但其仍存 在一些缺点： a) 输出激光波长较长，对存储容量有 所限制； b) 光 束 发 散 ， 断 面 纵 横 比 为 3:1 的 椭 圆，故需准直和校正； c) 有像散现象(由透镜聚焦时，光束的 纵横两个方向形成的焦点距离不一 致现象)。 随着半导体激光技术的进步，这些 不足将逐步得到改善。2.2.8 读/写功率 写入信息时的激光功率取决于数据速率、光盘旋转速率和光 头臂移动速率。若数据率高、转速快且光头移动快时，显然采 用大功率激光器就能缩短写入一位信息所需时间。 读出时功率必须小于记录功率的阈值，以免破坏原已写入的 信息。 一般写入信息时所需激光器输出功率为十几毫瓦，读出时为 几毫瓦。其具体虽不同类型的光盘而变化。92.32.2.9 光存储用激光器的发展动态和趋势 为了提高存储密度，人们不断开发短波长激光器。波长越短， 则可选用的存储介质的范围越广，可较容易地获得极小的光点直 径，从而提高存储密度。 近几年文献报导，已研制出短波长的绿光、蓝绿光、蓝光半导 体激光器，而且已研制出半导体激光阵列，这些技术必将进一步 提高光盘系统的数据传输率。 目前正在发展一种新技术，既不用附加的光探测器，直接由激 光器本身来探测反射的光信息。光学读/写头和光学系统2.3.1 光学读/写头和光学系统 用聚焦成微米级的光点，以非接触式的方式记录/读出光盘的信 息，一般由激光器、光学系统（含物镜）和探测器构成的结构叫 光学读写头，常简称光学头或光头。 2.3.2 光学头的功能、组成和类型 功能：把激光器发出的光束聚焦到光盘上，以便记录或擦去信 息，根据从光盘上反射的光读出存储的信息。在微米级区域，为 了能正确地记录和读出信息，光学头必须根据光点的位置，进行 跟踪、伺服、检测并校正光头的定位误差。光学头 的构成光学头的类型： a) 按光盘的类型：只读型、只写一次型、可擦性和可直接重写型 光学头； b) 按形状分为：整体型、分离型（物镜与其余光学系统分离最低限度元 件必须有激 光光源、聚 焦透镜和光 检测器实现读写 功能移动光点的 驱动机构1/4波片和 偏振分束镜衍射光栅圆柱透镜的 像散现象、 偏心辅助光 束法、刀刃 法、临界角 法实现光学 头的自动 聚焦伺服开）； c) 按光束的数量分：单光束光学头、三光束光学头、多光束光学 头； d) 按对物镜的控制维数分：二维移动光学头、三维移动光学头； e) 正在发展中的：全息光学头、光纤光学头。使光点聚 焦到光盘 的信息面 上并跟踪 信道把反射较强的光 盘（如凹坑型光 盘）光学系统中 地写入和读出光 束分离开来利用衍射光栅 产生三光束或 者多光束，以 实现光学头跟 踪信道的准确、 稳定、迅速2.3.3 光学头物镜 光学头是光盘系统的关键部件，物镜又是光学头的关键性光学元件。 物镜的作用：把从激光器输出的光束会聚起来，形成高质量的衍 射聚焦光斑于光盘的记录层敏层上，实现写入信息。读出时，收集 盘面反射光束，以便于信息检测。 物镜主要参数：a.数值孔径NA；b.物镜的衍射光斑直径； c.焦深，即焦点深度。 由光学衍射理论有衍射光斑直径d:若光斑为爱里圆斑，则沿径向强度降低为最大值的1/2时对应的 k=0.52，故：d = 0.52焦深由下式给出：λNA& d = 0.5λNA=λ2 NAΔZ =λ2( NA) 2光点直径减小对记录密度有利 聚焦伺服变得更困难 优化选择NAd =kλNANA增加相应景深缩短102.3.4 光学头的光学系统 光学头的功能是通过其光学系统来实现的，光学头的光学系统 （包括物镜）是衍射受限的，故需充分校正波像差。因为存在像 差会降低信噪比，同时引起的跟踪误差会减弱读出信号。 光学系统是由聚焦和跟踪伺服系统驱动的，故希望光学头的光 绪系统尽量小型集成化。 对光学系统要求非常严格：如 透镜的半径和角度偏离标定值时，会影响像点上的光强分布； 透镜表面偏离球形时，会导致像散现象。 但光学系统完全消除像差是不可能的，故必须判明可允许的剩 余像差的最大限度，并对光学系统进行优化设计。2.3.5 光学头的发展动向 ① 简单化与小型化：力求用单个非球面透镜代替复杂的聚焦透 镜，准直、整形结构简化，以减轻光学头可动部分的重量，提 高存取速率。 ② 集成化：研制使激光器、光学元件和探测器全部集成到一块芯 片上的集成光头。 ③ 兼用型与复合型多功能方向：兼用型如只读式与只写一次式、 只写一次式与可擦式光盘兼用。复合型能用一个光学头同时适 用多种类型的光盘。 ④ 分离型：将物镜与其他光学元件分离开来，从而实现高速存取 的要求。⑤ 研制短波长激光器：以实现高密度纪录。现已研制出绿光、 蓝绿光、蓝光半导体激光器。 ⑥ 全息光学头：用高质量的全息光学元件实现普通元件组的功 能，简化光学头。如借助于全息元件技术和集成光路技术， 可以由一个全息元件实现检偏、聚焦误差信号监测和光道误 差监测功能。 ⑦ 光纤光学头：用光纤一端连接微透镜，另一端接集成化光学 元件，则寻道时只需要移动微透镜即可，而微透镜并不比磁 头重，因而其取数时间完全能与磁记录相竞争，甚至超过磁 记录。 光纤光学头无疑是最先进的光学头，国内外科学家们正在实验 室刻苦攻关，光纤光学头的成功实现可改变光记录与磁记录在 平均存取时间上相竞争的劣势地位，从而主导记录领域。 例如：新泽西贝尔实验室已研制出能使光束在末端修饰成锥形 的镀铅光纤传输，实现了激光束压缩，其衍射光斑直径可降至 50nm，为蓝绿光波长的1/10，这种飞行式光纤光学头正值探索 之中。11§1光学简介第三章 光学基础理论光学是一门古老而又年轻的科学，其悠久的 历史几乎和人类文明史一样久远，是激光的 诞生，全息术、波导的发展进一步推动了光 学的进程，使光学的应用研究在许多方面达 到了全新的阶段，开辟了全新的领域。光存 储技术便是其光辉史篇中的一页，本章便主 要介绍应用于光存储领域的光学基础理论。光学是一门研究光现象的学科，包括光的本性、光的传播以及 光与物质相互作用的规律及应用等。 光具有波粒二象性。 从波动观点来看，光是一种电磁波，属于横波，具有偏振特性。 光波可以按照波长（由短至长）排列成谱： γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波 其中可见光波长：390nm-----------------------760nm 紫、蓝、青、绿、黄、橙、红 光盘存储器所用的半导体激光器： AlGaAs工作波长为780nm， GaAs工作波长为840nm，均属于红外波段。光学理论的划分光的直线传播定律 几何光学 光的独立传播定律 折射反射定律 光的干涉和衍射费马定律的 必然结果§2象差理论一、象差1. 完善成像：当轴上或者近轴的发光点用单色的元光束成像 时，形成完善的象。 研究近轴区域内物象关系的光学称近轴光学称近轴光学或高 斯光学。 2.象差：实际光路成象与近轴成像（完善成象）的偏离。 3.光学系统的欠缺与光学系统象差的区别： 光学系统象差指实际光路成象鱼近轴成象的偏离。 光学系统的欠缺是指：组成实际光学系统的折射棉、反射面 不够完善，介质折射率不够均匀及各曲面的曲率中心不严格 在同一直线。光学波动光学光的偏振 光与物质的相互作用量子光学 现代光学4. 象差分类： 单色象差：单色光成象时的象差。可以分为： 球差、慧差、象散、场曲和畸变五种。 象差 色差：复色光成象时，由于介质折射率与光的 颜色（波长）有关引起的象差。分为位置色差 和放大率色差两种。二、单色象差分类：球差、慧差、象散、场曲和畸变。 球差 慧差 象散 场曲 畸变 由轴上物点和傍轴物点用宽光束成像时 所表现出的象差 由远轴物点用大倾斜度的窄光束成像时 所表现出的象差都是由于光线和主轴间的 光盘系统光源为高单色性的激光源，因此主要为单色象差。 夹角较大而使得傍轴条件 不能满足引起象差的精确值 可以通过其定 义利用光线追 逐法求得1下面以薄透镜为例对五种单色象差进行简单介绍1、球差：轴上物体发出的光束经薄透镜后不再交于一点的现象。 以凸透镜为例。设傍轴光线成象点（高斯象点）为P’，非傍轴光 线与主轴的焦点为p’’。若用一垂直于光轴的屏在p’’点接收处设光 束，得到的是一圆形弥散光斑。 球差的大小一般用P’到p’’点的轴向距离，即s’与s’’的差值来度 量，称其为轴向球差。 会聚透镜的轴向球差大于0，发散透镜的轴向球差小于0。 会聚透镜和发散透镜的球差符号相反，故其组合在一定程度上 可校正轴向球差。 研究表明，对于单透镜，在给定材料、孔径和焦距的情况下， 可以选择不同形状（不同曲率半径值）而使轴向球差达到最小。 这种减小轴向球差的方法称为配曲法。 实验表明：当平行光入射时，同一块平凸透镜的凸面迎着入射 光线时比平面迎着入射光线时球差要小得多，这成为实际设计的 经验指导。2、慧差：傍轴物点发出的宽光束经透镜后不再交于一点，而在 高斯面上形成彗星状弥散斑的现象。 轴上物点射在透镜上不同半径的环带上的光经透镜后在高斯像 平面上形成一个个环带，但这些环带不是同心的，与透镜半径 越大的环带相应的象平面环带半径越大，其中新距离高斯像点 也越远。 透镜上半径较大 的一个环 底部的圆具体表 示了该环上各点 相应的成象为 止，象平面上各 点的叠加形成慧 差 球差和慧差往往混在一起，只有轴上的污点的球差消除以后才 能观测到傍轴物点的慧差。 利用物像间的等光程性可证：在轴上物点的球差被消除的条件 下，傍轴物点以宽光束成像的条件是阿贝正弦条件： nYsinu=n’Y’sinu’， 满足阿贝正弦条件的一对共轭点即能消除慧差。 单个透镜对于一定位置的物象成象时，其慧差的大小与透镜的 形状和孔阑位置有关。对于给定的孔阑可以通过配曲法使慧差消 除，也可以通过与其他透镜组合消除慧差。3、象散：远轴物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点的现象。 子午平面：含轴外物点与主轴的平面。 弧矢平面：含主光线且与子午平面正交的平面。 子午光线：子午面内的光线。 设物平面位于无穷远处，大倾角入射的窄平行光束经透镜后， 子午光束的焦点和弧矢光束的焦点位于主光线的不同位置，子 午焦点处得到是一垂直于子午平面的短线，称为子午焦线，弧 矢焦点处得到的是一垂直弧矢平面的短线，称为弧矢焦线。在 其他位置上出射光束在垂直于主轴的平面上的截面呈现为椭圆 弥散斑，在子午焦线和弧矢焦线间的某一位置为圆弥散斑，认 为是光束焦线最清晰的地方，此圆弥散斑称为最小模糊圆。 象散的大小用子午焦线和弧矢焦 线投影到主轴上的间距表示24、场曲：当物点到光轴的距离变化时，子午焦线和弧矢焦线与 主轴的距离亦随之变化，因而同一物平面相应有两个弯曲的象 面，这种象面的弯曲称为象场弯曲，简称场曲。5、畸变：物体发出的光线与主轴有较大的倾角时，即使是窄光 束，所成的象与原物体也不再相似的现象称畸变。分别代表子午相面、 最小模糊圆轨迹和弧 矢像面 畸变并不破坏光束的同心性，但其横向放大率在整个视场内 不恒定，从而破坏了平面象与平面物之间的几何相似性。 为校正象散和场 曲，常需引入复杂 的透镜组合系统 畸变有整形畸变和桶形畸变两类。一般来说，畸变的大小随 孔阑的位置而异，若光学系统在孔阑两侧的结构对称，则能消 除畸变，因此对消除畸变要求严格的光学系统往往采用对称或 准对称形式。§3光的偏振④ 自然光：电矢量对光的传播方向呈对称而又均匀的分布。可 用任何两个振幅相等的非相干的正交线偏振光束来表示自然 光（非相干波是指向对位相差作迅速而又无规则变化的波）。 ⑤ 部分偏振光：介于线偏振光和自然光之间，其电矢量在某一 确定方位最强，称为部分偏振光。 描述的方法是把它看成是一定比例的自然 光和偏振光的叠加结果，常以偏振度： P=IP/(IP+IN)来描述。IP-偏振光强度，IN-自 然光强度。 a) IN=0，P=1，为线偏振光； b) IP=0，P=1，为自然光； c) 其余0&P&1，为部分偏振光。光是电磁波，其振动方向对于传播方向具有不对称性，即偏 振特性。 具有偏振特性的波必为横波，常以电场强度矢量的振动来标 志光振动的特性。一、基本概念① 直线偏振光：振动面不随时间改变的偏振光称为直线偏振 光，也叫平面偏振光。 ② 椭圆偏振光：光矢量的末端延一椭圆形螺旋转动的光，其在 垂轴平面内的投影为一椭圆，确切地应该叫螺旋椭圆偏振光。 ③ 圆偏振光：为椭圆偏振光的特例，即在垂轴平面内的投影为 圆的偏振光。二、偏振光的描述1.直线偏振光： 设单个偶极子在X-Y平面内振动，光波沿Z轴传播，则电场波 在某点处为：2.椭圆偏振光： 在两个相互垂直的振动面内的两个直线偏振光的电场用下式 表示为：E X = AX cos(τ ? δ ) EY = AY cos(τ ? δ )E X = AX cos(ωt ? Kz + δ ) = AX cos(ωt + δ ) EY = AY cos(ωt ? Kz + δ ) = AY cos(ωt + δ ) EZ = 0δ代表初相位，设振动面与X轴夹角为θ，则 tg θ = EY/EX = AY/AX = 常数 这种振动面不随时间变化的偏振光称为直线偏振光（或平面偏 振光）。 讨论：合成矢量端点轨迹由下式表示(E X 2 EY 2 E E ) + ( ) ? 2 X Y cos δ = sin 2 δ AX AY AX AY① δ=kπ，k 为整数，为线偏振光。 ② 更为一般的情形，为椭圆偏振光。33.圆偏振光： 为椭圆偏振光的特例： 当AX=AY，δ=[(2k+1)/2]π时， 合成为三、偏振光的强度1.偏振片：偏振片是一种允许横向分量为某一固定方向的偏振 光通过的器件，使透过它的光线只在一个方向上振动。透过 的方向称为偏振光的透光轴。 2.马吕斯定律：设自然光经过两偏振片，且两偏振片的夹角为 θ，则 A0 =A cos θ，I0=(A0)2=A2cos2 θ 上式即马吕斯定律。E E E E ( X )2 + ( Y )2 = ( X )2 + ( Y )2 = 1 AX AY AX AX即为圆偏振光。 两个旋转方向相反而振幅相等 的圆偏振光能合成为一个直线 偏振光。四、偏振光的检验起偏器：偏振片用于使自然光变成偏振光时称为起偏器。 检偏器：用于检验某光束是否为直线偏振光的器件。 起、检偏器可以是同一偏振片，因用处不同而又不同的称法。 利用偏振片可以检验自然光、部分振光和线偏振光。§4偏振光的产生2. 折射产生光的偏振 当自然光以偏振角入射到一玻璃堆上时，随着玻璃层数的增加， 折射光的偏振化程度越来越高，最后可以得到偏振化方向平行于 入射面的线偏振光，但不是完全的线偏振光。 3. 偏振分光镜原理 偏振分光镜常以P.B.S.(Polarized Beam Splitter)表示。 偏振分光镜利用多次折射产生偏振光，原 理如图所示，当单色平行的自然光束垂直 入射到棱镜的一个表面时，它能使透射光 束称为直线偏振光，振动方向在棱镜的主 截面内；反射光曙也是直线偏振光，其振 动方向垂直于棱镜的主截面。一、反射折射产生偏振光① 如下左图为一般情形； ② 布儒斯特定律：当反射光与折射光线相垂直时，反射光发生 全偏振，得到垂直于入射面振动的线偏振光，如下右图所示。 注：布儒斯特定律对导体不适用。普通分光镜工作过程：使入射光一半 反射，一半透射。而由被测反射镜反 射的光，再经分光镜反射，最终只有 总光强的1/4到达接收器，易见损失 25%。 偏振分光镜工作过程：偏振光入射至 偏振分光镜，由于平行主截面的振动 全部投过，故分光镜反射损失为0， 当它入射到被测反射镜并反射回分光 镜时，在光路中加一块1/4波片，它 是两次经过该1/4波片的光振动方向 改变90度，使原来在主截面的振动变 为垂直主截面振动的光，恰恰成为被 反射的光振动方向，即能使光百分之 百的反射至光电探测器。二、双折射产生偏振光1.双折射定义：当一束单色光射入（各向异性介质）时，某些 晶体能使入射光线分解为两条折射光线的现象，称为双折射。 其中一条折射线遵循折射定率，称为寻常光（o光）；另一条 不遵循折射定律，称为非常光（e光）。 2.物理特性： 表现为：o光的传播规律与普通各向同性介质一样，沿各方向 上传播速度为vo，而e光沿各方向的传播速度ve不同。43.o、e光折射率定义： ① 常规折射率定义：真空中的光速c与媒质中的光速v之比称为 该媒质的折射率n，即n=c/v; ② o光折射率（即o 光在晶体中的折射率）：no=c/ ③ e光折射率：因其不服从普通的折射率定义，不能用一个折射 率来反映其折射定律。但定义真空光速c与e光沿垂直于光轴 传播时的速度ve之比即： ne=c/ ④ ne、no合称晶体的主折射率； ⑤ 可利用晶体的双折射效应吸收o光或者e光而产生偏振光。 常见的利用双折射效应的偏振棱镜有：尼科尔棱镜、洛匈棱 镜、渥拉斯顿棱镜等。三、利用二向色性产生偏振光二向色性：物质对两条相互垂直振动的偏振光具有选择吸收 的特性，称为二向色性或者二色性。 显见，利用二向色性可产生偏振光。§5波片产生光的偏振态2.波片产生的相位差 当光线垂直入射至波片（因而垂直于光轴），则进行晶体内 部分解为o、e光。 o光振动方向垂直于光轴， e光振动方向平 行于光轴。o光因遵守折射定律而在波片内仍沿入射方向传 播，e光虽不遵循折射定律，但因光纤既垂直于晶体表面，又 垂直于晶体光轴入射，所以在晶体内也不发生偏折，仍沿入 射方向传播。 o、e光频率相同，进入波片后频率仍不变，设在真空中的波 长为λ，在垂直于光轴方向， o、e光频率以none表征，则通 过厚度为l 的波片后，光程差为?=l| no-ne | 3.波片的作用 使透过它的振动方向互相垂直的两束光彼此之间产生?=l| none |的位相差一、波片1.波片的定义 光轴：入射光进入晶体内沿某一特殊方向行进时，两条折射 光束完全重合而不出现双折射现象的方向称为光轴方向，即 光轴。 单轴晶体：只有一个光轴方向的晶体。 波片：从单轴晶体上平行于光轴切下的薄片。 显见：当光线平行于光轴入射时，不发生双折射现象。二、波片的分类1.全波片：透射的o、e光的光程差为波长或其整数倍的波片。 即：?=l| no-ne |=kλ，k=1,2,3… 故波片厚度为： l= kλ | no-ne | 2. 半波片：透射的o、e光的光程差为半波长或其奇数倍的波片。 波片厚度为： l= (2k-1)λ/(2| no-ne |), ，k=1,2,3… 3. 1/4波片：透射的o、e光的光程差为1/4波长或其奇数倍的波片。 波片厚度为： l= (2k-1)λ/(4| no-ne |), ，k=1,2,3… 注意： 由于晶体有较强的色散，所以应用薄的波片比厚的波片好。 波片必须明确使用光源的波长，因为波片的厚度由波长决定。三、波片的作用总结a) 线偏振光垂直入射到全波片后其偏振特性不变； b) 线偏振光垂直入射到半波片后旋转2a角度，a角度可调； c) 线偏振光垂直入射到1/4波片后改变偏振状态，一般为椭圆偏振光。 当入射偏振方向与波片夹角为45度时，为圆偏振光； d) 圆偏振光垂直入射到1/4波片后可以改变状态为线偏振光。四、线、圆偏振光的合成与分解总结a) 两个振动方向正交的位相差为90度的等幅线偏振光可以合成为圆偏 振光； b) 圆偏振光可分解为两个振动方向正交的位相差为90度的线偏振光； c) 两个旋转方向相反而振幅相等的圆偏振光能合成为一直线偏振光； d) 一直线偏振光可以分解为两个旋转方向相反的振幅相等的圆偏振光。5五、如何正确使用波片利用波片可以改变偏振光的方向或者偏振态，但须注意a) 入射到波片的光应该是偏振光，而不是自然光； b) 正确放置波片光轴与入射光振动方向间的夹角，才能得到需要的偏 振态； c) 波片必须与光源的波长相匹配。§6旋光现象一、旋光现象1.旋光现象的定义： 当线偏振光通过某些透明物质以后，其振动面将以光的传播 方向为轴旋转一定角度的现象。 2.旋光物质： 凡能使线偏振光振动面发生旋转的物质称为旋光物质，或称 该物质具有旋光性。 3.旋光度：振动面旋转的角度。 4.数学描述：单色线偏振光通过旋光物质时，光矢量转过的角 度θ与通过该物质的距离l成正比，即θ=a . l，a为单位长度 上光矢量旋转角度，即为旋光系数或者旋光本领。 5.旋光物质有左右旋之分。六、用单模光纤制成波片一根理想的圆对称单模光纤，光在其中的传播速度和 偏振方向无关，即是各向同性介质。 但是理想光纤是不存在的，实际上光纤具有椭圆芯结 构，光线与单轴晶体一样具有双折射性，利用此特性 可制成1/2、1/4波片，使光的偏振方向或者状态改变。二、旋光晶片于半波片的区别1.相同点：均能使线偏振光振动面发生旋转。 2.不同点： 取向不同：半波片的光轴平行于晶面，而旋光晶体的光轴垂 直于晶面，光在旋光晶体内沿光轴方向传播； ① 半波片只对某一确定的波长时期初涉光才能仍是直线偏振 光，而旋光晶片对于任何波长的出射光均为线偏振光，只是 转过的角度不同而已。§7克尔效应一、克尔效应1.克尔效应：直线偏振光从强的磁极反射时，其偏振面发生旋 转的现象，相对于磁化的上下方向其偏振面有左右旋之分， 故由反射光的偏振面能反映出磁极的磁化方向（如磁光盘的 记录信息）。 2.当光的传播方向与磁化方向一致时，效应最大。 二、法拉第效应 1.法拉第效应：直线偏振光从强的磁极透视时，其偏振面发生 旋转的现象。 2.数学描述：直线偏振光的旋转方向只与磁场方向有关，旋转 角θ与透明物质的厚度L及磁场强度H的大小关系如下：三、用途在只需要把线偏振光的转动面转过一定角度时，通常采用旋 光晶片比采用半波片更为优越。θ = VHL§82.数学描述：直线偏振光的旋转方向只与磁场方向有关，旋转 角θ与透明物质的厚度L及磁场强度H的大小关系如下：光栅1.光栅： 广义地说，凡对入射光的振幅或者相位做周期性空间 调制的任何装置均可称为光栅。 按照对入射光振幅或者相位调制，可分为振幅光栅和相位光 栅。 按工作方式又可分为透射光栅和反射光栅。 按其结构可以分为平面光栅和立体三维光栅。 2.光栅方程 平行光正入射与光栅，主极大的位置由下式决定： 三、说明 鉴于磁光盘采用了方便的反射式结构，故读出原理常利用克 尔效应。 d sinθ = m λ m为正整数 缝距d常称为光栅常数，第m极主极大称为光栅的第m极谱线。 因此正入射时光栅的各级谱线以轴上点为中心在两侧对称排 列。θ = VHLV―比例常数，也称Verdet常数，取决于物质种类、光的波 长和温度。 3.当光的传播方向与磁化方向一致时，效应最大。6当平行光斜入射时，对于下图的两种衍射方向来说，缝间的光 程差分别为： 3.光栅在光盘系统中的应用简介：Δ=d ( sin i ± sinθ)正负号分别对应衍射线与入射线位于光栅面法线的同侧和异侧 两种情形。 则主极大由下式给出： d ( sin i ± sinθ) = mλ m为正整数------光栅方程。光盘系统中常利用光栅的0级谱线读取信号， ±1级谱线的成 像光斑作为辅助光斑，又叫跟踪光斑。 由于光线是垂直入射至光栅的，因此i = 0，由光栅方程： ① 零级谱线：m = 0，故θ = i = 0； ② ±1级谱线：m = ±1，故sinθ = ± λ/d ； ③ 通过焦距为f的物镜以后，在光盘上聚焦为0级和±1级光斑， 则它们相距为：Δζ=|sinθ|.f = fλ/d注意：当m = 0时，θ=±i，这表示 零级谱线总是光源的几何光 学像。其余的±1级、±2级强度依次减弱，相对于零级谱线成 中心对称分布。Δζ一般为20um， ±1级光斑呈对称分布，以利于精确的轨道跟踪。§9全息术二、全息术的基本原理 设（x，y）为全息片H上的坐标，记录过程中物光与参照光在H 平面的复振幅分布可分别表示为：由于激光技术、全息术的发展，已使得全息光学元件在光学 读写头中得到了广泛的应用，尤其对推进集成化光学头的发 展将起到重要的作用。 一、全息术 1.普通照相术：普通照相术仅记录光场强度，而失去相位信息。 2.全息术：1948年伽伯提出一种全新的思想，利用干涉的方法 实现了光场振幅和相位同时记录，这种技术即全息术。 3.区别：普通照相术使图像再现为二维平面，全息术使图像再 现为三维立体图像，并具有独特的可碎性（碎片的像仍然完 整）。~ E0 ( x, y ) = A0 ( x, y )ei?0 ( x , y ) ~ ER ( x, y ) = AR ( x, y )ei? R ( x , y )则全息片H上的 光强分布为：~ ~ 2 ~ 2 ~ 2 ~ ~ * ~ *~ I ( x , y ) = E0 + E R = E0 + E R + E0 E R + E0 E R即：2 2 I ( x, y ) = A02 + AR + 2 A02 AR cos(?O ? ? R )上式的第三项以干涉条纹的形式将物波位相通过与参考未向的差值记录下来。 若使用与记录是同波长的相干光照明全息照片时，即可实现原物全息再现。§10一、光纤光纤技术简介二、理论计算（折射率的选取） 如图，设单箭头表示临界光线，它在光纤的内外层分界线上 的入射角等于临界角A。若在折射率为n0的媒质中入射角大于 i0的那些光线（双箭头），则在n1、n2分界面上的入射角就小 于A而被透射出光纤，只有在媒质n0中其顶角为2i0的椎体内的 光线才能在光纤中传播，由临界角的定义：sin A=n2/n1和折射 率 n0sini0= n1sini1 得出 n0sini0= n1sin（π/2-A）=n1cosA=n1(1-sin2A)1/2=(n12-n22)1/2 对于一定的n0 、 n1 、 n2 ， i0 值固定，即光纤所能容许传播的光 纤所占的范围是一定的。 为了使更大范围的光束能在光纤中 传播，应选n1、n2差值较大的材料。 通常令NA=n0sini0，称为光纤的数值孔径。1.光纤：利用全反射规律使光沿着弯曲途径传播的光学元件。 2.特点：光线经过多次全反射可沿着光纤从一端传播到另一 端，如图所示。它为光学窥视和光通信的实现创造了条件。 3.优点：抗电磁干扰性强，频带宽，保密性好，通讯容量大， 设备重量轻等。 4.保偏光纤：穿输过程中保持入射光的偏振特性的光纤，可用 于磁光盘系统的偏振特性传输，现正在探索保偏光纤光学头。78第一节 光学隔离器第三章光盘系统光学单元技术一、光学隔离器的引入众所周知，激光器发出的激光若再沿原路返回激光管的话， 必将导致激光强度与频率的不稳定，引入光学隔离器即可解 决该问题。光盘系统的重要单元技术：光盘、半导体激光 器、光学读写头已在第一章中进行了详细介 绍，本章主要针对光盘系统光学头的光学系统 单元技术（简称光学单元技术）：光学隔离器、 棱镜扩束系统、激光束的准直和整形、光探测 器以及伺服系统：聚焦伺服、径向、切向跟踪 伺服进行详细分析。半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器 等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离 器阻止反射光。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而 在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射 的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光隔离器对 回波隔离（阻挡）能力。光隔离器是一种非常有用的器件， 通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源，泵浦源 以及其他发光器件造成的干扰和损害。包括偏振无关型在线 式光隔离器和偏振相关小型化光隔离器。光隔离器的工作原理 光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第 在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该 物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向 传输的偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L 的乘积成比例。光隔离器的工作原理如图1所示。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟 旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好 使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出 检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度， 从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射 光的传输。 法拉弟磁介质在1μm～2μm波长范围内通常采用光损耗低的 钇铁石榴石(YIG)单晶。新型尾纤输入输出的光隔离器有相当好 的性能，最低插入损耗约0.5dB、隔离度达35～60dB，最高可达 70dB。光隔离器的作用 防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统 产生的不良影响。例如，在半导体激光源和光传输系统之间安装一个光隔离器，可以在很大程度 上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。 在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，后向传输光会产生附加噪声，使 系统的性能劣化，这也需要光隔离器来消除。 在光纤放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大器的工作 稳定性，如果没有它，后向反射光将进入信号源（激光器）中，引起信号源的剧 烈波动。 在相干光长距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少 受激布里渊散射引起的功率损失。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精 密光学测量系统中具有重要的作用。1二、光学隔离器原理分析光隔离器的特点 光隔离器的特点是高隔离度、低插损；高可靠性、高稳定性；极低 的偏振相关损耗和偏振模色散。 光隔离器的类型 光隔离器种类繁多，包括在线式光隔离器，自由空间光隔离器等， 不同规格的光隔离器，用来满足不同应用领域的需求。 50nm偏振无关光隔离器内部设计针对单模光纤中两种 正交的偏振态分别处理的工艺，保证整个器件的偏振无关特性。单 极器件具有较低的插入损耗，双级器件有极高的光隔离度，适合于 不同的应用 场合 ，主要应用 于光 纤放大器 ，光纤激光器，光纤 CATV网以及卫星通讯等。 1. 原理： 如图所示 置1/4波片主轴与线偏振光方向成45度角，则线偏振光变为圆 偏振光； 设其为右旋，经过反射镜M 后再次返回1/4波片，则此时圆偏 振光的旋转方向未变，但是传播方向改变，变为左旋圆偏振 光； 该左旋偏振光经经1/4波片后又变为线偏振光，但与原偏振光 振动方向成90度夹角，从而偏振分光棱镜将挡住所有的返回 光线，使其不能再进入激光器。 也可以这样理解：光线二次通过1/4波片，等效于通过一块半 波片，因光轴与入射光线偏振成45度角，故出射后光线与原 光线偏振方向转过90度角。2. 应用 在激光测长、激光定位、干涉仪中得到广泛应用。 在光盘系统中也得到广泛应用。如凹坑型只读光盘，因光盘 面反射较强，常需要使用光学隔离器，以避免光束返回激光 器。介绍CD光盘与DVD光盘凹坑比较为了提高DVD光盘的记录密度。DVD盘片的凹坑尺寸比CD的尺寸 缩小了很多，其坑长为0.47μm(CD为0.83μm)，坑高为0.1μm， 坑宽为0.3μm，坑与坑的间距为0.74μm(CD为1.6μm)，与CD光 盘信息坑的比较如图所示。日本东北大学开发出了在光盘的记录凹坑中记录多值信息的技术。 现有的CD和DVD一般以凹坑的有无，每个凹坑记录1bit的信息。而 此次开发的技术，精心设计凹坑的形状，使一个凹坑记录多值信息 成为可能。具体做法是将凹坑的形状设计成从记录介质表面呈V字 型向下深挖的沟状，利用沟的方向（方位角）来记录信息。 读取时照射圆偏振光。这样，光线就会在凹坑的V沟上进行二次反 射，转变成椭圆偏振光。此时，因椭圆偏振光的主轴方位角与V沟 方位角之间的关联性，便可读取凹坑中记录的信息。此次通过简单 的实验证明，能够以将180度分割为512（＝29）等分的分辨率来检 测方位角。由此证实能够在1个凹坑内记录9bit的信息。与现有的 CD和DVD相比，可得到9倍的记录密度。另外，由于V沟形状的凹 坑能够通过压模复制，因此适于大量生产。此次的简单实验为在硅晶圆上形成了直径2μm、深1μm、斜面倾 斜角为45度的V字型沟状凹坑列。通过边改变检偏镜的方位角，并 用偏光显微镜进行观察，证实了来自沟状凹坑列的反射光随着沟的 方位角发生了变化。另外，在使用感光纸的实验中，成功地读取了 椭圆偏振光反射光的主轴的方位角，误差为±0.14度。 此次开发的记录及播放方式，只需改进现有CD和DVD的记录凹坑 形状，便可实现多值信息记录。而且只需在检测部追加偏光读取装 置便可读取信息，与以往技术的兼容性较高。另外，由于可使记录 信息反射到椭圆偏振光反射光的主轴方位角上，因此，只要能够检 测到这一反射光，即使是在远处也能读取信息。所以，该技术还可 应用于条码和商品标签等用途。2第二节 棱镜扩束系统棱镜扩束系统主要用于单一方向扩束，而正交方向保持光束 不变。2. 理论计算： 设棱镜折射率为n 由入射角为布儒斯特角，故tgθB=n； 折射角θC=90°―θB=α； 入射光束宽度d1=AB cos θB; 出射光束宽度d2=AB cos θα= dl=AB cos θC; 扩束比：d2/d1=cosθC/sinθB= sinθC/sinθB=tgθB=n 若为K9玻璃则扩束比为n=1.5147.一、单棱镜扩束原理1. 理论：如图所示，设光束以布儒斯特角入射至棱镜第一面， 并要求以垂直光束射出第二面，若入射光束宽度为d1，出射光 束宽度为d2，则光束扩束比为：d2/d1。二、成对扩束器扩束比：由上可见，单棱镜会改变入射光束的方向，若要求 不改变光束的方向，常用成对扩束器实现，如图所示。同理 可推导的扩束比：d3/d1=d3/d2.d2/d1=n.n=n2 侧向位移D：由图可得为D=AB.sin(θB-θC) 计算：以K9玻璃为例，则 扩束比 d3/d1=d3/d2.d2/d1=n.n=n2=1.5， 侧向位移为：D = 0.393 AB第三节 激光束准直和整形光学存储系统中使用的主要是半导体激光器。一、半导体激光器的发光特点半导体激光器发出的激光因纵横两个方向有不同的尺寸限 制，其发散的波阵面在相互垂直的方向上呈现出非对称性输 出方式，即以椭圆光锥形式辐射出来，如图所示。三、多棱镜扩束系统由前面易推出K 个棱镜扩束系统的 扩束比为nK。二、半导体激光束的准直和整形准直：由于半导体激光器发出的光束呈现发散状，为了充分 利用其能量，必须进行准直使其成为平行光束，常用透镜实 现在相互垂直的两个方向上的准直，或用柱面透镜实现单方 向准直，而垂直方向不改变形状。（柱透镜广泛应用于象散 的消除，如消除激光器的固有象散以及象散的产生，并可用 于自动聚焦伺服）。 整形：由于椭圆光束不利于能量的充分利用，常须将椭圆光 束整形为圆形光束，即在单方向（如椭圆的短轴）进行扩束 或者在椭圆的长轴进行压缩，即可实现光束圆形化。 常用单棱镜、双棱镜实现光束的整形。3第四节 光探测器一、光探测器光探测器是一种光敏元件，受到光照射时能产生电动势效 应，称为光生伏打效应，能将光直接转化为电能，也常叫做 光电探测器。 利用光子效应在信号的光传输链路中,光探测器是光接收机的心脏部件,对于强度调制系统, 光探测器把输入的光束的强度变化转换为相应的电流变化;对于外差检测系统, 光探测器把信号光束电场与本振光束电场之积转换为相应的电流,其变化规律 反映信号光的频率变化或相位变化.另外,在光传输链路的监测、探测系统中, 光探测器还广泛用作光强传感器,例如,在激光器组件中包含光探测器,用以实 现发送光功率的自动控制;在光纤放大器中,用光探测器感知输入输出光功率的 大小,以实现放大器的状态控制.光探测器利用光与物质的各种相互作用把光能转换为其他可感知 量的各种器件的总称。 按照所利用的相互作用区分，目前有三大类。光子效应种类很多。应用最广的有三种，即光电导、光生伏打效 应和光电发射效应。前两种统称为内光电效应（见固态光电探测 器），后一种称为外光电效应（见光电效应、光电管和光电倍增 管）。此外尚有光电磁效应、丹培效应、光子牵引效应及定位相互 作用（例如红外量子计数器、荧光屏及照相底片）等。利用热效应简称热探测器。它们基于辐射的加热效应引起的材料温度的变 化及由此引起的材料特性的变化。其特点是灵敏度与波长无 关，即无选择性；大多数响应速度慢，约在毫秒数量级。主要 热效应有辐射热电导效应、热释电效应及温差电效应。其他尚 有热磁效应、能斯脱效应及利用气体热膨胀效应的高莱管和充 气电容微音器等。利用波的相互作用 这类探测器利用入射辐射的电磁场与一个参考辐射的电磁场在光 敏材料中的相互作用。主要有光学外差探测及光学参量效应。 光学外差探测利用一个频率与被测相干辐射的频率相近的参考激 光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射 材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。光学外差探测只受到散 粒噪声的限制，因而探测率比直接探测或零差探测高几个数量级。通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。 但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光 电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、 Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长 于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等； CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。 可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可 见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度 （远大于1电子伏）,可以在室温下工作，因此器件结构比较简单， 一般采用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根 管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全 密封型结构，玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。 10-6～10-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。CdSe光敏电阻的灵 敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ， 它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后，光电流 下降到最大值的 1/e（约为37％）所需的时间为时间常数 τ。也 有按光电流下降到最大值的10％计算τ的;各种光敏电阻的时间 常数差别很大。CdS的时间常数比较大（毫秒量级）。 光探测器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的 大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为4红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。由于它们的 禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自 由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。响应波长越长的 光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在 室温工作（灵敏度略有下降）。 3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏 度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米?瓦-1?赫；②热电致冷 温度下工作(约-60℃),探测度约为109 厘米?瓦 -1?赫;③77K或更低温 度下工作,探测度可达1010厘米?瓦-1?赫以上。 8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保 持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。 红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。 外探测器的时间常数比光敏电阻小得多 PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒， HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级。二、光探测器性能常用光电二极管探测器的光敏波长范围为350~1100nm，符合 半导体激光器的波长范围。 高纯度的磁光器件灵敏度很高，若用10mW的光照射到1cm2面 积上，能感知1nW的能量，其线分辨率可达0.1um，恰好符合 光盘上径向跟踪的要求。三、光束信号检测中心为四象限探测 器，两旁为两个分离 的探测器―以此为例 来说明探测器对聚焦 跟踪信号的检测。落在中心A,B,C,D象限的 是光栅的零级衍射光斑。 ±1级衍射光斑落在两旁 的分离探测器E和F上。0级光斑用于电 信号及离焦信号 的读出，而落在 E,F 上 的 光 斑 大 小之差则给出径 向误差。光盘信号（电信号）由四象限电流之和给出： IS=IA+IB+IC+ID 聚焦误差信号：光学头对信号正确聚焦时，信息面光斑呈圆 形，离焦则为椭圆形。有聚焦误差信号通过电路控制使光学 头实现自动聚焦。即：使椭圆光斑转化为圆光斑，误差信号 由非零转化为0. 0 聚焦信号：If=(IA+IC)-(IB+ID)= &0 &0 正确聚焦 过焦 欠焦径向跟踪误差信号 由落在探测器E,F 上的辅助光斑大小的变化转化为光电流差输 出。电流差为零，则说明扫描光点准确地在信道上扫描，而 当产生的径向偏差超出允许差±0.1um时，则电流差不为零， 即有径向跟踪信号： 轨迹上 内偏 外偏0 跟踪信号：Id=( If C Ie ) = &0 &05第五节 聚焦误差信号检测四、单光束信号检测用单光束的一个衍射光斑和一个四象探测器亦可以同样完成 电信号及聚焦误差检测。 光盘信号:IS=IA+IB+IC+ID 0 聚焦信号：If=(IA+IC)-(IB+ID)= &0 &0 正确聚焦 过焦 欠焦 光盘系统单元信息存储范围为：1um。 衍射光斑的焦深：ΔZ =λ2( NA) 2Δz一般为±1.5至±2.0um左右。 故要求伺服系统能使光点聚焦平面保持离信息存储平面大约 ±1um范围内，而径向、切向位置离信息中心约±0.1um，方 能保证正确地记录、读取信息。 为了精确地写入、读出信息，减少读出时的误码率，必须实 现光点的三维伺服：光盘垂直方向的聚焦伺服（z向）、径向 跟踪伺服（y向）和切向跟踪伺服（时基校正：x向）。 伺服方式可能会因光盘的种类而有所变化，但基本原理不变。跟踪信号：Id=( IA+IB)-(IeCID)一、自动聚焦伺服自动聚焦伺服就是自动移动物镜以确保光盘的记录介质平面 保持在焦深范围内。 由光学衍射理论有衍射光斑直径d: 焦深由下式给出：二、自动聚焦伺服构成由聚焦误差检测部分、伺服放大器、焦点调节部分构成。d =kλλNA三、聚焦误差检测方式分类各类聚焦伺服特征主要 是基于检测聚焦误差的方式不同，具 体分类有：ΔZ =2( NA) 21、柱镜象散法 2、刀刃法 3、辅助光束法 4、临界角法讨论：聚焦伺服力求焦深要大，即需要NA 小，但NA小导致衍射 光斑直径d增大，降低了记录密度，并且光学系统波像差与NA 有 关，故实际设计时应折中选取NA值，使焦深、衍射光斑直径、 波像差达到最优化。柱镜象散法 设置柱透镜于反射光束中，如图（a）所示，使光束形成象 散，正确聚焦时，在平面成像的衍射光斑为圆，对应于图（b） 中的eF=0.如当光盘从焦平面移近物镜一侧，则反射光的成像面远离， 光敏元件因光束的象散而成像为长轴在Y 轴的椭圆，故X-Y分 量&0，对应于eF&0。 反之，光盘从焦平面远离时，椭圆长轴在X轴，光敏元件差动 输出X-Y分量&0，对应于eF&0。 光敏元件的差动输出经伺服放大器发大后，聚焦到伺服制动 器，经制动后使光敏元件输出 趋于零，即实现自动聚焦伺服。 特点：结构简单，光学元件少，要求柱透镜前的光学系统有 最小的象散。 象散法广泛应用于光盘系统的聚焦伺服中。6刀刃法 设置非对称刀刃状物体于反射光束中，把2分割光敏元件放于 成像点附近，如图所示，当光盘的信息面位于焦点平面上 时，刀刃对光束无影响，光敏元件差动输出为0，当光盘的信 息面不在读出光束的焦平面内时，反射光束的一部分被屏蔽。当光盘从焦平面靠近时，反射光在光敏元件“+”一侧的光亮下 降，光盘远离时，则在“-”侧光量下降，将光敏元件上的差动 输出通过伺服放大器和伺服制动器就能对读出信号的光学头 物镜实现自动聚焦控制。 特点：结构更为简单，检测聚焦误差范围宽，但调节较为困 难。偏心辅助光束法 沿轴中心的主激光束用于信号读取，而偏心辅助光束是指偏 离轴心的光束，如图，用辅助光束的反射光位置来反映光盘 的上下变化，再用光敏元件检测出反射光的位置。仍用2分割光敏元件作为检测反射光束位置的传感元件，调整 传感元件使光盘的信息面位于读出光束的焦平面时，反射光 束恰好落在2分割光敏元件的中心，光盘的上下移动即转变为 反射光束的移动，检测出2分割光敏元件的差动输出，就是聚 焦误差。 特点：监测范围大，能检测出光盘面200-500um的上下移动， 误差在1um上下，但因需辅助光束，必须防止辅助光束与主光 束相干涉和串扰，故而光学系统复杂。临界角法 置临界角棱镜于反射光束中，对于平行光束，如图，调整临 界角棱镜的角度，使得入射角等于临界角，则光被全反射。。但若如设光束是发散光束，则棱镜的左半部因入射角小于临 界角而致使部分光透射，光强减弱，而右半部仍满足大于临 界角而发生全反射，故左右部差动输出为负。 反之，若入射光为会聚光束则相反，即左右部差动输出为 正，利用差动输出即可实现临界角法的自动聚焦伺服。 特点：检测光盘位置偏离的灵敏度高。7四、各类聚焦伺服比较第六节 跟踪误差信号检测一、径向跟踪误差信号检测在光盘存储系统中，由于光盘的可更换性会导致光盘的内轴 孔有对中误差，偏心振幅达100um，用塑料复制的光盘，由于 模压后各方向上的收缩率不同，会产生±12um左右的形变。 径向跟踪伺服的任务就是使光点始终对准信息道中心，以免 信道间的串扰及降低电平，从而保持信息的读写功能正常进 行。为了正确地读写信息，在保持精确私服的同时，还必须 把跟踪误差控制在±0.1um内，这是设计伺服系统的指导原则。1、径向跟踪伺服系统的构成：跟踪误差检测部分、伺服放大器、 光束偏振器等。 2、检测跟踪误差的方式 推挽法：利用导向槽边缘所产生的光的衍射实现跟踪误差信 号检测，如图所示。光束射向光盘（设为凹坑性）记录层上，反射光的成像面会 出现凹坑的图像，若在成像面上放置光敏元件，则可根据强 度的变化读出凹坑信号。 随着信道位移，光敏元件上的凹坑图像也会变化为止，适当 调整2分割光敏元件，使其分界线与信道平行，在信道位于光 点中心、跟踪良好的状态下，使光敏元件的差动输出为0，若 信道向左或者向右偏离中心，则相应一侧光敏元件的输出就 会增加，利用此差动输出即可检测出信道的跟踪误差。 特点（1）读出信息与检测信道跟踪误差光束兼用，具有单光 束方式的简单结构。 （2）外界信号干扰引起探测器不平衡时，差分信号不变。三点法（辅助偶光束法） 主光束用于读写信号，辅助偶光束在信道中心稍微正负错 开，跨在信道上，用一对光敏元件接收其反射光，以检测出 信道的内外两个边缘，由于信道移位，两光束的反射信号变 得不平衡，两光敏元件上出现差动输出，由此可检测出信道 的跟踪误差。为防止相邻信道串扰，两个跟踪光点与读出光点在切向关于 主光轴左右错开约10um，径向跟踪光点偏离读出光点中心约 0.5um，由于信道的平均反射率低于信道间的反射率，当信道 中心与两跟踪光点中心距离不等时，就会产生零差分信号， 自动调节差动输出为0，即实现自动跟踪伺服。 特点：准确可靠，灵敏度高，但调节困难。 三光束是由衍射光栅产生主光束用于信号读、写，±1级用于 径向跟踪。利用光栅使衍射光有以下优点： ① 确保辅助光栅在切向有固定的、预期的间隔； ② 使光栅绕光轴转动即可使光束在径向偏离； ③ 保证二辅助光束强度相等； ④ 主光束与辅助光束强度可调。8二、切向（时基误差补偿）跟踪误差信号检测当自动聚焦和信道跟踪都控制在精度很好的范围时，可实现 高信噪比的信号读出，但由于信道偏心等因素，会导致信道 的线速度变化，从而改变时基，使重放的图像产生畸变。为 了校正这种现象，应使光束在与信道跟踪垂直的切线方向上 摆动，从而使一圈信道内读出信息的线速度保持恒定，即为 时基误差补