Способ и устройство считывания данных с носителя из стекла Российский патент 2019 года по МПК G11B7/05 G11B7/1359 

Область техники

Изобретение относится к анализатору поляризации излучения, способу считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, и устройству для считывания информации с такого диска и может быть использовано во всех областях вычислительной техники, где требуется производить считывание ранее записанных больших массивов информации на компактных носителях.

Предшествующий уровень техники

Важнейшими техническими проблемами, стоящими на пути считывания информации в реальном времени с многоуровневых многослойных оптических дисков с информацией в виде наведенной анизотропии в трехмерном объеме кварцевого стекла, являются создание высокоскоростного анализатора поляризации для регистрации состояний поляризации излучения, прошедшего через среду с наведенной анизотропией, и на его основе создание способа и устройства считывания информации в реальном времени.

Оптические носители с многократно увеличенной плотностью записи и с почти неограниченным сроком службы известны из статьи «Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass.» [Zhang J, , Beresna M, Kazansky PG, Phys Rev Lett. 2014 Jan. 24; 112(3):033901. Epub 2014 Jan 23], ранее рассмотренные Martynas Beresna (см. [Реферат к диссертации на соискание ученой степени доктора философии «Polarization engineering with ultrafast laser writing in transparent media», Исследовательский центр Оптоэлектроника Инженерного факультета естественных наук и математики Университета Саутгемптона, Август 2012, сс. 27-30, части 3.1.1 и 3.2]). В статье описан способ записи информации на носителе из кварцевого стекла фемтосекундным лазерным излучением за счет поляризационно-зависимого двулучепреломления, величина которого зависит от энергии облучения. В результате возникают точки (питы) наведенного двулучепреломления, характеризуемые фазовым сдвигом и азимутом медленной оси. Причем фазовый сдвиг зависит от энергии записи, а ориентация медленной оси перпендикулярна плоскости поляризации излучения лазера записи. В отличие от общеизвестных систем оптической записи (оптические диски типа CD, DVD, Blue-Ray), где информация на диске заключается в длине записанного пита, в предложенном способе в единичном пите наведенного двулучепреломления теоретически может содержаться до 8 бит информации: 3 бита (8 градаций) фазовой задержки и 5 бит (32 градации) азимута медленной оси в диапазоне 0°-180°. Авторами отмечена возможность многослойной записи информации в объеме кварцевого стекла, что многократно увеличивает потенциальную плотность записи. Кроме того, утверждается о возможности неограниченного срока хранения информации на оптическом диске, что при невозможности режима перезаписи информации делает этот способ записи перспективным для хранения архивной информации. Считывание информации при таком способе записи требует анализа состояния поляризации излучения, прошедшего через оптическую среду, что требует решения ряда сложных задач при проектировании считывающего устройства.

Известно использование традиционного поляризационного микроскопа для исследования записанных питов (см. [Реферат к диссертации на соискание ученой степени доктора философии Martynas Beresna «Polarization engineering with ultrafast laser writing in transparent media», Исследовательский центр Оптоэлектроника Инженерного факультета естественных наук и математики Университета Саутгемптона, Август 2012, сс. 27, 28]), их визуализация осуществлялась проходящим светом через исследуемый образец в скрещенных поляризаторах, изменение интенсивности прошедшего света позволяют качественно оценить фазовую задержку и определить с известной точностью азимут медленной оси. Количественный анализ требует более сложного измерения, которые включают в себя, по меньшей мере, четыре измерения интенсивности прошедшего света при различных положениях линейного анализатора поляризации. Это потенциально долгая процедура измерения.

В другом примере, в упомянутом реферате Martynas Beresna на сс. 29, 30 использовался микроскоп фирмы CRI Instruments типа LC-PolScope IM (см. также [Реклама на Поляризационный микроскоп LC-PolScope IM фирмы CRI Instruments, листы 1-4], в котором в качестве анализатора поляризации использован универсальный компенсатор, построенный из двух переменных замедлителей и линейного анализатора поляризации, а регистрация интенсивности прошедшего излучения осуществляется ПЗС матрицей. Замедлители изготовлены из жидких кристаллов и могут управляться с помощью напряжения постоянного тока, подаваемого электронным контроллером, подключенным к персональному компьютеру, это исключает механическое вращение анализатора поляризации, автоматизирует процесс измерения и позволяет дать количественную оценку наведенного двулучепреломления. Известная конструкция анализатора поляризации -поляризационного микроскопа достаточно сложна.

Фирмой Thorlabs разработан анализатор поляризации излучения РАХ5710 [Техническое описание на изделие Анализатор поляризации РАХ5710/РАХ5720 фирмы Thorlabs GmbH, 2008], в котором используется аналогичная схема анализатора поляризации с замедлителями, изготовленными из жидких кристаллов, а регистрация прошедшего излучения осуществляется единичным фотоприемником с последующей обработкой и выводом информации на персональный компьютер.

Во всех этих системах сохранен алгоритм последовательного измерения поляризационных составляющих интенсивности анализируемого излучения, что предопределяет большую длительность процесса измерения. Вопрос считывания информации в реальном времени при использовании такого типа анализаторов в принципе не решен.

Известны способы считывания информации из объема многослойных оптических дисков [RU 2456684 С2, G11B 7/257, 2011; WO 2008142676 А2, G11B 7/24, 2008] путем регистрации интенсивности фотолюминесценции, получаемой после воздействия лазерным излучением на слои соответствующего многослойного оптического диска. Такие диски не позволяют обеспечить долговременное хранение больших объемов информации, необходимые при архивировании.

Упомянутые способы считывания не могут быть применены для считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла.

Известен способ считывания информации с упомянутого многослойного оптического диска с использованием микроскопа фирмы CRI Instruments типа LC-PolScope IM [Реферат к диссертации на соискание ученой степени доктора философии Martynas Beresna «Polarization engineering with ultrafast laser writing in transparent media», Исследовательский центр Оптоэлектроника Инженерного факультета естественных наук и математики Университета Саутгемптона, Август 2012, сс. 29, 30 и Реклама на Поляризационный микроскоп LC-PolScope IM фирмы CRI Instruments, листы 1-4], в котором качестве зондирующего использовалось монохроматическое излучение 515 нм с полосой пропускания 8 нм и с круговой поляризацией, что исключает неопределенности при измерениях, когда плоскость поляризации ориентирована вдоль медленной или быстрой оптической оси наведенного двулучепреломления, а в качестве анализатора поляризации использован универсальный компенсатор, построенный из двух переменных замедлителей и линейного анализатора поляризации. Замедлители изготовлены из жидких кристаллов и могут управляться с помощью напряжения постоянного тока, подаваемого электронным контроллером, подключенным к персональному компьютеру, что исключает механическое вращение анализатора поляризации.

При использовании известного анализатора поляризации в способе считывания информации сохранен алгоритм последовательного измерения поляризационных составляющих интенсивности анализируемого излучения, что предопределяет большую длительность процесса измерения. Вопрос считывания информации в реальном времени при использовании такого типа анализаторов в принципе не решен, при том, что конструкция известного анализатора поляризации - поляризационного микроскопа сложна.

Известны устройства считывания информации из объема многослойных оптических дисков, не позволяющие обеспечить долговременное хранение больших объемов информации, необходимые при архивировании [RU 2414011 C1, G11B 7/00, 2009; RU RU 2414012 С1, G11B 7/00, 2009; RU 2503069 С2, G11B 7/24, G11B 7/252, 2009; WO 2008142676 А2, G11B 7/24, 2008]. Такие устройства не могут быть применены для считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла.

Известное устройство [WO 2008142676 A2] для считывания информации в объемных средах, включает два источника излучения с различными длинами волн, оптически сопряженных с одной фокусирующей системой, снабженной средствами управления положением фокусировки излучения на одном из информационных слоев. Оно используется для считывания изменения интенсивности люминесценции в слоях многослойного оптического диска.

Известно устройство считывания информации с упомянутого многослойного оптического диска с информацией в виде наведенной анизотропии показателя преломления в трехмерном объеме кварцевого стекла [Реферат к диссертации на соискание ученой степени доктора философии Martynas Beresna «Polarization engineering with ultrafast laser writing in transparent media», Исследовательский центр Оптоэлектроника Инженерного факультета естественных наук и математики Университета Саутгемптона, Август 2012, сс. 29, 30 и Реклама на Поляризационный микроскоп LC-PolScope IM фирмы CRI Instruments, листы 1-4], в котором имеются последовательно размещенные на одной оптической оси источник излучения, интерференционный фильтр на длину волны 515 нм с полосой пропускания 8 нм, поляризатор, четвертьволновая пластина, фокусирующий объектив, многослойный оптический диск из кварцевого стекла, в котором информация записана в виде наведенной анизотропии показателя преломления, а анализатором поляризации является универсальный компенсатор построенный из двух переменных замедлителей и линейного анализатора поляризации, в качестве регистратора интенсивности прошедшего излучения используется ПЗС матрица. Замедлители изготовлены из жидких кристаллов и могут управляться с помощью напряжения постоянного тока, подаваемого электронным контроллером, подключенным к персональному компьютеру, что исключает механическое вращение анализатора. Конструкция анализатора поляризации -поляризационного микроскопа сложна, а также сохранен алгоритм последовательного измерения поляризационных составляющих интенсивности анализируемого излучения, что предопределяет большую длительность процесса измерения. Вопрос считывания информации в реальном времени при использовании такого типа анализаторов поляризации в принципе не решен.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого дифференциального анализатора поляризации является повышение скорости определения состояний поляризации и его упрощение.

Техническим результатом предлагаемого способа считывания является повышение скорости определения состояний поляризации и упрощение анализатора поляризации.

Техническим результатом предлагаемого устройства считывания является повышение скорости определения состояний поляризации и упрощение дифференциального анализатора поляризации.

В соответствии с изобретением, технический результат достигается тем, что предложен дифференциальный анализатор поляризации излучения, поступающего на его вход при работе, содержащий светоделительную пентапризму с двумя поляризационными клиньями из двулучепреломляющих кристаллов, первым и вторым, при этом на первой отражающей грани пентопризмы имеется интерференционное светоделительное покрытие для возможности деления входящего излучения в квазиравных соотношениях по интенсивности на излучения отраженное и проходящее для Р- и S-поляризаций, соответственно, названной светоделительной гранью и расположенной под углом наклона от 5 и не более 10 угловых градусов по отношению к плоскости входной грани, первый поляризационный клин находится в оптическом контакте со светоделительной гранью, его кристаллическая оптическая ось лежит в плоскости светоделительной грани и составляет угол 45° с плоскостью ортогональной одновременно входной грани и основанию пентапризмы и предназначен для возможности разведения им прошедшего излучения по углу в плоскости, ортогональной входной грани и основанию пентапризмы, на два излучения, имеющие ортогональные поляризации с плоскостями поляризации, соответственно, составляющими 45° и 135° с упомянутой плоскостью, с интенсивностями I₄₅ и I₁₃₅ выходных излучений, второй поляризационный клин находится в оптическом контакте с основанием пентапризмы, его кристаллическая оптическая ось лежит в плоскости основания пентапризмы и ортогональна плоскости входной грани и предназначен для возможности разведения им по углу в плоскости, ортогональной входной грани и основанию пентапризмы, на два излучения двух ортогональных поляризаций отраженного излучения с плоскостями поляризации, соответственно, составляющими 0° и 90° с упомянутой плоскостью и с интенсивностями I₀ и I₉₀ выходных излучений, а также содержащий четыре фотоприемника, попарно оптически сопряженные с соответствующим поляризационным клином и электрически сопряженные с блоком обработки информации для возможности вычисления состояний поляризации входного излучения.

Преимуществом заявленного дифференциального анализатора поляризации является предложенная новая и неочевидная совокупность заявленных признаков светоделительной пентапризмы с поляризационными клиньями при их оптической сопряженности с соответствующей парой фотоприемников, электрически сопряженных с блоком управления, позволившая заменить сложнейший поляризационный микроскоп фирмы CRI Instruments типа LC-PolScope IM [Реклама на Поляризационный микроскоп LC-PolScope IM фирмы CRI Instruments, листы 1-4] или анализатор поляризации излучения Фирмы Thorlabs РАХ5710 [техническое описание на изделие Анализатор поляризации РАХ5710/РАХ5720 фирмы Thorlabs GmbH, 2008]. При этом заявленный анализатор поляризации является дифференциальным, так как при изменении фазовой задержки наведенного двулучепреломления происходит разнонаправленное изменение интенсивностей излучений каждой пары каналов, соответственно, I₀, I₉₀ и I₄₅, I₁₃₅.

Таким образом заявляемый технический результат достигнут -увеличена скорость определения состояний поляризации и значительно упрощена конструкция анализатора поляризации.

Технический результат достигается также тем, что

- два фотоприемника, помещены в фокальной плоскости первой фокусирующей линзы, оптически сопряженной со вторым поляризационным клином,

- другие два фотоприемника, помещены в фокальной плоскости второй фокусирующей линзы, оптически сопряженной с первым поляризационным клином.

Известна светоделительная пентапризма фирмы Edmund Optics [Каталог фирмы Edmund Optics, сс. 1 и 162, Penta Prisma Beamsplitter и лист спецификации], созданная путем соединения пентапризмы и оптического клина и наличия интерференционного покрытия на одной светоделительной грани, находящейся напротив входной грани. Нами оставлено аналогичное интерференционное покрытие, определен наклон светоделительной грани, требуемый для достижения поставленного технического результата, оптический клин заменен на поляризационный и введен второй поляризационный клин, помещенный на выходе луча из пентапризмы, что определяет новизну и неочевидность совокупности признаков заявленного изобретения.

Следует заметить, что имеется патент [US 2003193667 A1 от 16.10.2003, МПК G01J 4/00, Krause Egbert, Bandemer Adalbert, Thorlabs GMBH], в котором предложена калибровка поляриметра, «имеющего по меньшей мере четыре детектора, каждый детектор генерирует ток, связанный с параметром Стокса, в ответ на световой сигнал, поступающий на поляриметр» (см. пункт 1 формулы изобретения патента US 2003193667 A1). Наличие четырех детекторов возможно позволяет воспроизводить параллельную регистрацию составляющих поляризации с приемлемой скоростью, но нигде в описании и формуле изобретения не сказано каким образом происходит разделение излучения для регистрации четырьмя детекторами.

Кроме того, нами нигде не обнаружены заявленная светоделительная пентапризма с поляризационными клиньями и использование пентапризмы в схемах считывания информации.

В известных нам источниках информации не найдена предложенная нами совокупность признаков, что подтверждает наличие новизны предложения. Кроме того, считаем, что из всех обнаруженных нами источников информации не вытекает возможности получения в сумме, предложенной нами совокупности признаков, что подтверждает неочевидность предложения.

Реализация предложенного изобретения основана на известных методах, широко используемых в оптической промышленности. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

В соответствии с изобретением, технический результат достигается тем, что предложен способ считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла (далее - Диск), по крайней мере с одним информационным слоем, включающий фокусирование лазерного излучения, имеющего круговую поляризацию, по крайней мере на информационном слое Диска, коллимирование излучения, прошедшего через Диск и имеющего, в общем случае эллиптическую поляризацию, направление его на вход дифференциального анализатора поляризации, описанного ранее и вычисление фазовой задержки и азимута медленной оси наведенного двулучепреломления, в соответствии с формулами - для фазовой задержки

для азимута медленной оси

где

Существенны преимуществом заявленного способа считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла является предложенная новая и неочевидная совокупность признаков изобретения: использование заявленного анализатора поляризации для реализации способа считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, что позволило достигнуть заявленный технический результат - значительно увеличить скорость определения состояний поляризации при значительном упрощении конструкции используемого анализатора поляризации. Нами нигде не обнаружено использование заявленного анализатора поляризации, светоделительной пентапризмы с поляризационными клиньями, так и пентапризмы в способах считывания информации.

В известных нам источниках информации не найдена предложенная нами совокупность признаков, что подтверждает наличие новизны предложения. Кроме того, считаем, что из всех обнаруженных нами источников информации не вытекает возможности получения в сумме, предложенной нами совокупности признаков, что подтверждает неочевидность предложения.

Реализация предложенного изобретения основана на известных методах, широко используемых в вычислительной технике и оптической промышленности. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

В соответствии с изобретением, технический результат достигается тем, что предложено устройство для считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, далее Диск, имеющем, по крайней мере, один информационный слой, включающее последовательно размещенные на одной оптической оси до Диска источник лазерного излучения с длиной волны λ1, четвертьволновую пластинку, фокусирующий объектив, а после Диска на той же оптической оси конфокальный объектив и дифференциальный анализатор поляризации, описанный ранее, а также блок управления, предназначенный для возможности управления фокусом излучения считывания.

Технический результат достигается тем, что в Диске дополнительно имеется опорный слой, которым может быть поверхность Диска, ближайшая к лазерному источнику с длиной волны λ1, между упомянутым источником и четвертьволновой пластиной имеются дополнительно введенные светоделительная призма оптически сопряженная с дополнительным источником вспомогательного излучения с длиной волны λ2, отличающейся от длины волны λ1, и поляризационная призма, оптически сопряженная с фотоприемным каналом выделения фокусной ошибки с возможностью прохождения обоих излучений через упомянутый фокусирующий объектив и фокусировании излучения с длиной волны λ1 на один из информационных слоев, а вспомогательного на опорный слой, при этом фотоприемный канал выделения фокусной ошибки электрически сопряжен с блоком управления с дополнительными элементами управления фокусирующим объективом и возможностью обеспечения перемещения фокуса излучения считывания между записанными слоями, кроме того, после конфокального объектива и перед дифференциальным анализатором поляризации, описанным ранее, имеется фильтр для подавления вспомогательного излучения.

Технический результат достигается тем, что блок управления, соединен с блоком обработки информации анализатора поляризации.

Существенным отличием заявленного устройства считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла является предложенная новая и неочевидная совокупность признаков изобретения: введение заявленного анализатора поляризации в устройство считывания информации на основе заявленного способа считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, что позволило достигнуть поставленный технический результат - значительно увеличить скорость считывания информации при значительном упрощении конструкции используемого анализатора поляризации. Нами нигде не обнаружено наличие заявленного анализатора поляризации, светоделительной пентапризмы с поляризационными клиньями и пентапризмы в устройствах считывания информации.

В известных нам источниках информации не найдена предложенная нами совокупность признаков, что подтверждает наличие новизны предложения. Кроме того, считаем, что из всех обнаруженных нами источников информации не вытекает возможности получения в сумме, предложенной нами совокупности признаков, что подтверждает неочевидность предложения.

Реализация предложенного изобретения основана на известных методах, широко используемых в вычислительной технике и оптической промышленности. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена схема дифференциального анализатора поляризации.

На фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу дифференциального анализатора поляризации.

На фиг. 3 представлена схема устройства для считывания информации.

На фиг. 4 представлены реальные осциллограммы сигналов Δ₁ и Δ₂

Позиции на фиг. 1, 2 и 3:

Фиг. 1:

2 - светоделительная пентапризма,

3 - первый поляризационный клин,

4 - второй поляризационный клин,

5 - фокусирующая линза,

6 - фокусирующая линза,

7, 8, 9,10 - фотоприемники,

11 - блок обработки информации.

Фиг. 2:

12 - последовательность записанных питов,

13 - индикатриса показателя преломления,

14 - диаграмма сигнала Δ₂,

15 - диаграмма сигнала Δ₁,

Фиг. 3:

1 - дифференциальный анализатор поляризации,

16 - лазер считывания с длиной волны λ1,

17 - дихроичная светоделительная призма,

18 - положительная линза,

19 - отрицательная линза,

20 - вспомогательный лазер с длиной волны λ2,

21 - поляризационная призма,

22 - астигматический объектив,

23 - четырехквадрантный фотоприемник,

24 - четвертьволновая фазовая пластина,

25 - фокусирующий объектив,

26 - Диск,

27 - конфокальный объектив,

28 - фильтр,

29 - блок управления,

30 - «пятый» информационный слой,

31- опорный слой (в частном случае, поверхность Диска),

32 - актюатор осевого перемещения фокусирующего объектива 25,

33 - актюатор осевого перемещения линзы 19 относительно линзы 18,

34 - цилиндрическая линза астигматического объектива 22,

35 - фокусирующая линза астигматического объектива 22.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления предложенного дифференциального анализатора поляризации, способа и устройства считывания информации. Приведенные примеры не являются единственными, предполагается наличие других реализаций. Они не ограничивают технический объем изобретения.

На фиг. 1 представлена схема дифференциального анализатора поляризации, которая содержит светоделительную пентапризму 2 с первым 3 и вторым 4 поляризационными клиньями, фокусирующие линзы 5 и 6, фотоприемники 7, 8, 9, и 10 и блок обработки информации 11. При работе исследуемое входное излучение с определенной длиной волны с интенсивностью I_вх вводят через входную грань светоделительной пентапризмы 2. Нами была выбрана пентапризма с обозначениями граней: входная для ввода исследуемого излучения; светоделительная - первая отражающая грань, противоположная входной, являющаяся как отражающей, так и первой выводной гранью; отражающая - вторая отражающая грань; основание - вторая выводная грань пентапризмы. Для создания светоделительной грани на первую отражающую грань пентапризмы было нанесено интерференционное покрытие. Оно выполнено из чередующихся диэлектрических слоев с различными показателями преломления и рассчитывается по специальной программе для заданных длин волн, угла падения и коэффициентов отражения/пропускания. Светоделительная грань предназначена для обеспечения деления исследуемого излучения на два квазиравные по интенсивности луча. Сложность светоделительного покрытия пентапризмы 2 определяется требованиями деления излучения на равные интенсивности для каждой Р- и S-поляризации, а именно максимально близко обеспечить условия:

T_p=R_p=T_s=R_s=50%,

где T и R - пропускание и отражение диэлектрического покрытия соответственно, индексы р и s относятся к Р- и S-поляризации соответственно.

Кроме того, необходимо обеспечить минимальную фазовую задержку между составляющими Р- и S-поляризации, как для отраженного, так и для проходящего излучений, которая ведет к искажению поляризации входного излучения. Расчеты показывают, что эти требования можно обеспечить при уменьшении угла падения входного излучения на светоделительное покрытие. Кроме того, необходимо обеспечить разведение входного и отраженного от светоделительной грани излучений по входной апертуре, обеспечить требуемую апертуру входного излучения и приемлемые габариты пентапризмы. Диапазон значений угла падения на светоделительную грань, а, следовательно, и ее угол наклона по отношению к входной грани лежит в диапазоне от 5 до 10 угловых градусов, превышение этого угла влечет за собой усложнение конструкции интерференционного покрытия, уменьшение приводит к неоправданному увеличению габаритов. В нашем случае угол составляет 10±0,5 угловых градусов при приемлемых габаритах светоделительной пентапризмы 2.

Для возможности разделения по углу прошедшего и отраженного излучений по поляризациям были введены два оптических элемента в виде клина из двулучепреломляющего кристалла - первый 3 и второй 4 поляризационные клинья. Оптическая ось кристалла первого поляризационного клина 3 лежит в плоскости светоделительной грани и составляет угол 45° с плоскостью ортогональной одновременно основанию и входной грани пентапризмы, чем обеспечивается разведение прошедшего излучения по углу в выше названной плоскости на два излучения, имеющие ортогональные поляризации с плоскостями поляризации, соответственно, составляющими 45° и 135° с упомянутой плоскостью, с интенсивностями I₄₅ и I₁₃₅ выходных излучений, соответственно, а оптическая ось кристалла второго поляризационного клина 4, расположенного на пути отраженного излучения, лежит в плоскости основания пентапризмы и ортогональна плоскости входной грани, чем обеспечивается разведение им по углу в плоскости, ортогональной входной грани и основанию пентапризмы, на два излучения двух ортогональных поляризаций отраженного излучения с плоскостями поляризации, соответственно, составляющими 0° и 90° с упомянутой плоскостью и с интенсивностями I₀ и I₉₀, соответственно.

При работе дифференциального анализатора поляризации имеются выходные излучения с интенсивностями I₀, I₉₀, и I₄₅, I₁₃₅. Линзами 5 и 6 выходные излучения попарно фокусируются на свой фотоприемник 7 и 8, 10 и 9, соответственно, и пропорциональные им сигналы с фотоприемников обрабатывают в блоке обработки информации 11 по заданной программе, где вычисляется информация о состоянии поляризации входного излучения.

Заявленный анализатор поляризации может быть применен для исследования состояния поляризации излучения, как, например, излучения, прошедшего через анизотропную среду.

Нами реализован заявленный способ считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла (далее - Диск). В данном случае выбран Диск, на котором предварительно записано десять информационных слоев с шагом 50 мкм по глубине. Коллимированное лазерное излучение определенной длиной волны, например, 650 нм, имеющее линейную поляризацию, преобразованное в излучение с круговой поляризацией, фокусируют последовательно на разных информационных слоях. Рассмотрим случай фокусировки излучения, например, на пятом информационном слое. Излучение длиной волны 650 нм и интенсивностью I_вх, прошедшее через Диск, в общем случае будет иметь эллиптическую поляризацию, его коллимируют и вводят в заявленный дифференциальный анализатор поляризации 1 через входную грань светоделительной пентапризмы 2 с поляризационными клиньями 3 и 4. При этом выбран дифференциальный анализатор поляризации 1 со светоделительной пентапризмой 2, характеризующейся углом наклона светоделительной грани равным 10±0,5 угловых градусов, что обеспечивает угол падения входного излучения I_вх на светоделительное покрытие равным 10±0,5 угловым градусам. Угол наклона отражающей грани составляет 53±0,5 угловых градусов с плоскостью входной грани, что обеспечивает симметричное относительно нормали к основанию пентапризмы разведение излучений с интенсивностями I₀ и I₉₀. Рассчитанное светоделительное покрытие, выполненное из чередующихся слоев с различным показателем преломления толщиной кратной четверти длины волны входного излучения, нанесенное на первую отражающую грань пентапризмы, обеспечивает квазиравное деление по интенсивности прошедшего и отраженного излучений. Первый 3 и второй 4 поляризационные клинья выполнены из кристалла полевого шпата, а их угол клиновидности составляет 9±0,5 угловых градусов и зависит от угла наклона светоделительной грани и рассчитывается из соотношений показателей преломления n_o и n_е двулучепрелмляющего кристалла.

При считывании заявленным способом при работе дифференциального анализатора поляризации по полученным сигналам с фотоприемников 7, 8 и 10, 9, пропорциональных интенсивностям I₀, I₉₀, и I₄₅, I₁₃₅ выходных излучений в блоке обработки информации 11 по разработанной программе вычисляют фазовую задержку и азимут медленной оси наведенного двулучепреломления.

Обработка сигналов фотоприемников происходит по следующему алгоритму. Входное излучение I_вх имеет эллиптическую поляризацию, определяемую направлением медленной оси ψ и набегом фаз между быстрой и медленной компонентами δ наведенного двулучепреломления. Для излучения круговой поляризации, прошедшего через анизотропную прозрачную среду, получаем вектор компонентов электрического поля Ех и Еу волны:

Для интенсивностей I₀ и I₉₀, детектируемых фотоприемниками 7 и 8, установленными после второго поляризационного клина 4, получаем:

где ψ - направление «медленной» оси, δ - набег фаз между компонентами поляризации вдоль медленной и быстрой оси.

Для сигнала Δ₁ фотоприемников 7 и 8, равному отношению разности к сумме интенсивностей I₀ и I₉₀ имеем:

Для сигнала Δ₂ фотоприемников 9 и 10, равному отношению разности к сумме интенсивностей I₄₅, I₁₃₅, аналогично имеем:

суммируем

Тогда фазовая задержка вычисляется по формуле:

а азимут медленной оси вычисляется по формуле:

или

, если Δ₂<0 и

, если Δ₂<0.

На фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу дифференциального анализатора поляризации. На первой диаграмме показана последовательность записанных питов 12 в объеме кварцевого стекла с различной ориентацией азимута медленной оси наведенного двулучепреломления в виде индикатрисы показателя преломления 13 с различными ориентациями азимута медленной оси наведенного двулучепреломления, например, для 0°, 90°, 45°, 135°. На четвертой представлены диаграммы сигнала Δ₁ 15, равного отношению разностей к суммам соответствующих интенсивностей, детектируемых фотоприемниками 7 и 8, а на третьей представлены диаграммы сигнала Δ₂ 14, равного отношению разностей к суммам соответствующих интенсивностей, детектируемых фотоприемниками 9, 10, как промежуточный результат в блоке обработки информации. При данной ориентации азимута медленной оси выражения для Δ₁ и Δ₂ вырождаются (см. Таблицу 1), что представлено на диаграммах 14, 15.

Нами реализовано заявленное устройство для считывания информации, в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, записанной в виде питов с наведенной анизотропией показателя преломления, с помощью заявленного способа. На фиг. 3 представлена схема устройства, имеющая две ветви на разные длины волн λ1 (для считывания данных) и λ2 (для слежения за фокусом (дорожкой), содержащие лазер считывания 16 с длиной волны λ1, предназначенный для считывания данных, и вспомогательный лазер 20 с длиной волны λ2, предназначенный для слежения за фокусом (дорожкой) с расширителем пучка излучения, состоящим из линз отрицательной 19 и положительной 18, и далее помещенные на оптической оси лазера считывания 16 дихроичную свето делительную призму 17, поляризационную призму 21, четвертьволновую пластину 24, фокусирующий объектив 25. На оптической оси лазера считывания 16 также помещены Диск 26 с информационными слоями, в частности, с информационным (пятым) слоем 30 и опорным слоем 31, конфокальный объектив 27, фильтр 28, анализатор поляризации 1. Имеются блок управления 29, астигматический объектив 22, содержащий цилиндрическую линзу 34 и фокусирующую линзу 35, четырехквадрантный фотоприемник 23, а также актюатор 33 осевого перемещения линзы 19 относительно линзы 18 и актюатор 32 осевого перемещения фокусирующего объектива 25.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера считывания 16 с длиной волны λ1, проходит через дихроичную светоделительную призму 17, поляризационную призму 21 и четвертьволновую пластину 24, фокусируется объективом 25 на одном из информационных слоев в объеме Диска 26. Проходя через четвертьволновую фазовую пластину 24 излучение λ1 изменяет линейную поляризацию на круговую и, проходя через питы пятого информационного слоя 30, приобретает фазовую задержку в соответствии с записанной информацией. Далее излучение собирается конфокальным объективом 27, выделяется фильтром 28 от вспомогательного излучения λ2 и направляется на вход дифференциального анализатора поляризации 1, см. фиг. 1. Для удержания фокуса излучения лазера считывания 16 на информационном слое и для перестройки его по глубине используется вспомогательный лазер 20 с длиной волны λ2, излучение которого, проходя через систему линз 19 и 18, складывается на дихроичной призме 17 с излучением λ1 и, проходя через поляризационную призму 21 и фазовую четвертьволновую пластину 24 фокусируется объективом 25 на поверхность Диска 26 - опорный слой 31. Отраженное от поверхности Диска 26 вспомогательное излучение λ2 возвращается на поляризационную призму 21 с ортогональной исходной поляризацией и направляется на астигматический объектив 22, формирующий на четырехквадрантном фотоприемнике 23 сигнал фокусной ошибки, используемый далее в блоке управления 29, для управления актюатором 32 осевого перемещения фокусирующего объектива 25, обеспечивающего тем самым удержание фокальной плоскости объектива 25 на поверхности (опорный слой 31) Диска 26 на длине волны λ2 излучения вспомогательного лазера 20 при осевом биении Диска во время вращения. Для изменения положения фокальной плоскости излучения с длиной волны λ1 лазера считывания 16 предусмотрено изменение сходимости/расходимости излучения с длиной волны λ2 вспомогательного лазера 20 посредством перемещения отрицательной линзы 19 относительно положительной линзы 18 вдоль оптической оси с помощью актюатора 33. При этом изменяется положение фокусирующего объектива 25 относительно поверхности оптического Диска и, следовательно, перестраивается фокальная плоскость излучения с длиной волны λ1 лазера считывания 16, чем обеспечивается перестройка на какой-либо другой информационный слой.

При работе заявленного устройства процесс считывания информации с пятого информационного слоя 30 Диска 26 составил до 10⁶ измерений в секунду. Считывание проводили заявленным способом и при использовании предложенного нами дифференциального анализатора поляризации 1 с упомянутыми характеристиками в реальном времени и его скорость была ограничена только быстродействием фотоприемников и скоростью работы блока обработки информации анализатора поляризации. С той же скоростью нами была считана информация как с других информационных слоев Диска 26, так и с информационных слоев других дисков, результаты подтвердились.

Следует отметить, что при считывании информации при помощи анализатора поляризации PAN5710VIS фирмы Thorlabs была обеспечена скорость считывания не более 333 измерений в секунду [Техническое описание на изделие Анализатор поляризации РАХ5710/РАХ5720 фирмы Thorlabs GmbH, 2008, с. 57], что меньше скорости считывания, полученной нами в -3000 раз.

На фиг. 4 представлены реальные осциллограммы сигналов Δ₁ и Δ₂, равные отношениям разностей к суммам соответствующих интенсивностей, детектируемых фотоприемниками, полученные математической обработкой соответствующих сигналов фотоприемников на цифровом осциллографе. Это промежуточные сигналы блока обработки информации заявленного дифференциального анализатора поляризации, поясняющие работу устройства для считывания информации.

Приведенная конструкция дифференциального анализатора поляризации проще аналогичных приборов, имеющихся на рынке, не имеет вращающихся частей, а точность изготовления светоделительной пентапризмы с поляризационными клиньями аналогична точности изготовления аналогичных оптических деталей поляризационного микроскопа.

Нами достигнуто повышение скорости и упрощение конструкции дифференциального анализатора поляризации как способа, так и устройства считывания вследствие использования заявленного высокоскоростного простой конструкции анализатора поляризации, обеспечившего достижение поставленного технического результата.

Промышленная применимость

Предложенные анализатор поляризации, способ и устройство считывания информации, записанной в виде питов с наведенной анизотропией показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, могут быть использованы во всех областях вычислительной техники, где требуется производить считывание ранее записанных больших массивов информации на компактных носителях в виде наведенной анизотропии в трехмерном объеме, что наиболее перспективно для считывания дисковых оптических накопителей архивной информации.

Изобретение относится к анализатору поляризации излучения, способу считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, и устройству для считывания информации с диска. Устройство может быть использовано в областях вычислительной техники, где требуется производить считывание ранее записанных больших массивов информации с компактных носителей. Дифференциальный анализатор поляризации выполнен на основе светоделительной пентапризмы с поляризационными клиньями для разведения по углу выходных излучений с интенсивностями I₀, I₄₅, I₉₀ и I₁₃₅, измеряемыми четырьмя фотоприемниками, выходные сигналы которых поступают в блок обработки информации. В способе считывания информации с диска использован дифференциальный анализатор поляризации и метод, позволяющий оценить фазовую задержку и определить фазовую задержку и азимут медленной оси наведенного двулучепреломления. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Дифференциальный анализатор поляризации излучения, поступающего на его вход при работе, содержащий светоделительную пентапризму с двумя поляризационными клиньями из двулучепреломляющих кристаллов, первым и вторым, при этом на первой отражающей грани пентапризмы имеется интерференционное светоделительное покрытие, названной светоделительной гранью и расположенной под углом наклона от 5 и не более 10 угловых градусов по отношению к плоскости входной грани, первый поляризационный клин находится в оптическом контакте со светоделительной гранью, его кристаллическая оптическая ось лежит в плоскости светоделительной грани и составляет угол 45° с плоскостью ортогональной одновременно входной грани и основанию пентапризмы, второй поляризационный клин находится в оптическом контакте с основанием пентапризмы, его кристаллическая оптическая ось лежит в плоскости основания пентапризмы и ортогональна плоскости входной грани, а также содержащий четыре фотоприемника, попарно оптически сопряженные с соответствующим поляризационным клином и электрически сопряженные с блоком обработки информации для возможности вычисления состояний поляризации входного излучения.

2. Дифференциальный анализатор поляризации излучения по п. 1, отличающийся тем, что два фотоприемника помещены в фокальной плоскости первой фокусирующей линзы, оптически сопряженной со вторым поляризационным клином, а другие два фотоприемника помещены в фокальной плоскости второй фокусирующей линзы, оптически сопряженной с первым поляризационным клином.

3. Способ считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла по крайней мере с одним информационным слоем, включающий фокусирование лазерного излучения, имеющего круговую поляризацию, по крайней мере, на информационном слое диска из кварцевого стекла, коллимирование излучения, прошедшего через диск из кварцевого стекла и имеющего в общем случае эллиптическую поляризацию, направление его на вход дифференциального анализатора поляризации по п. 2 и вычисление фазовой задержки и азимута медленной оси наведенного двулучепреломления, в соответствии с формулами - для фазовой задержки

для азимута медленной оси

, если Δ₂>0 и

, если Δ₂<0,

где

,

а I₀, I₉₀, I₄₅ и I₁₃₅ - интенсивности выходных излучений дифференциального анализатора поляризации по п. 2 с соответствующими углами поляризации: 0°, 90°, 45° и 135° к плоскости ортогональной входной грани и основанию пентапризмы, входящей в состав дифференциального анализатора поляризации по п. 2.

4. Устройство для считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, имеющем по крайней мере один информационный слой, включающее последовательно размещенные на одной оптической оси до диска из кварцевого стекла источник лазерного излучения с длиной волны λ1, четвертьволновую пластинку, фокусирующий объектив, а после диска из кварцевого стекла на той же оптической оси конфокальный объектив и дифференциальный анализатор поляризации по п. 2, а также блок управления, предназначенный для возможности управления фокусом излучения считывания.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в диске из кварцевого стекла дополнительно имеется опорный слой, которым может быть поверхность диска из кварцевого стекла, ближайшая к лазерному источнику с длиной волны λ1, между упомянутым источником и четвертьволновой пластиной имеются дополнительно введенные светоделительная призма, оптически сопряженная с дополнительным источником вспомогательного излучения с длиной волны λ2, отличающейся от длины волны λ1, и поляризационная призма, оптически сопряженная с фотоприемным каналом выделения фокусной ошибки с возможностью прохождения обоих излучений через упомянутый фокусирующий объектив и фокусировании излучения с длиной волны λ1 на один из информационных слоев, а вспомогательного - на опорный слой, при этом фотоприемный канал выделения фокусной ошибки электрически сопряжен с блоком управления с дополнительными элементами управления фокусирующим объективом и возможностью обеспечения перемещения фокуса излучения считывания между записанными слоями, кроме того, после конфокального объектива и перед дифференциальным анализатором поляризации по п. 2 имеется фильтр для подавления вспомогательного излучения.

6. Устройство по любому из пп. 4, 5, отличающееся тем, что блок управления, соединен с блоком обработки информации дифференциального анализатора поляризации.