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摘要：
蓝宝石材料具有高度力学和化学稳定性，因此以蓝宝石作为衬底的光盘是实现长时数据存储的有效解决方案。但是，由于单晶蓝宝石材料具有明显的各向异性，当扫描光束入射到单晶蓝宝石基底表面时会发生双折射，从而使标准的CD读取系统对蓝宝石光盘失效。针对蓝宝石材料这一特性，建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型，提出采用石英补偿板来补偿蓝宝石衬底像差的补偿机制。进行了数据读取实验，结果表明，采用所述像差补偿方法能够显著提高蓝宝石光盘光学信息读取系统的读取性能。
关键词：
光学数据存储； 蓝宝石光盘； 长时数据存储； 像差补偿
中图分类号： TN 249文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.011
Abstract：
An optical disc using sapphire substrate is considered as an effective solution for achieving longterm data storage attributing to its high mechanical and chemical stability. The birefringence in single crystal sapphire causes optical aberration which makes failure occur during reading information from the disc. The propagation of the focused laser beam throughout a sapphire disc has been analyzed. The method of compensating aberrations resulting from reading data from a uniaxial birefringent medium is developed by using a quartz compensating plate. A data reading experiment is conducted. The results show that the proposed aberration compensation method significantly improves the performance of information reading system for sapphire discs.
Keywords：
optical data storage； sapphire optical disc； longterm data storage； aberration compensation
引言
隨着云存储和高速互联网等技术的发展，光盘的使用量逐年减少。然而，光盘在归档数据存储领域依然会占据较大优势[14]，并且未来光盘将主要应用于数据长期存储领域[56]。但是，由于构成光盘的聚碳酸酯（PC）材料的热稳定性低，且金属层对这种材料基底的粘附能力弱，目前的光盘不能满足长时数据存储所需的可靠性和数据存储时效等需求。为了解决上述技术难题，国内外研究者们尝试了多种技术方案。这些方案的共性是选用稳定性高的材料作为记录媒质或基底[7]，如金属陶瓷[8]、石英[4]、钨[9]、蓝宝石[10]等。单晶蓝宝石材料在物理性质和化学性质方面均有突出的优势。比如，它具有9级表面硬度（金刚石10级）、高达2 300 K的熔点等。因此，采用单晶蓝宝石材料制作的光盘具有抗磨损擦伤、防火、防化学腐蚀、防紫外线辐射等优异性能。
国内外研究者们对长时数据存储光盘的记录材料进行了较充分的研究，但是对用于长时数据存储光盘的数据读取系统方面的研究较少。虽然单晶蓝宝石具有高度力学、化学和热稳定性，但是由于单晶蓝宝石材料存在明显的各向异性，因此当扫描激光束入射到这种材料中时，会发生双折射现象，从而造成扫描光束畸形失真，产生像差。由于标准的光盘（CD）读取系统只能对球差进行补偿，而对这种由于材料各向异性引起的像散像差则不具备补偿能力，因此在采用这种标准CD读取系统对蓝宝石光盘进行数据读取时，很容易面临失效问题。
为了解决标准CD读取系统读取蓝宝石光盘时的失效问题，本文建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型，提出采用石英补偿板用于补偿蓝宝石衬底像差的机制。使用所述像差补偿方法，设计了一套基于蓝宝石光盘的光学信息读取系统，并进行了数据读取实验，结果表明该读取系统能够有效地补偿蓝宝石衬底像差。
1单晶蓝宝石衬底中的光束传播问题
如图1所示，假定晶体的光轴方向正交于衬底表面，且读取过程由指定格式[光盘格式（CD）、数字化通用磁盘格式（DVD）、蓝光格式（BD）]光学器件的标准物镜完成。当一束扫描激光经过物镜聚焦后照射到单晶蓝宝石衬底表面时，会发生双折射现象，一束光分成两束具有不同折射率的偏振光[11]：寻常光（o光）和非寻常光（e光）。其中o光遵循普通的折射定律，传播速度是与传播方向无关的常量；e光则不遵守普通的折射定律，传播速度是与传播方向有关的变量。当且仅当光束沿光轴方向传播时，e光的传播速度才与o光相等，此时不发生双折射现象。图1中由于入射光不沿光轴方向，所以入射到蓝宝石衬底表面的光束会发生双折射现象。标准的光学物镜只能对球差进行补偿，而对这种由于材料各向异性引起的双折射现象不具备补偿能力。
式中：H为衬底的厚度；Δn为寻常光与非寻常光的折射率之差（Δn=no-ne，双折射率）。在使用光学系统进行光盘数据读取时，一般要求聚焦光束必须是衍射受限的[12]，这就对蓝宝石衬底各向异性的程度（即双折射率）提出了要求。通过对光斑中心处光强的仿真，可以得到CD、DVD和BD等格式光盘对Δn大小的限制。仿真结果见表1。 表1中，Max Δn代表衍射受限光学系统中允许的最大折射率偏差，对于不同类型的光盘有不同的取值；Δn （蓝宝石）为蓝宝石的双折射率。由表中的数据可以看出，在不考虑像差补偿的情况下，任何类型的光盘都不能直接采用光轴与媒质表面正交的蓝宝石作为衬底，这是因为蓝宝石衬底的Δn超出了读取系统允许的最大折射率偏差。
3实验结果及分析
依照所述像差补偿机制，设计了一套如图3所示的蓝宝石光盘光学信息读取系统。为对所述光学系统进行测试，选用波长405 nm、最大功率100 mW的单模半导体激光器QLD405100S作为相干光源。测试用的蓝宝石光盘具有0.7 mm衬底层厚度和80 mm直径，其信息层采用高强度激光刻蚀而成。在进行数据读取实验时，激光束由激光二极管发出，依次经过衍射光栅、偏振分束器、1/4波片、聚焦物镜、石英补偿板和蓝宝石衬底层，最终会聚在光盘信息层的微结构表面。
对标准光学读取系统所做的修改主要在于固定了一片石英补偿板，且所采用的石英补偿板光轴正交于石英表面。补偿板尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm，与物镜胶合。补偿板采用单轴单晶材料制成，能够对s偏振光与p偏振光的光路进行补偿，最终使它们会聚在同一焦平面。测试结果如图4所示。
由图4可知，采用石英补偿板对蓝宝石衬底的像差进行补偿后，可以获得清晰的图像，而未使用石英补偿板获得的图像则较为模糊。实验结果证明所述像差补偿方法具有较好的像差补偿作用。
需要注意的是，提出的像差补偿方法仅适用于单轴双折射晶体，若衬底材料的各向异性超出了单轴双折射的范畴，所述像差补偿方法就会存在不确定性。此外，单晶轴的方向应平行于光度头的方向，这样可以保证光盘转动时对应的需要补偿的像差始终是一个常量。
4结论
本文分析了聚焦激光束通过光轴与介质表面正交的透明单晶时，由材料各向异性引起的双折射现象及其对衬底层像差产生的影响，建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型。重点提出了采用石英补偿板用于补偿蓝宝石衬底像差的补偿机制，并进一步确定了蓝宝石光盘及所述石英补偿板的结构参数。实验结果表明，采用所述像差补偿方法能够有效消除蓝宝石衬底层材料各向异性所引起的像差。
蓝宝石光盘在长时数据存储中的优异性能使其在归档数据存储领域具有广阔的应用前景。本文提出的光学信息读取系统结构简单，所采用的石英补偿板价格便宜，便于蓝宝石光盘及其读取系统的推广。在未来工作中，我们将进一步优化系统的结构参数，提高系统的读取性能。
参考文献：
[1]信息技术信息交换和可录类光盘记录媒体： 光盘档案寿命的评估试验方法（上）[J]. 记录媒体技术 2010（3）： 2441.
[2]信息技术信息交换和可录类光盘记录媒体： 光盘档案寿命的评估试验方法（中）[J]. 记录媒体技术 2010（4）： 3960.
[3]信息技术信息交換和可录类光盘记录媒体： 光盘档案寿命的评估试验方法（下）[J]. 记录媒体技术 2010（5）： 2535.
[4]ZHANG J， GECEVI C〖DD（-*2〗ˇ〖DD）〗IUS M BERESNA M et al. 5D data storage by ultrafast laser nanostructuring in glass[C].CLEO： Science and Innovations Optical Society of America 2013.
[5]覃祝君. 未来光盘将应用于数据长期存储领域[J]. 记录媒体技术 2007（2）： 1820.
[6]WAN S， CAO Q XIE C. Optical storage： an emerging option in longterm digital preservation[J]. Frontiers of Optoelectronics 2015 7（4）： 486492.
[7]GORBOV I V， BELYAKOVSKY V O. Optical discs carriers for longterm data storage[J]. Data Recording Storage and Processing 2007 9（1）： 7387.
[8]TOPPIN E. Setting a new standard in permanent archival storage[J]. Digital Disc 2010 1（1）： 4244.
[9]DE VRIES J， SCHELLENBERG D ABELMANN L et al. Towards gigayear storage using a siliconnitride/tungsten based medium[B].ArXiv： 1310.2961v1 2013.
[10]GORBOV I V， PETROV V V KRYUCHYN A A. Using ion beams for creation of nanostructures on the surface of highstable materials[J]. Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics 2007 10（1）： 2729.
[11]ZHOU G Y， JESACHER A BOOTH M et al. Axial birefringence induced focus splitting in lithium niobate[J]. Optics Express 2009 17（20）： 1797017975.
[12]PETROV V V， SEMYNOZHENKO V P PUZIKOV V M et al. Readout optical system of sapphire disks intended for longterm data storage[B]. ArXiv： 1403.3119 2014.
蓝宝石材料具有高度力学和化学稳定性，因此以蓝宝石作为衬底的光盘是实现长时数据存储的有效解决方案。但是，由于单晶蓝宝石材料具有明显的各向异性，当扫描光束入射到单晶蓝宝石基底表面时会发生双折射，从而使标准的CD读取系统对蓝宝石光盘失效。针对蓝宝石材料这一特性，建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型，提出采用石英补偿板来补偿蓝宝石衬底像差的补偿机制。进行了数据读取实验，结果表明，采用所述像差补偿方法能够显著提高蓝宝石光盘光学信息读取系统的读取性能。
关键词：
光学数据存储； 蓝宝石光盘； 长时数据存储； 像差补偿
中图分类号： TN 249文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.011
Abstract：
An optical disc using sapphire substrate is considered as an effective solution for achieving longterm data storage attributing to its high mechanical and chemical stability. The birefringence in single crystal sapphire causes optical aberration which makes failure occur during reading information from the disc. The propagation of the focused laser beam throughout a sapphire disc has been analyzed. The method of compensating aberrations resulting from reading data from a uniaxial birefringent medium is developed by using a quartz compensating plate. A data reading experiment is conducted. The results show that the proposed aberration compensation method significantly improves the performance of information reading system for sapphire discs.
Keywords：
optical data storage； sapphire optical disc； longterm data storage； aberration compensation
引言
隨着云存储和高速互联网等技术的发展，光盘的使用量逐年减少。然而，光盘在归档数据存储领域依然会占据较大优势[14]，并且未来光盘将主要应用于数据长期存储领域[56]。但是，由于构成光盘的聚碳酸酯（PC）材料的热稳定性低，且金属层对这种材料基底的粘附能力弱，目前的光盘不能满足长时数据存储所需的可靠性和数据存储时效等需求。为了解决上述技术难题，国内外研究者们尝试了多种技术方案。这些方案的共性是选用稳定性高的材料作为记录媒质或基底[7]，如金属陶瓷[8]、石英[4]、钨[9]、蓝宝石[10]等。单晶蓝宝石材料在物理性质和化学性质方面均有突出的优势。比如，它具有9级表面硬度（金刚石10级）、高达2 300 K的熔点等。因此，采用单晶蓝宝石材料制作的光盘具有抗磨损擦伤、防火、防化学腐蚀、防紫外线辐射等优异性能。
国内外研究者们对长时数据存储光盘的记录材料进行了较充分的研究，但是对用于长时数据存储光盘的数据读取系统方面的研究较少。虽然单晶蓝宝石具有高度力学、化学和热稳定性，但是由于单晶蓝宝石材料存在明显的各向异性，因此当扫描激光束入射到这种材料中时，会发生双折射现象，从而造成扫描光束畸形失真，产生像差。由于标准的光盘（CD）读取系统只能对球差进行补偿，而对这种由于材料各向异性引起的像散像差则不具备补偿能力，因此在采用这种标准CD读取系统对蓝宝石光盘进行数据读取时，很容易面临失效问题。
为了解决标准CD读取系统读取蓝宝石光盘时的失效问题，本文建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型，提出采用石英补偿板用于补偿蓝宝石衬底像差的机制。使用所述像差补偿方法，设计了一套基于蓝宝石光盘的光学信息读取系统，并进行了数据读取实验，结果表明该读取系统能够有效地补偿蓝宝石衬底像差。
1单晶蓝宝石衬底中的光束传播问题
如图1所示，假定晶体的光轴方向正交于衬底表面，且读取过程由指定格式[光盘格式（CD）、数字化通用磁盘格式（DVD）、蓝光格式（BD）]光学器件的标准物镜完成。当一束扫描激光经过物镜聚焦后照射到单晶蓝宝石衬底表面时，会发生双折射现象，一束光分成两束具有不同折射率的偏振光[11]：寻常光（o光）和非寻常光（e光）。其中o光遵循普通的折射定律，传播速度是与传播方向无关的常量；e光则不遵守普通的折射定律，传播速度是与传播方向有关的变量。当且仅当光束沿光轴方向传播时，e光的传播速度才与o光相等，此时不发生双折射现象。图1中由于入射光不沿光轴方向，所以入射到蓝宝石衬底表面的光束会发生双折射现象。标准的光学物镜只能对球差进行补偿，而对这种由于材料各向异性引起的双折射现象不具备补偿能力。
式中：H为衬底的厚度；Δn为寻常光与非寻常光的折射率之差（Δn=no-ne，双折射率）。在使用光学系统进行光盘数据读取时，一般要求聚焦光束必须是衍射受限的[12]，这就对蓝宝石衬底各向异性的程度（即双折射率）提出了要求。通过对光斑中心处光强的仿真，可以得到CD、DVD和BD等格式光盘对Δn大小的限制。仿真结果见表1。 表1中，Max Δn代表衍射受限光学系统中允许的最大折射率偏差，对于不同类型的光盘有不同的取值；Δn （蓝宝石）为蓝宝石的双折射率。由表中的数据可以看出，在不考虑像差补偿的情况下，任何类型的光盘都不能直接采用光轴与媒质表面正交的蓝宝石作为衬底，这是因为蓝宝石衬底的Δn超出了读取系统允许的最大折射率偏差。
3实验结果及分析
依照所述像差补偿机制，设计了一套如图3所示的蓝宝石光盘光学信息读取系统。为对所述光学系统进行测试，选用波长405 nm、最大功率100 mW的单模半导体激光器QLD405100S作为相干光源。测试用的蓝宝石光盘具有0.7 mm衬底层厚度和80 mm直径，其信息层采用高强度激光刻蚀而成。在进行数据读取实验时，激光束由激光二极管发出，依次经过衍射光栅、偏振分束器、1/4波片、聚焦物镜、石英补偿板和蓝宝石衬底层，最终会聚在光盘信息层的微结构表面。
对标准光学读取系统所做的修改主要在于固定了一片石英补偿板，且所采用的石英补偿板光轴正交于石英表面。补偿板尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm，与物镜胶合。补偿板采用单轴单晶材料制成，能够对s偏振光与p偏振光的光路进行补偿，最终使它们会聚在同一焦平面。测试结果如图4所示。
由图4可知，采用石英补偿板对蓝宝石衬底的像差进行补偿后，可以获得清晰的图像，而未使用石英补偿板获得的图像则较为模糊。实验结果证明所述像差补偿方法具有较好的像差补偿作用。
需要注意的是，提出的像差补偿方法仅适用于单轴双折射晶体，若衬底材料的各向异性超出了单轴双折射的范畴，所述像差补偿方法就会存在不确定性。此外，单晶轴的方向应平行于光度头的方向，这样可以保证光盘转动时对应的需要补偿的像差始终是一个常量。
4结论
本文分析了聚焦激光束通过光轴与介质表面正交的透明单晶时，由材料各向异性引起的双折射现象及其对衬底层像差产生的影响，建立了光束在单晶蓝宝石衬底中传输的物理模型。重点提出了采用石英补偿板用于补偿蓝宝石衬底像差的补偿机制，并进一步确定了蓝宝石光盘及所述石英补偿板的结构参数。实验结果表明，采用所述像差补偿方法能够有效消除蓝宝石衬底层材料各向异性所引起的像差。
蓝宝石光盘在长时数据存储中的优异性能使其在归档数据存储领域具有广阔的应用前景。本文提出的光学信息读取系统结构简单，所采用的石英补偿板价格便宜，便于蓝宝石光盘及其读取系统的推广。在未来工作中，我们将进一步优化系统的结构参数，提高系统的读取性能。
参考文献：
[1]信息技术信息交换和可录类光盘记录媒体： 光盘档案寿命的评估试验方法（上）[J]. 记录媒体技术 2010（3）： 2441.
[2]信息技术信息交换和可录类光盘记录媒体： 光盘档案寿命的评估试验方法（中）[J]. 记录媒体技术 2010（4）： 3960.
[3]信息技术信息交換和可录类光盘记录媒体： 光盘档案寿命的评估试验方法（下）[J]. 记录媒体技术 2010（5）： 2535.
[4]ZHANG J， GECEVI C〖DD（-*2〗ˇ〖DD）〗IUS M BERESNA M et al. 5D data storage by ultrafast laser nanostructuring in glass[C].CLEO： Science and Innovations Optical Society of America 2013.
[5]覃祝君. 未来光盘将应用于数据长期存储领域[J]. 记录媒体技术 2007（2）： 1820.
[6]WAN S， CAO Q XIE C. Optical storage： an emerging option in longterm digital preservation[J]. Frontiers of Optoelectronics 2015 7（4）： 486492.
[7]GORBOV I V， BELYAKOVSKY V O. Optical discs carriers for longterm data storage[J]. Data Recording Storage and Processing 2007 9（1）： 7387.
[8]TOPPIN E. Setting a new standard in permanent archival storage[J]. Digital Disc 2010 1（1）： 4244.
[9]DE VRIES J， SCHELLENBERG D ABELMANN L et al. Towards gigayear storage using a siliconnitride/tungsten based medium[B].ArXiv： 1310.2961v1 2013.
[10]GORBOV I V， PETROV V V KRYUCHYN A A. Using ion beams for creation of nanostructures on the surface of highstable materials[J]. Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics 2007 10（1）： 2729.
[11]ZHOU G Y， JESACHER A BOOTH M et al. Axial birefringence induced focus splitting in lithium niobate[J]. Optics Express 2009 17（20）： 1797017975.
[12]PETROV V V， SEMYNOZHENKO V P PUZIKOV V M et al. Readout optical system of sapphire disks intended for longterm data storage[B]. ArXiv： 1403.3119 2014.