光盘技术 X页

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1、122光学基础一为波的光的性质在几何光学中，将光作为光线进行考虑，因此表现出折射与反射的现象，几何光学不 认为光是波动的，应用于与光线近似的，实用上不存在问题的对象中。例如：象自然光这种 没有相干性的光（称为不相关光）的成像与光线十分接近，但是在应用象激光那样具有一定 的相干性的光（称为相干光）的场合下，就不能将光作为光线而应将它作为波来考虑了。光是电磁波的一种，通过光的波动来说明光的各种现象的领域称为波动光学。波动光 学大致可分为干涉、衍射和偏光3个领域。下面将要说明的是光的波动现彖以及在光检取器 的理解重要的概念双重折射。（1）干涉波动有纵波与横波。纵波是指波动方向与前进方向的一致的波。横

2、波是指波动与前进 方向成直角的波。光属于横波，如图1.16所示，从光源S发出的光一边振荡一边沿箭头方 向前进。图中所示，光一边在振动强到振动弱的区域中往返振荡一边前进。设这种波动为 U ,则U可用式（1-10）表示，U = acos 17iv t +6*0（1-10）I V cj J波动的振幅v：光的振动数c：光速、t：时间 起始相位丿光的干涉现彖是指当这种波动的光重叠时，振峰重叠的地方就更强，峰与谷重證的地 方就减弱。例如从光源S发出的光由半透镜分为二股，通过其它光路乂在P点重合（图1.17）。这时二股光路的光程差/用式（1-11）表示，A/ = HM +MP-HP（1-11）设光的波长为/

3、I,当/为2/2的偶数倍时，P点的光互相加强，P点就更亮了（这时 波峰与波峰一致）。若/是2/2的奇数倍，贝ij光互相削弱，P点变暗了（这时波峰与波 谷重合）。综合如式（112）所示，2N = 2N 明2；(M2)= (2 + 1)-暗2（N：整数）综上所述，干涉现象是由光的波动性引起的，因2股光的光程差而产生明暗现彖，其 明暗变化是以波长兄为基准的，与2之前存在式（112）所示的关系。衍射在几何光学中，光是一直向前的，如果遇到障碍物就会出现影子，但光是波动的，不 遵从直进的法则，会出现绕过影了部分的现象，这种现象称为衍射。具体如图1.18所示，使光径开孔处射入，在开孔以外木应是影了的部分，光

4、线绕进来 了。图1.19是通过边缘产生衍射的实例，从图右边可知，在应成为影子的部分也绕进了很 多光，另外在不是影了的部分产生了微细的干涉图案，这时由边缘衍射的波与直进的波产 生的干涉现象造成的。在光盘存储器中，预先格式化系统利用细微的符号（凹部）产生的衍射，读出信息。（3）偏光光是振动方向与前进方向相垂直的横波，如图1.20所示，当光在空气或备向同性媒体 中前进时，作为电磁波的光中的电振荡E和磁振荡H是并行向前的，因此虽然后面我们只 就电振荡进行说明，但请不要忘了同时还存在磁振荡。如01.21（a）所示,电振荡E可分解为x轴方向的振荡成分Ex及y轴方向的振荡成分Ey,其关系如式（113）所示，

5、E二瓦 + 瓦（1-13）可表示为兀、y的向量合成。当兀、y方向的振荡同相时，即两者的相位差0为0时，其合成振荡如图1.21（b）所示，这时即使光在前进，其振动方向也不会变化，这种情况称为肓线偏光。当八y振荡的相位差0为45时，其合成振荡如图1.22（b）所示，随着光的前进其方 向发生变化，这时从前进方向可观测到振荡的轨迹呈椭関形，称为椭圜偏光。图1.23中显 示的是0为90的情况，这种情况称为圆偏光。以上所述的是光作为电磁波从振动方向着眼所考虑的偏光现象，在光磁盘存储器中是 通过检出信息的偏光不同进行信息读取的。（4）双折射在彖玻璃、槊料Z类的物质中，光的传播在各个方向是相等的，这种物质称为

6、备向同 体或各向同性介质。射入备向同体的光线遵守斯内尔定律（snell）进行折射，还有一些结 晶体当光线射入后，光线在介质中分为两种不同的折射光进行传播，这种现象称为光学上 的各向异性或双重折射性。双重折射是由于光在并行的两种偏光介质中的传播速度，即折 射率不同而产生的。在各向界性的结晶体内，折射光不产生双重折射的方向称为结晶的光轴。折射光只要 沿光轴前进就不会改变偏光的状态，即对于沿光轴方向传播的光，双重折射性的结晶与备 向同性的结晶作用相同。在显示出双重折射性物质中的折射光，其传播方向和光线速度随入射角度的变化而变 化，这时称传播方向与光线速度遵守斯内尔定律的直线偏光为正常光线，而不遵守斯

7、内尔 定律的肓线偏光为异常光线。界常光线的光线速度随光线在物质中的前进方向而变化。我们称包含结晶的光轴和入射光进行方向的面为主断面，正常光线是以与主断面垂育 的方向振荡的真线偏光，其传播速度与方向无关是固定的。异常光线的振荡方向与正常光 线的振荡方向垂直，因此它是与主断血平行的育线偏光，传播速度随方向变化。异常光线一般是沿脱离入射面（包含入射光与正常光线的面）的方向传播的，但当入 射面与主断血一致时，正常光线、异常光线均在入射面内，因此当以某种角度射入结晶的 光的振动方向在结晶中被分为垂肓与平行的部分时，这两股光就呈现出双重折射性。1-2-3激光的特性（1）高斯射束如图1.24所示，半导体激光

8、的输出射束的断面（横）方向的强度分布大致呈高斯分布状态，称为高斯射束。高斯射束的重要特征就是断面方向强度分布的形状与射束的传播位 置无关，均呈相同的形状，其强度分布/可由式（114）表示，(1-14)兰27lV I Wd距激光中心的距离W：激光光束的半径（中心强度的1/）P:激光功率Z将达到中心强度的1/的直径称为光点尺寸（或光束直径），其中包含全光量的86.5%。如图1.25所示，光束的光点尺寸（激光光束直径）2w呈双曲线形传播，光点尺寸达到 最小值的位置称为射束中点（beamwaile）。在射束中点波面是平面，而在其它位置呈现 的是曲率半径为R的球血波，式（115、116）表示了光是如何从

9、射束中点扩展的，其关RI系见图1.25,(1-15)(1-16)在距射束中点充分远的地方，光点尺寸2vv以接近9 = 2/砂。的关系进行扩散。式（117、1-18）表示了高斯射束可集光到什么地方,(1-17)(1-18)式中设在某点的光点尺寸为2w,波面曲率半径为/?,最小光点尺寸为2%,到光朿中点的距离为Z。（2）高斯射束通过透镜后的性质（在透镜孔径很大、激光射束不会被实质上截取的情况下） （i ）光点尺寸：激光在几何光学上是无像差的，但用透镜集光形成的成像光点的大小不 会为0。这是因为光是波动的，存在衍射现象。在忽略厚度的薄透镜中，入射的高斯射 束的波曲会发生变换，但光点尺寸不变。在图1.

10、26中，设紧靠透镜左侧的波瓯曲率半R、凡 f径为尺，紧靠右边的为透镜的焦距为/,则波面的变换可由式（119）给出，(1-19)即使是在厚透镜或透镜系统中，如果引入了主平面和合成焦点距离的思想，也可以用 在几何光学中所述的方法进行同样的处理。如图1.27所示，设输入的波面为平血(强度 为高斯分布)，即在图1.26中的&为无限大，因此波面曲率半径/?和透镜的焦点距离f相等。在光盘系统的对物透镜中，因为所以图1.27的射束光点尺寸2W()可用式(1-20)表示。由此可见，虽然激光没有像差， 但因衍射光点会扩大，其大小可由光的波长入和射出角B 决定。(ii) 深度：集光后高斯射朿的光点大小是很重要的，

11、但集光点前后的强度对于了解焦 点偏移的影响程度也是很重要的，我们将光轴上强度分布为最大值的80%或5()%的像面 到最大值像面(射束中点)的距离定义为深度Zo$或厶.5高斯射束其强度分布在任何传播位置都是相似的，强度分布的峰值I与光点尺寸的 平方成反比，因此设图1.25中射束中点(Z=0)的强度峰值为I。，则由式(115)可得 式(1-21)。深度Zo.8和Zo.5可由式(1-22)计算得到,将其代入式(1-20)可得式(1-23)。 由此可知，射出角()越大，深度越浅。C3)由圆形开孔引起的截取透镜的开口口径是有限的，所以射束的周围部分当然会出现截取(truncation)现象。 在光盘中一

12、般采用的方法是加粗向物镜的入射光束，增多截取。图1.2&显示了高斯光束入 射物镜的射朿情况。截取的效果是，若透镜缩小，光的损失就增加，光点尺寸变大，深度增大，另外如果 使入射的高斯光束增粗，截取增加，相应地光的损失就增多，然而就更接近平面波，产 生同心圆装的光轮，光点变小，深度变浅。(i )透射率定义光点尺寸为2Wa的高斯射朿，被半径为汕勺圆形开孔对称，遮挡时的透射率为T, 截取的系数m为m=a/wa,则T可用式(1-24)表示，可计算出与光点尺寸半径相同的开 孑L (m=l )时的透射率为86.5%。(ii) 强度分布：高斯射束集光后，仍呈高斯分布，随开孔的增加截取就增多。当截取 系数m的值

13、接近0时，其强度分布呈现出与平血波(强度分布在波面中是一定的)集光 时产生的同心圆状的光轮所具有的强度分布相似的情形。设中心(光轴)处的强度分布规格化为1,则通过圆形开孔使平面波成像时的光点 的强度分布，可用式(1-25)表示，这个式子表示了具有称为Airg图形的半凸(side rope) 的光点的形成过稈，其形状如图1.29所示，光点尺寸Wo由式(1-26)表示。最初Z (r)为0时的半径为0.61 X/NA,这个半径称为Airy光盘半径，在这个半径 中包含了全光量的83.8%o(iii) 光点尺寸；图1.30表示的是，有截取时的高斯射束中相对强度为50%和1/J时的光 点尺寸2W().5m

14、,2wem与无截取时的光点尺寸2W0.5, 2We的比是截取的系数m的函数。由 图1.30可知，若透镜位置的光点尺寸2Wa定，贝I缩小透镜使截取系数m减小，光点强 度的相对分布就相应扩大。另外，用平面波的光点尺寸2w将有截取的高斯射束的尺寸2Wg规格化后的值是m 的函数。如图1.31所示，由图1.31可知，在开孔半径一定的情况下，加大入射射束的光点尺寸2Wj则截取增大，若减小截取系数m,则光点就变小。当然m越小光点越小， 则这会使透过透镜的光的比例减小，所以设计时应选择适当的（iv）深度：因为高斯射束在传播位置的强度分布即使在有截取的情况下，仍然接近高 斯分布，所以可以通过分布的峰值即在光轴上

15、的分布了解整体的分布情况。射束强度为80%和50%时的值Z,即深度Zo.8m，Zom的值与没有截取时的乙）湎，Zo.5m 的比可表示为m的函数。如图1.32所示，缩小透镜，截取增加，深度随Z增加。对于相同的口径a,有截取时的高斯射束的深度Z0.8m, Z0.5m与平面波的深度ZO.Sm, Z0.5m的比，用m的函数可表示为图1.33所示的图形。由图可见，截取很大时, 其比接近1,即与平面波的深度相等。（4）介质的折射率与光点尺寸的关系；下血求一下，介质的折射率n发生变化，高斯射束从射束中点离开时，在真空和空气 中同一光点尺寸的关系表达式。设真空中的波长为入丫，与射朿中点的距离（机械性距离）为Zv，在折射率为n的介质 中的波长和距离为入為,则由式（1-15）可得式（1-27）,由此可知,在折射率为n的介 质中前进了机械距离的光点尺寸，可在真空中Zv=Zm/n的位置获得。式（1-27）表示, 高斯射束通过折射率为n、厚度为t的介质后，所得的光点尺寸与通过血犀度的真空或空气 时的光点尺寸相同。1.2.4光检取器的光学部分部件（1）半导体激光器的原理与结构在光盘表面要将光点集光到衍射的界限，则需要相干光源，半导体激光器（Laser Diode:LD），因为体积小且能够对光进行打开和关闭（调制），所以是减