專利名稱：用于光存儲系統(tǒng)的光束整形器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在如全息存儲介質的光存儲介質中讀取和/或寫入的 設備，具體而言，涉及一種在該設備中使用的光束整形器。
背景技術：
在全息數(shù)據(jù)存儲中，通過記錄在兩相干激光束疊加中所產(chǎn)生的干涉圖 來存儲數(shù)字數(shù)據(jù)，其中所謂"物光"的一束光，由空間光調制器予以調整， 并攜帶需要記錄的信息。第二束光充當參考光。干涉圖依靠干涉圖的區(qū)域 光強調整存儲材料的特性。通過使用在與記錄過程同等的條件下的參考光 照亮全息圖來讀取已記錄的全息圖。這導致記錄的物光的重構。
全息數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)點之一在于增加了數(shù)據(jù)容量。與傳統(tǒng)的光存儲介質
不同，全息存儲介質的巻(volume)用于存儲信息，而不只是一個或幾個 二維層。全息數(shù)據(jù)存儲的另一優(yōu)點是可以實現(xiàn)在同一巻內存儲多個數(shù)據(jù)， 比如，通過改變兩束光的角度或者通過使用移位復用等。另外，把數(shù)據(jù)存 儲為數(shù)據(jù)頁而不是單一的比特。典型地，數(shù)據(jù)頁包括一個進行多比特編碼 的明暗圖矩陣，即， 一個二維二進陣列或者一個灰度值陣列。這不僅可以 增強存儲密度，還能提高數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)頁通過空間光調制器(Spatial light modulator, SLM)附在物光上，并由檢測器陣列予以檢測。
典型的激光二極管發(fā)射具有高斯光強分布的橢圓光束。這導致用于在
全息存儲系統(tǒng)中生成數(shù)據(jù)頁的空間光調制器上的能量分布不均勻。為了提 高數(shù)據(jù)頁的信噪比，進而提高容量，最好使用均勻的光強分布。橢圓分布 很容易被消除，比如，通過使用棱鏡對。非球面的專用的光學鏡片能夠減 少高斯分布。然而，光束整形的光學鏡片價格昂貴，且對失準極其敏感。
例如，US 6,654,183中描述了一種用于把一個如高斯光束的基本不均 勻的光學輸入光束轉換成一個基本均勻的輸出光束的系統(tǒng)。為此目的，該 系統(tǒng)配備了兩個按開普勒結構或伽利略結構分布的非球面光學元件。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提出一個光束整形器的簡單方案，該光束整形器 用于一種從光存儲介質讀取和/或向光存儲介質寫入的設備。
根據(jù)本發(fā)明，是通過一個用于從入射光束生成第一整形光束的光束整 形器來達到該目的。該光束整形器具有一個光束整形元件，該光束整形元 件的光學特性隨著入射光的波面(profile)的不同而在空間內變化。該空 間變化的光學特性可輕易地把入射的光強分布轉換成預期的光強分布，例 如，把高斯分布轉換成一個幾乎平頂?shù)姆植肌Ｍ瑫r，該光束整形器對細微 的失準相對不敏感。
有益的是，該光束整形元件的反射率可在空間內變化。例如，光束整 形元件的反射率從光束整形元件的中心向其邊緣處遞減。以這一方式，當 光束在光束整形元件中傳輸時，把入射光的中心光峰變?yōu)槠巾敗?br> 可選擇地，光束整形元件對入射光的偏振有空間內可變的影響。例如， 光束整形元件具有如半波片的局域波片(local wave plate)，該局域波片的 方向相對于入射光的偏振方向在空間內變化。這允許調整傳輸光束的局域 偏振。通過使用偏振光束分離器或偏振相關光束塊發(fā)送生成的光束，或通 過把生成的光束發(fā)送到偏振相關反射鏡上，能夠按照預期來修改傳輸光束 的光強分布。
上述方案同樣適用于把橢圓光強分布轉換成旋轉對稱光強分布。這足 以使空間變化的光學特性適用于特殊的光強分布。然而，在此情況下，光 束整形器變得對失準更敏感。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于從入射光生成第一整形光束的方法包括 使用光束整形元件調整入射光的束波面的步驟，比如通過局部地改變光強 或偏振來調整光束波面。該光束整形元件的光學特性隨著入射光的波面的 不同而在空間內變化。
有益的是，提供了一種光束分離器，用于把入射光生成第二整形光束。 優(yōu)選地，該光束分離器把一部分不被用作第一整形光束的入射光從第一整 形光束的光路中引導出來。如果光束整形元件的反射率是在空間內可變 的，那么該光束整形元件所反射的光束自然就構成了第二整形光束。
優(yōu)選地，該光束分離器是一個偏振光束分離器。當光束整形元件影響 入射光的偏振使其在空間內變化的時候，偏振光束分離器尤顯優(yōu)勢。在此 情況下，該偏振光束分離器根據(jù)偏振方向把第一整形光束和第二整形光束 分離開。但是，偏振光束分離器同樣也可以和其反射率可在空間內變化的 光束整形元件結合起來使用。此時，最好提供一個四分之一波片，用于旋 轉光束整形器所反射的光束的偏振方向。
更好的是，根據(jù)本發(fā)明的光束整形器適用于一種從光存儲介質讀取和 /或向光存儲介質寫入的設備。當然，該光束整形器同樣適用于其他必須從
入射光生成整形光束的光學裝置。其優(yōu)勢在于，以一種非常簡單的方式獲 得該整形光束的預期的光強分布。另外，由于該光束整形器對細微的失準 相對不敏感，從而簡化了對整個光學裝置的校準操作。
有利地，光束分離器從入射光生成第二整形光束。例如，在一種從全 息存儲介質讀取和/或向全息存儲介質寫入的設備中，第一整形光束和第二 整形光束被分別用作物光和參考光。這樣，就以節(jié)省能量的方式生成了物 光和參考光。在全息數(shù)據(jù)存儲中，目前而言，數(shù)據(jù)速率受到有效的激光能 量的限制，所以說，是可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率的。此外，如果入射的高 斯光強分布被轉換成幾乎平頂?shù)姆植?，那么信噪比也會顯著增加。
優(yōu)選地， 一種從光存儲介質讀取和/或向光存儲介質寫入的設備，比如 一種對全息存儲介質讀寫的設備，其包括根據(jù)本發(fā)明的用于整形光束的光 束整形器。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)將參照附圖在以下描述中進行更加詳細的 說明?？梢悦鞔_的是，本發(fā)明不限于此示例實施例，并且在不背離本發(fā)明 的范圍的情況下，可以適當?shù)亟M合和/或修改所詳細說明的特征。在附圖中
圖1示出了一種從全息存儲介質讀取和/或向全息存儲介質寫入的設 備的示例裝置，
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的，使用部分反射鏡的光束整形器的 第一實例，
圖3示出了圖2的部分反射鏡的反射率，
圖4示出了生成的第一整形光束的光強分布， 圖5示出了生成的第二整形光束的光強分布，
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的，使用衍射光學元件的光束整形器的第二實
圖7示意性地示出了圖5中的衍射光學元件的特性，以及
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的，用于從入射光生成第一整形光束的方法。
具體實施例方式
下面，本發(fā)明針對從全息存儲介質讀取和/或向全息存儲介質寫入的設 備進行闡釋。當然，本發(fā)明不限于此應用。
在全息數(shù)據(jù)存儲中，通過記錄在兩束相干激光疊加中所產(chǎn)生的干涉圖 來存儲數(shù)字數(shù)據(jù).圖l示出了從全息存儲介質讀取和/或向全息存儲介質寫 入的設備1的示例裝置。諸如激光二級管2的一個相干光源發(fā)射光束3， 所述光束由校準透鏡4予以校準，之后被分成兩個不同的光束7和光束8。 此實例中，使用第一光束分離器5來劃分光束3。當然，同樣也可使用其 他光學部件來實現(xiàn)此目的?？臻g光調制器(spatial light modulator, SLM)6調 整兩個光束之一的所謂的"物光"7，使其附帶一個二維的數(shù)據(jù)圖。物鏡 10把物光7和另一束所謂的"參考光束"8聚焦到全息存儲介質11上， 例如，聚焦到一個全息光盤上。干涉圖出現(xiàn)在物光7和參考光8的交叉處， 且被記錄在全息存儲介質11的光敏層上。提供了光束整形器9，用于把激 光二級管2所發(fā)射的光束3的高斯光強分布轉換成一個幾乎平頂?shù)墓鈴姺?布。僅僅通過用參考光8照亮己記錄的全息圖就可以從全息存儲介質11 中獲得所存儲的數(shù)據(jù)。全息結構衍射參考光8進而生成一個同構于原始物
光7的重構物光12。該重構物光12由物鏡10校準，且由第二光束分離器 13導向一個諸如CCD陣列的二維陣列檢測器14中。該陣列檢測器14允 許重構已記錄的數(shù)據(jù)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明所述的光束整形器9的第一實例。該實例中， 使用光束整形器9生成分別作為第一整形光束和第二整形光束的物光7和 參考光8。將具有環(huán)形高斯光強分布的線性偏振激光3經(jīng)由偏振光束分離 器(PBS) 20和四分之一波片21，發(fā)送到部分反射鏡(partially reflective mirror) 22上。選取的部分反射鏡22的反射率的分布能滿足中心23處 具有高反射率，最好大于50%，而邊緣處的反射率遞減到一較低值，最好 接近于0%。這樣則可以減弱入射激光束30的中心光峰，從而使光強分布 變?yōu)槠巾敺植?。通過反射層的控制濺射(controlled sputtering)能容易地生 成具有這種反射率分布的部分反射鏡22。該傳輸光束充當物光7。為了使 偏振旋轉90°，反射光經(jīng)由四分之一波片21再次發(fā)送，并由偏振光束分離 器20予以反射。這一反射光被用作全息存儲系統(tǒng)1的參考光8。
圖2中，偏振光束分離器(PBS) 20和四分之一波片21用于生成物 光7和參考光8。當然，也可以用其他不同的方式生成參考光，比如，在 光束整形前通過光束分離器偏轉入射光3的一部分來生成參考光。此時并 不使用部分反射鏡22所反射的光?？晒┻x擇地，部分反射鏡22可相對入 射光束3略微傾斜。這樣地，把反射光從入射光3的光路中引導出去，從 而足以提供一個生成參考光8的光鏡。
圖3示出了部分反射鏡22的示例反射率分布。圖4和圖5分別示出 了生成的物光7和參考光8的光強分布(一維)。需要注意的是，光束是 圓形的。因此，不必要求參考光8和物光7的面積相等就能獲取相等的能
入射光3的光強分布為Exp(-r2)。該公式僅僅用在最多半徑r=1.268， 以便可以使用總能量的80%。部分反射鏡22的反射率分布為當半徑r 《1.16時，R(r)=l-0.26Exp(r2);當半徑r〉1.16時，R(r)=0。根據(jù)該反射率 分布，可以獲得物光7和參考光8的如圖4和圖5所示的光強分布。光束 7和光束8能量相等，從而使所記錄的全息圖具有高對比度。此外，雖然 使用了全部可用能量的80%,物光7仍具有幾乎平頂?shù)墓鈴姺植肌?br> 圖6示出了光束整形器9的第二實施例。該實施例中，采用具有偏振 亞波長結構31的衍射光學元件(diffractive optical element, DOE) 30，來 生成平頂物光7。在此情況下，需要對入射光3進行偏振(線性偏振或圓 偏振)。近來，研究表明可以實現(xiàn)具有亞波長結構的波片，比如半波片， 例如，可參見《Proc. OfSPIE》巻5623 (2005)，第259頁，WangJ丄等的 文章"創(chuàng)新型納米光學器件，集成和納米技術(Innovative nano-optical devices, integration and nano-fabrication technologies)"。 X寸于這些結豐勾，可 以進行低成本的批量生產(chǎn)。把這種結構31安置在玻璃基片32上，并局部 旋轉結構31，這樣就調整了傳輸光束的局部偏振。圖7示意性地示出了上 述過程。通過使用偏振光束分離器20來傳輸所生成的光束，則能夠任意 地調整傳輸光束7和8的光強分布。也可以把結構31直接安置在偏振光 束分離器20上，從而使系統(tǒng)更為緊湊。
圖7示意性地示出了衍射光學元件30的特性。箭頭代表了局域半波
片結構31的方向。旋轉角從內向外變化。因而，偏振光束分離器20所傳
輸?shù)墓饬侩S著光束的直徑的變化而變化，進而調整了光強分布。
上述實施例中，假定了一個圓形高斯光強分布。當然，本發(fā)明也可應 用于其他類型的光強分布，如， 一個橢圓的高斯分布，或者一個非高斯分 布。這足以能適應如反射率或對偏振的影響的可變化特性到具體的光強分 布。同樣，輸出波面也不限于幾乎平頂?shù)牟妫部缮善渌愋偷牟妗?br> 在圖8中，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的，從入射光3生成第一整形 光束7的方法。第一步驟40中，入射光3被照射進光束整形器9。在步驟 41中，具有隨著入射光3的波面的不同而在空間內變化的光學特性的光束 整形元件22， 30通過例如局部地改變入射光3的光強或偏振的方法來調 整入射光3的束波面。隨后，在步驟42中，生成第一整形光束7，比如通 過傳輸調整后的束波面，或者通過用偏振光束分離器20反射一部分的調 整后的束波面?？蛇x地，如虛線矩形框中所示，在步驟43中例如通過使 用不被用作第一整形光束7的入射光3的剩余部分生成第二整形光束8。
權利要求
1.一種用于從入射光(3)生成第一整形光束(7)的光束整形器(9)，包括具有隨著入射光(3)的波面的不同而在空間內變化的光學特性的光束整形元件(22，30)，其中，空間內可變的光學特性是空間內可變的反射率和對入射光(3)的偏振在空間內可變的影響其中之一。
2. 如權利要求1所述的光束整形器，其中，光束整形元件(22)的反 射率從光束整形元件(22)的中心處向光束整形元件(22)的邊緣處遞減。
3. 如權利要求1所述的光束整形器(9)，其中，光束整形元件(30)具 有局域波片(31)，該局域波片的定位相對于入射光(3)的偏振方向的變 化而在空間內變化。
4. 如權利要求3所述的光束整形器，其中，局域波片(31)是半波片。
5. 如權利要求1至4中的任一項所述的光束整形器，進一步包括用于 從入射光(3)生成第二整形光束(8)的光束分離器(20)。
6. 如權利要求5所述的光束整形器，其中，光束分離器(20)是一個 偏振光束分離器。
7. 如權利要求6所述的光束整形器，進一步包括用于旋轉來自光束整 形元件(22， 30)的光束的偏振方向的四分之一波片(21)。
8. —種從光存儲介質(11)讀取和/或向光存儲介質(11)寫入的設備， 包括如權利要求1至4的任一項所述的用于從入射光(3)生成第一整形 光束(7)的光束整形器(9)。
9. 如權利要求8所述的設備，進一步包括用于從入射光(3)生成第 二整形光束(8)的光束分離器(20)。
10. 如權利求要求8或9所述的設備，其中，該設備適用于從全息 存儲介質讀取和/或向全息存儲介質寫入。
11. 如權利要求IO所述的設備，其中，第一整形光束(7)和第二 整形光束(8)是物光和參考光。
12. —種光學裝置，包括如權利要求1至7的任一項所述的用于從 入射光(3)生成第一整形光束(7)或生成第一和第二整形光束(7， 8) 的光束整形器(9)。
13. —種用于從入射光(3)生成第一整形光束(7)的方法，包括 用具有隨著入射光(3)的波面的不同在空間內變化的光學特性的光束整 形元件(22， 30)調整入射光(3)的束波面的步驟41，其中，空間可變 的光學特性是空間內可變的反射率和對入射光(3)的偏振在空間內可變 的影響之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光束整形器(9)和一種使用該光束整形器(9)從光學存儲介質(11)讀取和/或向光學存儲介質(11)寫入的設備。根據(jù)本發(fā)明，一種用于從入射光(3)生成第一整形光束(7)的光束整形器(9)包括具有光學特性的光束整形元件(22，30)，該光束整形元件的光學特性隨著入射光(3)的波面的不同而在空間內變化。
文檔編號G11B7/135GK101339298SQ20081011097
公開日2009年1月7日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權日2007年7月2日
發(fā)明者喬基姆·克尼特爾 申請人:湯姆遜許可公司