超分辨位相板的製作方法

2023-12-11 15:01:22 2

專利名稱：超分辨位相板的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射光束波面整形，特別是指採用超分辨技術設計的位相板，實現壓縮中心主瓣的條件下獲得較大的中心主瓣光強和較小的第一旁瓣強度比。此位相板可以提高光碟的存儲容量，應用於下一代光碟系統中。
背景技術：
CD和DVD技術目前已經成為廣泛應用的商業化產品，但對於下一代高解析度電視來說，目前的光碟存儲容量還遠遠不夠。目前的CD使用780nm的雷射，聚焦透鏡數值孔徑NA＝0.45，軌距為1.6μm，坑長0.8μm，容量為650MB；DVD採用波長650/630nm的雷射器，NA＝0.6，軌距0.74μm，坑長0.4μm，存儲容量約為4.7GB。
增加光碟存儲密度的最直接方法就是減小光斑尺寸，光斑尺寸與聚焦雷射光束的衍射效應有關，光斑大小(S)與雷射波長(λ)成正比，與透鏡數值孔徑(NA)成反比，可見，採用較大數值孔徑的透鏡或較短波長雷射器可以減小光斑尺寸，從而提高光碟存儲容量。HD-DVD和BD(藍光光碟)正是採用這一思路，如果採用405nm波長雷射和0.8-0.9數值孔徑，光碟存儲容量將達到約20GB。
但在藍光光碟之後，要想用傳統方法來增加光碟容量將會變得非常困難，這是因為一方面，由於技術原因進一步減小雷射波長將會非常困難，在紫外區域，雷射器的造價和壽命都是很大的問題，在目前來說很難解決；同時，當用紫外光照射時，容易引起塑料基片的老化，對實際應用十分不利。另一方面，高數值孔徑非球面透鏡製作比較困難，並且即使在物鏡很好地校正了像差的情況下，碟片厚度的變化也將引起光程變化，隨著數值孔徑的增加，這一光程差迅速增大，從而使得讀出信號質量下降。
為解決這一問題，提出了幾種面向下一代光碟的技術思路，主要有固體浸沒透鏡(SIL)和Super-RENS等幾種。但由於固體浸沒透鏡是在近場讀取信號，很容易受到空氣中的灰塵和微粒幹擾，而日常生活中這樣的灰塵是很難避免的。同樣，在利用納米口徑的鍍金屬膜光纖進行近場記錄時也存在這一問題。另外，利用固體浸沒透鏡方法時，光能的利用率很低。Super-RENS技術，簡單地說，就是將一層金屬或金屬氧化物作為非線性光學薄膜插入一個普通的相變光碟的疊層結構中，這一層和相變記錄層形成一個近場結構。當會聚雷射光束照射在這個插入層時，會在該層中產生次波長的微小形變，通過這個形變(小孔或小泡)的光能量經近場傳播在記錄層中形成數十納米的記錄點，從而達到近場記錄和讀出的目的。但是Super-RENS光碟結構的膜層複雜，超分辨記錄點的讀出信號對薄膜厚度及均勻性非常敏感，並且該光碟相對於傳統的只讀式光碟的製作成本高，工藝繁瑣。
所以，在不增加聚焦系統複雜程度的前提下，一種易於大量製造的並且可以有效壓縮愛裡斑，讀出突破衍射極限信號的新技術，對於下一代光碟來說是十分有吸引力的。周常河等人曾經給出過用於光碟讀取頭中的環狀結構的超分辨位相板結構，實現了中心主瓣相對於愛裡斑的半徑壓縮比為0.8，但超分辨的結果是第一旁瓣強度太大，相對主瓣的比值為M＝0.13，因此，旁瓣對主瓣的幹擾較大，這對實際光碟讀取信號造成幹擾[見在先技術1，周常河，等人，高密度存儲光碟的讀寫系統，發明專利號200410093317.0]。
在中國發明專利申請200610018148.6「混合型超分辨光學頭」中也提到了一種三環帶結構的振幅/相位混合型的超分辨位相板，它的歸一化半徑為r1＝0.49、r2＝0.64，r3＝1，三區的相位φ1＝0，φ2＝π，φ3＝0，三區的透過率t1＝0.23，t2＝1，t3＝1，它也可以將第一旁瓣強相對主瓣的比值為M＝0.2變為M＝0.135.與在先技術1相當.

發明內容
本發明的目的是提供一種超分辨位相板，達到對中心光斑進行壓縮的同時減小第一旁瓣強度比，M＜0.13，進而應用於光碟系統，讀出超過衍射極限的信號，從而提高光碟的存儲容量。
本發明的技術解決方案如下一種超分辨位相板，它由各向同性的介質構成，該位相板具有同心圓環形的位相分布，其特徵在於該位相板的大小與衍射極限透鏡孔徑相當，所述環帶的位相分布為同一圓環內的位相值是相同的，相鄰環帶的位相值是0和π相間的，各壞帶透過率均為1，歸一化半徑值為r1＝0.35、r2＝0.55，r3＝1。
本發明的技術效果目前研製的超分辨位相板雖然能夠實現對中心光斑的壓縮，突破衍射極限，但都存在第一旁瓣能量過大的問題，第一旁瓣強度比M≥0.13不適用於光碟系統。本發明在保持中心光斑壓縮0.8的同時，減小了第一旁瓣的峰值，相對主瓣的比值降為M＝0.07，這樣，相對以前的超分辨位相板，使第一旁瓣強度比有了明顯的減小，旁瓣對主瓣的幹擾更小，因而具有提高光碟存儲容量的應用前景。


圖1，是本發明超分辨位相板的結構示意圖。其中，各內環帶半徑用r1、r2表示，外環半徑歸一化為r3＝1，同一圓環內的位相值是相同的，相鄰環帶的位相值是0和π相間的。
圖2，是採用超分辨位相板後雷射束光強分布的改變示意圖。其中，細黑線L1是無位相板時愛裡斑的光強分布；點黑線L2是放入在先技術1中超分辨位相板後光強的分布；粗黑線L3是放入本發明的超分辨位相板後的光強分布。
圖3，是對比表。
具體實施例方式
本光碟超分辨位相板的製造是利用大規模集成電路工藝技術和平面光刻工藝技術來實現的。其具體步驟如下(1)根據衍射透鏡孔徑和相應的歸一化半徑計算出各環的半徑(2)利用電子束直寫法製作出母版(3)通過接觸式光刻法，母版圖案轉移到了塗在以光學玻璃為基底的光刻膠上(4)利用刻蝕技術將圖案刻蝕到光學玻璃上山衍射光學的理論可知，對於一般的光學系統，設光瞳函數為P(ρ)，其中ρ為歸一化半徑。根據Born理論，在單色光照明條件下，光學系統焦點附近的振幅分布為U(v,)=01Pexp(-i2/2)J0(v)d---(1)]]>式中，J0(νρ)為零階Bessel函數，對應於接收面上的徑向坐標r，ν＝kr sin(δ)；μ對應於以焦點為原點的軸上坐標z，μ＝4kz(sin(δ)/2)2。其中k＝2π/λ；sin(δ)代表光瞳的數值孔徑；λ為光源的波長。
如果位相板位相分布是環形的，平行光通過位相板後的光場分布可以表示為=j=1Nexp(ij)[j22J1(j)j-j-122J1(j-1)j-1]---(2)]]>其中αj為第j環帶半徑，φj為第j個環帶的位相，η為歸一化坐標，j＝1，2...，N，N為環帶數。
對於二元情形，(2)式可以簡化為=2J1-[1-exp(ij)](-1)N+1j=1N-1(-1)jj22J1(j)j---(3)]]>
利用公式(3)進行數值計算，得到最優化的位相環的各個半徑值，使得保證中心主瓣壓縮的同時，取得較小的旁瓣強度比。
圖1是本發明用於光碟的超分辨位相板的示意圖。各內環帶半徑用r1、r2表示，外環半徑歸一化為r3＝1。由圖1可見，本發明光碟超分辨位相板是一種在透明介質上形成的具有多個同心圓環位相分布的位相板，同一圓環內的位相值是相同的，相鄰環帶的位相值是0和π相間的；各環帶透過率均為1；本發明的外環半徑歸一化為r3＝1，內環歸一化半徑值為r1＝0.35、r2＝0.55，得到的第一旁瓣強度比M＝0.07。相對在先技術1(r1＝0.09、r2＝0.36，r3＝1，φ1＝0，φ2＝0.9π，φ3＝0，M＝0.13)來說，通過對歸一化半徑和位相值的優化，使得旁瓣強度有了很大的減小。相對專利申請200610018148.6(r1＝0.49、r2＝0.64，r3＝1，φ1＝0，φ2＝π，φ3＝0，t1＝0.23，t2＝1，t3＝1，M＝0.135)來說，採用純位相型結構(t1＝t2＝t3＝1)，避免了由於遮擋通光孔徑(t1＝0.23)而引起的光強損失，通過對入射光的位相調製，使得焦面上光強重新分布，在r1＝0.35、r2＝0.55，r3＝1，φ1＝0，φ2＝π，φ3＝0的條件下，取得了M＝0.07＜0.13的優化結果。
應用本發明得到的衍射圖樣數值模擬圖如圖2所示。對超分辨效果可以採用第一零點比G和旁瓣強度比M來描述。其中第一零點比G表示超分辨的程度，即有位相板時和愛裡衍射時光學系統焦點橫向第一光強零點對應的坐標比值；旁瓣強度比M為焦面上第一旁瓣最大強度與主瓣中心強度的比值。由圖2可見，在同樣G＝0.8的情況下，與在先技術1中的超分辨位相板相比，光碟超分辨位相板的M值得到了很大的減小，第一旁瓣相對主瓣的強度由0.13降為0.07，更接近理想情況下愛裡斑第一旁瓣對主瓣的比值0.02，因此，第一旁瓣對主瓣的幹擾也就降低，這對超分辨位相板的應用具有重要的實際意義。從圖2中可以明顯看出本發明的光碟超分辨位相板在壓縮中心主瓣的同時，也有效地抑制了第一旁瓣比。具體數值如圖3所示.
顯然，本發明在保持中心光斑壓縮的同時，使第一旁瓣強度比有了明顯的抑制，因而應用於下一代光碟系統，可以有效的讀出超過衍射極限的信號，這對超分辨位相板的應用，以提高光碟存儲容量的具有重要意義。
權利要求
1.一種超分辨位相板，它由各向同性的介質構成，該位相板具有同心圓環形的位相分布，其特徵在於該位相板的大小與衍射極限透鏡孔徑相當，所述環帶的位相分布為同一圓環內的位相值是相同的，相鄰環帶的位相值是0和π相間的，各環帶透過率均為1，歸一化半徑值為r1＝0.35、r2＝0.55，r3＝1。
全文摘要
一種應用於光碟系統的超分辨位相板，一種超分辨位相板，它由各向同性的介質構成，該位相板具有同心圓環形的位相分布，其特徵在於該位相板的大小與衍射極限透鏡孔徑相當，所述環帶的位相分布為同一圓環內的位相值是相同的，相鄰環帶的位相值是0和π相間的，各環帶透過率均為1，歸一化半徑值為r
文檔編號G11B7/005GK1971318SQ20061012521
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月1日 優先權日2006年12月1日
發明者周常河, 曹由由, 底彩慧 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所, 查黎