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1、华中科技大学 硕士学位论文 红光高清光电存储光学头全衍射物镜研究 姓名：邹琦 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：张新宇 20090529 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 本文设计了一种适用于红光高清光电存储（Next-Generation Versatile Disc，简称 NVD）光学头的新型物镜。要求能在约 3 毫米焦长处，获得约 0.5 微米尺寸的焦斑 并得到高的光能利用率。基于此，本文提出了新的全衍射光存储光学头物镜方案， 通过设计和制作纯相位型的衍射光学元件（Diffractive Op
2、tical Element，简称 DOE） ， 实现大容量、高密度的光电信息存储和读取。论文的主要工作包括： （一）研究适用 于毫米级近场衍射聚焦的 DOE 设计算法，获得 DOE 的相位结构； （二）研究硅基微 纳光学元件的工艺技术，制作原理性的全衍射 DOE 物镜器件。 由于 NVD 光学头物镜的焦距，分布在如上所述的近场范围内，传统的 DOE 设 计算法如盖师贝格撒克斯通算法（Gerchberg-Saxton Algorithm,简称 GS 算法） 已不 适用。 本文对 GS 算法进行了改进，采用对衍射问题的求解更为精确的瑞利索末菲 （Rayleigh-Sommerfeld）衍射积分变换
3、取代菲涅耳（Fresnel）变换，并将其置于 GS 算法的串行迭代架构之上。数值计算与仿真结果显示，采用改进后的算法所设计的 DOE 物镜，可以在所要求的范围内获得所需的衍射聚焦效果。 本文所采用的 DOE 物镜制作方法也有别于传统的微光学器件工艺，不需要精密 复杂的套刻操作。仅通过单步光刻和相对廉价的湿法腐蚀步骤，制作具有纳米特征 尺度、表面相位台阶连续分布的 DOE 器件。对所制器件进行的表面形貌测试显示， 所制作的 DOE 物镜，其台阶轮廓完整清晰，表面粗糙度在几十纳米范围内，达到了 光学镜面要求。光学测试显示，DOE 物镜具有所要求的光学性能指标。对进一步发 展实用化的全衍射 DOE
4、物镜，奠定了理论和工艺基础。 关键词：关键词：光学头衍射物镜，瑞利索末菲积分变换，串行迭代算法，单步光刻， 湿法腐蚀 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract In this thesis, a new type of optical pick-up objective lens (OL) for next-generation versatile disc (NVD) system of red-laser-high-definition optical storage system, is designed. Th
5、e performances such as the focal spot size being about 0.5m, the focal length being about 3mm, and having high utilizing efficiency of optical radiation, are demanded. Based on the requirements above, a new scheme of diffractive pick-up OL for NVD, is proposed. Through designing and fabricating phas
6、e-only diffractive optical element (DOE), the high-capacity and high-density optical information storage and reading is realized. The main works of the thesis include: (1) acquiring the design algorithm of DOE-OL, which is suitable for the near-field (or in the millimeter range) diffraction focusing
7、, and then obtaining the fine phase structures and their distribution of DOE-OL; and (2) studying the silicon-based fabrication technology of micro-nano-optics device, and then fabricating the prototyped DOE-OL. Because the focal length of NVD-OL is in the range mentioned above, the traditional Gerc
8、hberg-Saxton (GS) algorithm used to design the fine phase structure of DOE is not suitable. In this thesis, the GS algorithm is modified through substituting Fresnel Diffractive Integrating Transformation by Rayleigh-Sommerfeld Diffractive Integrating Transformation, according to which more exact co
9、mputation result can be obtained, and is put over the serial iterative algorithm. Numerical calculation and simulation show that the needed diffractive focusing performances of DOE-OL designed by the new algorithm improved by us can be acquired in the focal length range required. The fabrication met
10、hod of DOE-OL introduced in this thesis is also different with other traditional fabrication approach of micro optical device, in which the accurate and complex multi-step photolithography is not needed. The DOE device with nano-scale features and continuous phase-step distribution, can be fabricate
11、d only through single-step photolithography and low cost wet etching process. The morphology testing demonstrates that the phase-step contour of DOE-OL fabricated is complete and clear, and the surface roughness is in nanometer range, which reaches the level of optical mirror. Optical measurements s
12、how that the DOE-OL already has the expected optical performances. The basic theory and micro-nano-technology established will play a very important role for further developing practical DOE-OL. Key words: Diffractive Pick-up OL, Rayleigh-Sommerfeld Diffractive Transformation, Serial Iterative Algor
13、ithm, Single-Step Photolithography, Wet Etching II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借
14、阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 研究背景 1.1 研究背景 光电存储系统主要由光学头、光盘、伺服驱动以及电子学结构等组成。迄今为 止已商用化的CD和DVD等，就是光电存储系统的典型代表。当前国内国际市场上主 流
15、的CD、DVD系统的关键技术参数为：工作波长约780nm和650nm，光学头物镜的 数值孔径约0.45和0.6，单记录层存储容量0.65GB和4.7GB，RMS波前误差小于0.07 和0.033等。 随着信息传播、记录、处理和显示技术等的快速发展，人们对光存储系统的数 据存储容量和密度、读写速度、功耗、结构尺寸和重量等方面的性能指标，提出了 更高要求。同时，光存储技术广泛应用所带来的巨大市场容量和诱人商业前景，也 推动着世界各主要国家在该项技术领域的发展和进步。目前，日本、美国、欧盟和 我国台湾省等国家和地区，都在积极开展下一代大容量、高密度光存储系统的研发 工作1-2。根据相关文献资料，我们
16、可以描绘出下一代光存储系统的主要技术特征： （一）更大的数据存储容量和密度；（二）更快的数据读取速度；（三）更高的能 量利用率；（四）采用数值孔径更大的物镜系统；（五）采用波长更短的蓝色激光； （六）系统的RMS波前误差85。ICP刻蚀完成后，光 刻胶上的图形已转移到基片上。将硅片放入去胶机去除表面的光刻胶，便可得到 硅结构被裸露出来的方形微孔所组成的SiO2掩模结构。在扫描电子显微镜和光学 显微镜下所观察到的刻蚀结果如图4.7所示。 (a) 32 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (b) 图 4.7 ICP 刻蚀去胶后 （a）SEM 照片， （b）光学显微照片 4.4 化学刻蚀 4.4 化学刻蚀 4.4.1 刻蚀原理刻蚀原理 硅的腐蚀一般分为干法和湿法两种。 干法腐蚀主要基于物质的物理化学效应， 具有制作精细度高，适用范围广，可用于半导体、导体和绝缘体等材料的加工的 优点。干法腐蚀对工艺的操作要求高，制作过程复杂，成本高昂。湿
