(光存储原理与应用)第一章光盘存储系统

像散法调焦
电路实现：利用四象限探测器和差动放大器Βιβλιοθήκη +AB DC
I (Focus Error Signal)
FES = (A+C) - (B+D) = 0（焦面）
<0 近焦
>0 远焦
想象一下使用像散法伺服系统的 光盘读取光学系统实际工作模式
思考
不用像散法定焦时，物镜本身像散 非常小，即子午及弧矢光几乎重合。 那么此时离焦，焦点过近或过远， 光束有什么特征？
能否想出什么办法来把椭圆的 光斑变成圆的？
3.棱镜整形
光束棱镜整形系统
放大率M
当使用K9玻璃做棱镜时
物镜
光盘
？
反射镜
整形棱镜
准直系统 半导体激 光器LD
思考：光路如何设计，经光盘读出信号如 何探测？
高斯 光
平行 光
物镜 反射镜
光盘 ¼ 波片
偏振分 光镜
相位光栅
起偏器 整形棱镜
准直系统 半导体激 光器LD
光学聚焦伺服系统
需要检测几种状态？
聚焦伺服系统的作用，是通过垂直移动物镜， 使激光束在碟片的信号面上始终保持着良好的 聚焦。
需要检测正确聚焦、聚焦过近、聚焦过远三 种不同的工作状态
思考：所学光电原理里，哪一个可以在三种状态具 有截然不同的物理表征，进而实现三种状态的识别？
（I）像散法轴向伺服系统
o光e光不分开，但传播速度不同，通过波片后会产生位相差
no ne
vo ve
x方向快轴，y方向慢轴
5.光存储伺服系统
轴向定焦 径向定焦 角度误差矫正
物镜聚焦误差
聚焦伺服机构亦是激光影碟机的最重要机构之一。物 镜虽能将激光束聚焦在碟片的信号面上，但鉴于碟片 本身存在的不平，翘曲或偏心等轻微变形，在高速旋 转中不可避免的要产生上下抖动的面振动，使物镜与 碟片的间距发生改变，而产生聚焦误差，这样便无法 保证其焦点始终都落在碟片的信号面上。为了确保物 镜与碟片的间距不变，焦点时刻落在碟片的信号面上 。为了确保物镜与碟片的间距不变，焦点时刻落在碟 片的信号面上，就必须有聚焦伺服机构予以保证。
腔外调制 腔内调制
通常半导体激光器已经使用布儒斯特窗， 即输出光已经是P偏振光，如果没有类似 操作，则需要外接起偏器
高斯光 对使用有何不利，如何解决？
2.激光准直
光存储对半导体激光器的要求
由于半导体激光器发出的光束本身具有像散，且光束经过激光器的出窗时，会产生像 差，因此如果要求高质量的光束和高的光能利用率，就要加入整形元件对光束整形， 使之由椭圆对称变为圆对称。
思考：加入怎样的元件 有利于引入额外像散？
像散法就是利用像散 的特性，在探测光路 额外引入像散，利用 光斑由竖直椭圆圆 扁平椭圆的变化规 律来实现对近焦、准 确聚焦和离焦三种状 态的判定
注意思路：要分辨近焦、正焦和远焦三个状态，只要能 找到一种物理机制与三个物理现象一一对应即可
思考：探测器如何实现对三种焦斑的一一识别？
柱面镜 象限探测器
高斯 光
平行 光
3.偏振控制与分光
思考：可以实现偏振分光的原理
方解石
加拿大 树胶
e • • • • o• •
钠光自
然光
e •• •• o
波片
从单轴晶体切出的平行平面薄片，光轴与表面平行。光垂 直入射时，主截面为o-xz
y
P
·
A
Ao
Ae
o
x 光轴方向 z
线偏振光垂直入射到波片上，分成o光和e光，对于负晶体：
思路要点：只要能找到另外三个 物理状态与近焦、正焦、远焦一 一对应即可！
正确聚焦时
B
A 焦点位置放置一 个刀尖
思考：聚焦过近，或聚 焦过远时分别会得到什 么探测结果？
（II）刀口法
这种方法是在检测透镜 DL的后焦面设置一个” 刀口“，并在其后放置 二分立光点探测器。如 图所示。当光盘位于正 确聚焦位置时，刀口对 反射光束没有影响，亮 分立探测器上两个部分 的光强分布相同。当光 盘远焦时，刀口挡住一 部分光，如图(b)、(c)所 示，因此可以从二象限 光电探测器上检测出误 差信号，并可判断出正 负方向。
第一章 光存储中的光学系统
光学系统
1. 光源：半导体激光器 2. 准直镜 3. 光束整形 4. 光学伺服系统：自动调焦，使光准确定位在
记录信息的轨道上 5. 偏振光学元件：偏振分光镜、1/4波片等 6. 光电探测器 7. 聚焦透镜：将激光光斑聚焦为亚微米光斑
1.激光光源
光存储设备通常是便携式设备，因此对光源的 要求是体积小，目前的激光器品种中只有半导 体激光器最适合。
LASER：Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation
我们知道，电子的轨道分为若干个能阶，电子吸收能量能够从低能态跃迁到高能 态，反之从高能态跃迁到低能态则放出能量。而放出的能量如果足够强，到达了 光子的水平，则能产生激光。
光存储光源需要聚焦到亚微米后来读取信息， 因此对激光器，有较高的光束质量要求，和高 的光能利用率要求。
半导体激光器
用于蓝紫 光存储的 半导体激 光器实际 产品外观
一个松下蓝 光光刻机内 部结构图
激光原理概要：
增益媒介为了提供足够的粒子数反转，并能 具备产生受激辐射的能级结构，即能级寿命 满足特定条件 谐振腔就是在满足受激辐射条件的众多波长中，选择最合适的 一个，让它谐振，实现单波长输出。从模的角度就是给定特定 的边界条件，让沿激光谐振方向，只有一个本征解。 泵浦源产生粒子数反转的动力来源。显然，从低能级泵到最高能 级，再跃迁到中间能级，产生激光，意味着很大一部分能量被浪 费掉了。这符合能量守恒原则。这说明激光器是高能耗器件
是不是任何物质都能产生激光呢？
看了上面一些图示后，我们大致能知道，当电 子从高能级跃迁到低能级就能产生激光。
但其工作是要有条件的，最根本受能级寿命的 影响
这是一个激光生成的三能级系统模型 能量从E1E3，称为粒子数反转，是激光产 生的前提； 但E3-E2能级寿命要远短于E3-E2才能保证 大多数电子回到E2而不是E1，进而产生新的 波长光
三能级，或四能级等都是理想模型， 实际的能级结构要复杂的多
实际上，每个能阶周围都有若干个 子能阶，所以跃迁有多种可能性， 如果没有干预，将产生很多个波长， 而不是单波长。
所有的激光器都从这个基本结构衍生 出来，每部分的原理何在？
激光器的基本概念
谐振腔 增益介质 泵源
模 高斯光
思考：如何获得偏振的激光输出？