基于纳米光刻的光盘读写方法及刻写控制信息编解码方法与流程

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及基于纳米光刻的光盘写入方法与装置、基于纳米光刻的光盘读取方法与装置、基于纳米光刻的光盘读写装置，以及刻写控制信息的编码方法、刻写控制信息的解码方法、从反射光谱中解码出数字存储信息的方法。

背景技术：

随着基因测序以及脑活动读取等技术的发展，不仅仅产生了大量的数据，同时对于数据如何有效、稳定、准确地保存提出了更高的要求。基于上述背景，光盘存储技术因其节能、存储寿命长、安全性好以及易加工等优点，很好地顺应了时代的要求。而对于光盘技术而言，存储容量的限制严重阻碍了光盘技术的发展。

为了提升光盘的容量，传统的技术路线是减小记录光斑的尺寸。随着短波长激光二极管(gan蓝绿色激光器)的研制成功，使得蓝光光盘逐渐成为光盘市场上的主流存储方式。早期的cd光盘，记录激光波长为780nm，数值孔径为0.45，轨道间距为1.6μm，单层存储容量仅为650mb；后来的dvd光盘，记录激光波长为650nm，数值孔径为0.6，轨道间距为0.74μm，单层存储容量为4.7gb；而目前的蓝光光盘记录激光波长为405nm，数值孔径为0.85，轨道间距为0.32μm，轨道间距仅仅是红光dvd盘片(0.74μm)的一半，单层存储容量高达25gb，同时，蓝光光盘利用不同反射率达到多层写入效果，实现了12层300gb的蓝光光盘存储。

为了进一步突破光盘存储量的限制，科研工作者也提出了一些提升存储容量的方法。2009年澳大利亚的顾敏研究团队利用不同长宽比的金纳米线对不同波长和偏振方向激光的响应差异，实现了厚度内，三层五维(以及偏振)光信息存储(nature,2009,459(7245):410-413)。2011年，s.whell研究团队提出了一种可用于超分辨光存储读写的新型显微技术resolft(reversiblesaturableoptical‘fluorescence’transitionbetweentwostates)，利用绿色荧光蛋白(rsegfp)的光固化和光开关特性，通过超分辨写入读出的方法，实现了250nm点间距的高密度光存储实验(nature,2011,478,204-208)。2012年澳大利亚的顾敏研究团队结合光致聚合以及超分辨受激辐射损耗技术原理，利用1,5-双(对二甲氨基辛酰亚胺)环戊酮(bdcc)材料体系，实现了9nm的光刻沟道宽度，52nm的沟道间距(naturecommunications,2013,4.6:2061)，利用该光致聚合光刻的机制可高密度写入光盘信息。据此，顾敏研究团队申请了国际专利(appl.no:15/039,368；pctno:pct/au2013/001378)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于纳米光刻的光盘读写方法及刻写控制信息的编解码方法，以提升光盘存储密度与容量、提升光盘的读写速度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘写入方法，包括：压缩实心刻写光束的焦斑尺寸；读取需存入光盘的数字存储信息；所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括按序排列的各子刻写控制信息；每一所述子刻写控制信息用于控制一个信息记录点的刻写；所述信息记录点处包括m个数据存储位点，每一所述子刻写控制信息由m位二进制数构成，每位二进制数的数码用于表示是否在对应的数据存储位点处进行相应深度信息沟槽的刻写；根据所述刻写控制信息中的一组m位子刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的记录层刻写对应的信息记录点；待完成所述信息记录点的刻写后，将所述被压缩的焦斑移动至下一待刻写信息记录点所在的位置，并根据所述刻写控制信息中的下一组m位子刻写控制信息控制所述被压缩的焦斑进行刻写，直至完成所有信息记录点的数字存储信息的写入。

于本发明一实施例中，所述压缩实心刻写光束的焦斑尺寸的实现方式包括：方式一、分别形成波长不同的实心刻写光束及空心抑制光束；令所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合；将重合后的光束照射于光盘物理存储介质，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑，以压缩所述实心刻写光束的焦斑尺寸；或者，方式二、减小所述实心刻写光束的波长和/或增大物镜的数值孔径。

于本发明一实施例中，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑的实现方式包括：所述空心抑制光束照射于所述光盘物理存储介质的吸收调制层；在所述空心抑制光束的作用下，所述吸收调制层抑制所述实心刻写光束的外围光斑透过吸收调制层。

于本发明一实施例中，所述压缩实心刻写光束的焦斑尺寸的实现方式还包括：所述方式一或所述方式二的实心刻写光束采用脉冲光束实现双光子刻写方法。

于本发明一实施例中，所述方法还包括：通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点处的沟槽刻写深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点处的沟槽刻写宽度。

于本发明一实施例中，所述实心刻写光束的光束强度符合高斯强度分布；所述空心抑制光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零。

于本发明一实施例中，所述实心刻写光束采用可见、紫外、深紫外连续激光或波段在可见光至紫外光之间的脉冲激光。

于本发明一实施例中，所述信息记录点的大小不大于130nm；所述信息记录点的轨道间距不大于320nm。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘读取方法，包括：形成白光光源，并将其聚焦照射于光盘物理存储介质的记录层的一信息记录点；收集测量光信号；所述测量光信号中包括所述信息记录点的由其各刻写沟槽的反射光场相干叠加而成的总反射光场其中，为所述信息记录点的第i个刻写沟槽的反射光场；e0为未刻写沟槽的反射光场；m为所述信息记录点的数据存储位点的位数；“0”和“1”数码分别表示所述信息记录点的数据存储位点是否有刻写沟槽；n1(λ)为所述光盘物理存储介质的记录层的折射率，其依赖于刻写光束的波长λ；zi为第i个刻写沟槽的深度信息，z0＝0表示未刻写的沟槽深度信息为0；l0为所述记录层的厚度；δn＝n1-n0，n0为空气的折射率；预先获得所述光盘物理存储介质的记录层上的连续刻写沟槽深度信息wk及其对应的数字存储信息sk、反射测量光谱信息refk的关联关系；在从所述测量光信号中得到反射测量光谱信息refk′后，在所述关联关系中查找与之匹配的反射测量光谱信息refk所对应的连续刻写沟槽深度信息wk，进而将该连续刻写沟槽深度信息wk对应的所述信息记录点的数字存储信息sk读出。

于本发明一实施例中，所述方法还包括：将白光光源聚焦照射于所述光盘物理存储介质的记录层的下一信息记录点；根据下一信息记录点的测量光信号与所述关联关系得到下一信息记录点的数字存储信息，直至读出所有信息记录点的数字存储信息sk。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种刻写控制信息的编码方法，包括：将各待刻写信息记录点所包含的数据存储位点的数量m作为2的幂指数，以确定采用2^m进制数来编码；将m位二进制的待存入光盘的数字存储信息作为一待刻写信息记录点的刻写控制信息sk；根据所述待刻写信息记录点的各数据存储位点处是否要进行相应深度信息沟槽刻写的情况对应赋予组内每位二进制数的“0”和“1”数码；所有的待刻写信息记录点的刻写控制信息组成2^m位数字信息集1≤k≤2^m，以作为总的刻写控制信息；可选的，各所述数据存储位点处以不同深度信息表示不同数码进行数据存储。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种刻写控制信息的解码方法，包括：根据数字存储信息中的一组m位二进制数，在光盘物理存储介质的记录层刻写对应的信息记录点；其中，根据每位二进制数的数码来判断是否要在所述信息记录点的对应的数据存储位点处进行相应深度信息沟槽刻写，刻写后形成该信息记录点的连续刻写沟槽深度信息待完成对所述信息记录点的刻写后，将实心刻写光束移动至下一信息记录点，并根据所述数字存储信息中的下一组m位二进制数控制所述实心刻写光束进行沟槽刻写，刻写后形成该信息记录点的连续刻写沟槽深度信息直至完成所有信息记录点的刻写，形成总的连续刻写沟槽深度信息1≤k1,k2≤2^m。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种从反射测量光谱中解码出光刻信息的方法，包括：预先建立光盘物理存储介质的记录层上的连续刻写沟槽深度信息wk及其对应的数字存储信息sk、反射测量光谱信息refk的关联关系；其中，各反射测量光谱信息refk构成反射测量光谱集在获得经测量得到的一信息记录点的反射光谱信息refk′时，在所述关联关系中查找与之匹配的反射测量光谱信息refk所对应的连续刻写沟槽深度信息wk，进而将该连续刻写沟槽深度信息wk对应的数字存储信息sk作为解码得到的所述信息记录点的数字存储信息。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘写入装置，包括：光路模块，用于压缩实心刻写光束的焦斑尺寸，并将其照射于光盘物理存储介质；控制模块，用于读取需存入光盘的数字存储信息；所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括按序排列的各子刻写控制信息；每一所述子刻写控制信息用于控制一个信息记录点的连续沟槽刻写；每一所述子刻写控制信息由m位二进制数码构成，每位二进制数码用于表示是否在对应的数据存储位点处进行相应深度信息的刻写；其中，m为所述信息记录点所包含的数据存储位点的位数；根据所述刻写控制信息中的m位子刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的记录层刻写对应的连续深度信息沟槽，以形成连续刻写沟槽深度信息wk；随后，将所述被压缩的焦斑移动至下一信息记录点，并根据所述刻写控制信息中的下一组m位子刻写控制信息控制所述被压缩的焦斑进行刻写，直至完成所有信息记录点的数字存储信息的写入。

于本发明一实施例中，所述光路模块包括：第一激光器、第一透镜、第一滤波件、第二透镜、第一二向色镜、及高倍物镜；其中，所述第一激光器，用于发出第一预设波长的激光，以作为实心刻写光束；所述第一透镜、所述第一滤波件、及所述第二透镜沿所述实心刻写光束的光路依次布置；其中，所述第一透镜用于汇聚所述实心刻写光束；所述滤波件用于对经所述第一透镜汇聚的实心刻写光束进行滤波；所述第二透镜用于对经所述第一滤波件滤波的实心刻写光束进行准直扩束，并汇聚到所述第一二向色镜；所述第一二向色镜，与所述第二透镜呈一定角度布置，用于将经所述第二透镜准直扩束的实心刻写光束反射至所述高倍物镜；所述高倍物镜，用于聚焦接收的实心刻写光束并将其作用于光盘物理存储介质的表面，以进行数据存储信息的写入。

于本发明一实施例中，所述第一滤波件包括：小孔或单模光纤。

于本发明一实施例中，所述第一激光器采用蓝光激光器、紫外激光器、深紫外激光器、或波段在可见光到紫外光之间的脉冲激光器。

于本发明一实施例中，所述光路模块还包括：第二激光器、第三透镜、第二滤波件、第四透镜、空心光束生成件、及第二二向色镜；其中，所述第二激光器，用于发出第二预设波长的激光；所述第三透镜、所述第二滤波件、所述第四透镜、及所述空心光束生成件沿所述第二预设波长的激光的光路依次布置；其中，所述第三透镜用于汇聚所述第二预设波长的激光；所述第二滤波件用于对经所述第三透镜汇聚的第二预设波长的激光进行滤波；所述第四透镜用于对经所述第二滤波件滤波的第二预设波长的激光进行准直扩束，并汇聚到所述空心光束生成件；所述空心光束生成件用于根据接收的第二预设波长的激光生成空心抑制光束，并将其发射至所述第二二向色镜；所述第二二向色镜，与所述空心光束生成件呈一定角度布置且与所述第一二向色镜平行布置，用于将所述空心抑制光束反射至所述高倍物镜；所述高倍物镜，用于将所述实心刻写光束的实心光斑与所述空心抑制光束的空心光束在空间上重合，并将二者同时作用于所述光盘物理存储介质的表面，以进行数据存储信息的写入；其中，所述实心光斑用于数据存储信息的写入，所述空心光束用于抑制所述实心光斑的外围光斑透过所述光盘物理存储介质的吸收调制层。

于本发明一实施例中，所述第二滤波件包括：小孔或单模光纤。

于本发明一实施例中，所述空心光束生成件包括：涡旋相位板或空间光调制器。

于本发明一实施例中，所述第一激光器采用蓝光激光器、紫外激光器、深紫外激光器、或波段在可见光到紫外光之间的脉冲激光器。

于本发明一实施例中，所述第一预设波长的激光的光强符合高斯强度分布；所述第二预设波长的激光的光强符合环形强度分布且中心强度趋于零。

于本发明一实施例中，所述控制模块还用于：通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点的沟槽刻写深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点的沟槽刻写宽度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘读取装置，包括：光路模块，用于形成白光光源，并将其聚焦照射于光盘物理存储介质的记录层的一信息记录点；用于收集光测量信号；所述测量光信号中包括所述信息记录点的由其各深度信息刻写沟槽的反射光场相干叠加而成的总反射光场其中，为所述信息记录点的第i个刻写沟槽的反射光场；e0为未刻写沟槽的反射光场；m为所述信息记录点的数据存储位点的位数；“0”和“1”数码分别表示所述信息记录点的数据存储位点处是否有刻写沟槽；n1(λ)为所述光盘物理存储介质的记录层的折射率，其依赖于刻写光束的波长λ；zi为第i个刻写沟槽的深度，z0＝0表示未刻写的沟槽深度信息为0；l0为所述记录层的厚度；δn＝n1-n0，n0为空气的折射率；处理模块，用于预先获得所述光盘物理存储介质的记录层上的连续沟槽刻写信息wk及其对应的反射测量光谱信息refk的关联关系；在从所述测量光信号中得到反射测量光谱信息refk后，在所述关联关系中查找与之匹配的反射测量光谱信息refk所对应的连续刻写沟槽信息wk，据以作为所述信息记录点的数字存储信息sk读出。

于本发明一实施例中，所述光路模块包括：光源、透镜组、高倍物镜、分束镜、及单个透镜；所述处理模块包括：光谱仪；其中，所述光源，用于发出白光；所述透镜组，用于将所述白光进行准直扩束并汇聚到所述分束镜；所述分束镜，用于对接收的白光进行分光并发射至所述高倍物镜；所述高倍物镜，用于将接收的白光聚焦作用于光盘物理存储介质的表面，以对其记录层进行反射测量，并将收集的测量光信号射出；所述单个透镜，用于将所述测量光信号汇聚至所述光谱仪；所述光谱仪，用于处理接收的测量光信号，并从中解码出数据存储信息。

于本发明一实施例中，所述光谱仪包括：光栅光谱仪或高速测量光谱仪；所述高速测量光谱仪包括：光学色散元件、窄带集成滤光片、及线阵探测器；其中，所述光学色散元件，用于对接收的测量光信号进行分光，以使反射光谱信息在空间上展开；所述窄带集成滤光片，用于获得经所述光学色散元件色散后的反射光谱信息所对应的波长的光；所述线阵探测器，用于对经所述窄带集成滤光片所得到的各波长的光的光强进行探测，以获得反射光谱信息。

于本发明一实施例中，所述光源为卤素灯、钨灯、氙灯、白光led灯、带通滤波的白光光源、或紫外led光源。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘读写装置，包括：所述的基于纳米光刻的光盘写入装置，以及所述的基于纳米光刻的光盘读取装置；其中，所述读取装置还包括第三二向色镜，设于所述读取装置的透镜组与分束镜之间，用于将经该透镜组准直扩束的白光反射至所述高倍物镜；所述分束镜，用于对所述高倍物镜射出的测量光信号进行分光；所述单个透镜，用于将经所述分束镜分光的测量光信号汇聚至所述光谱仪。

如上所述，本发明的基于纳米光刻的读写方法及刻写控制信息的编解码方法，具有以下有益效果：

1、实现了纳米尺寸的信息记录点的读写；

2、具有更高的存储密度与存储容量，更快的读写速度；

3、可扩展性强，无须对现有光驱系统进行较大改进。

附图说明

图1a显示为本发明一实施例中的光盘物理存储介质的结构及刻写原理示意图。

图1b显示为本发明另一实施例中的光盘物理存储介质的结构及刻写原理示意图。

图1c显示为本发明一实施例中的二芳基乙烯材料吸收调制层光谱的示意图。

图1d显示为本发明一实施例中的光盘物理存储介质结构优化对光谱分辨能力的影响示意图。

图1e显示为本发明又一实施例中的光盘物理存储介质的结构示意图。

图2a显示为本发明一实施例中的基于纳米光刻的光盘写入方法的流程示意图。

图2b显示为本发明一实施例中的数字存储信息sk、连续刻写沟槽深度信息wk与反射测量光谱信息refk的关联关系示意图。

图3a显示为本发明一实施例中的基于纳米光刻的光盘读取方法的流程示意图。

图3b显示为本发明一实施例中的反射光谱测量读取的原理示意图。

图4显示为本发明一实施例中的基于单光束纳米光刻的光盘读写装置的结构示意图。

图5显示为本发明一实施例中的基于双光束纳米光刻的光盘读写装置的结构示意图。

图6显示为本发明另一实施例中的基于纳米光刻的光盘只读装置的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

第一实施例

如图1a所示，展示了一种光盘物理存储介质，其结构包括：

1)保护层101，该层使光盘可以经受住频繁的使用、指纹、抓痕和污垢，以此保证光盘的存储质量和数据安全；

2)记录层102，用于进行信息的刻写与记录，该层特征为可以稳定保存，且可进行光学刻写，选用材料包括sio2、gaf2、mgf2、有机玻璃、光敏材料等，但不限于这些；

3)反射层103，用于提高光谱反射率，易于光谱信息的反射测量，其采用反射率较高的材料，主要包括金属材料或者多层分布式布拉格反射镜(dbr)材料，但不限于这些。

通过采用更短波长刻写激光束(可采用半导体激光405纳米或更短波长输出，或355纳米和266纳米固体激光输出，或者248纳米、193纳米和157纳米输出准分子激光等等)以及高数值孔径物镜的聚焦方式，获得压缩的衍射受限聚焦光斑104，该光束作用于记录层上进行数字信息刻写。结合2^m位数字信息编码方法，以m＝3为例，在101上信息记录点107的位置数据存储位点(1)、(2)、(3)处进行不同沟槽深度z1,z2,z3的连续刻写，其中，对应(m)处进行刻写表示该处存储数码“1”，反之则为存储数码“0”，不同的(m)则对应2^m位数字信息编码方法中的不同位数；至此，完成了107处的信息存储，再依据105移动至下一固定位置，重复上述过程完成数字信息存储；依次类推，完成数字信息存储全过程。

第二实施例

如图1b所示，展示了一种光盘物理存储介质，其结构包括：

1)保护层201，该层使光盘可以经受住频繁的使用、指纹、抓痕和污垢，以此保证光盘的存储质量和数据安全；

2)吸收调制层202，该层材料具有吸收调制特性，其吸收光谱具有如图1c所示特征，该层厚度小于500nm，吸收调制层材料包括二芳基乙烯类、俘精酸酐类材料、叠氮类材料，但不限于这些；

3)记录层203，用于进行信息的刻写与记录，该层特征为可以稳定保存，且可进行光学刻写，选用材料包括sio2，gaf2，mgf2、有机玻璃、光敏材料等，但不限于这些；

4)反射层204，用于提高光谱反射率，易于光谱信息的反射测量，其采用反射率较高的材料，主要包括金属材料或者多层分布式布拉格反射镜(dbr)材料，但不限于这些。

在另一实施例中，进一步地，吸收调制层202与记录层203之间根据需要，可增加一层10nm以下的过渡保护层，用于避免吸收调制层202对记录层203产生影响。所述过渡保护层的材料包括：pva(聚乙烯醇)、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)等。

结合上述光盘物理存储结构，实心刻写光束205与空心抑制光束206同时作用于吸收调制层202上，经吸收调制特性作用，空心抑制光束206抑制了实心刻写光束205的外围光束透过吸收调制层202，使透过吸收调制层的刻写光斑尺寸被进一步压缩，如207所示，空心抑制光束208，经吸收调制层202抑制了实心刻写光束209的外围光束，获得压缩后的光束210作用于记录层203上进行深度信息沟槽的刻写。结合2^m位数字信息编码方法，以m＝3为例，在203上信息记录点的固定位置212处的数字存储位点(1)、(2)、(3)处进行不同沟槽深度z1,z2,z3的连续刻写，其中，对应(m)处进行刻写表示该处存储数码“1”，反之则为存储数码“0”，不同的(m)则对应2^m位编码中的不同位数；至此，完成了212处的信息记录，再依据211移动至下一固定位置，重复上述过程完成数字信息存储；依次类推，完成数字信息存储全过程。

需要说明的是，对于第一实施例和第二实施例中的光盘物理存储介质，保护层101、保护层201并非必须，在缺少保护层101、保护层201的情况下其他各层亦可以单独实施。

第三实施例

参阅图1d，光谱的分辨能力决定了编码信息的位数，为了增加反射光谱测量的分辨能力，本实施例在第一实施例和第二实施例的基础上，通过在记录层102与反射层103之间或在记录层203与反射层204之间增加一层或多层中间层，从而提供一种光盘物理存储介质，详细而言，其结构包括：

1)记录层303，用于进行信息的刻写与记录，该层特征为可以稳定保存，且可进行光学刻写，选用材料包括sio2、gaf2、mgf2、有机玻璃、光敏材料等，但不限于这些；

2)中间层304，为高折射率材料，折射率大于记录层303的材料的折射率，且光谱吸收率较低，该层材料厚度小于测量波长，选用材料包括al2o3、si3n4、nb2o5、ta2o5和tio2等，但不限于这些；

3)反射层305，用于提高光谱反射率，易于光谱信息的反射测量，其采用反射率较高的材料，主要包括金属材料或者多层分布式布拉格反射镜(dbr)材料，但不限于这些。

图1d展示了没有中间层的光盘物理存储介质与添加中间层的光盘存储物理介质所对应的反射测量光谱信息306与307。对比306与307可以明显看出，添加中间层后的光盘存储物理介质的光谱分辨能力得到了明显的提高：

(1)307相较306而言，“峰位”的移动更为明显；

(2)307的强度变化更为剧烈，在更小的窗口，如360nm～400nm之间就可以实现编码信息的区分，对采用紫外区间光源进行光谱信息读取提供了可能；

(3)不同数字编码信息之间对应的反射光谱的峰型差异增大。

因此，通过增加一层中间层或者多层中间层，可使光谱的分辨能力得到巨大的提升，从而进一步提升下文待介绍的刻写控制信息的编码维度m，极大地提升了信息存储量。

第四实施例

承接第二实施例所述结构，如图1e所示，展示了另一种光盘物理存储介质，该光盘物理存储介质的记录层402已在第二表面(见图中与403接触的平面)完成了光刻信息的写入，并在第一表面(见图中与401接触的平面)新增了反射层401。

该光盘物理存储介质的形成方式为：在对第二实施例的记录层203进行光学刻写后，对光盘的吸收调制层202(如有过渡层则含)进行超声等化学方法清洗，清洗后将记录层203进行180度翻转，以形成图1d所示的完成光学刻写的第二表面在下而第一表面在上的记录层303，此时，第二表面与原先的反射层204(也即图1e中的403)相叠设置，第一表面上新镀反射层401，反射层401与反射层403之间构成介质腔。反射层401可采用金、银等金属材料，或者多层dbr材料。反射层401同时也是光盘的保护层。

介质腔结构使得光谱信息寿命仅依赖于记录层的寿命，进而实现存储信息的永久保存，除此之外，也实现了存储密度与存储容量的大幅度提升。

第五实施例

第一实施例～第四实施例介绍的光盘物理存储介质皆可视为“单面”结构。本实施例提供一种“双面”光盘物理存储介质，从而达到双面高密度信息存储的效果。所谓的“双面”结构可视作由两个“单面”结构共用一反射层103或反射层204“背对背”设置而成。在本实施例中，第一实施例中的反射层103或第二实施例中的反射层204作为基底层，其他层对称设于所述基底层的上表面和下表面。例如，以第一实施例介绍的光盘物理存储介质为例，其扩展至双面后的结构由上至下依次为保护层、记录层、反射层、记录层、保护层。

第六实施例

如图2a所示，本实施例提供一种基于纳米光刻的光盘写入方法，包括以下步骤：

s21：压缩实心刻写光束的焦斑尺寸。

所述实心刻写光束的光束强度符合高斯强度分布，可采用可见、紫外、深紫外连续激光或波段在可见光至紫外光之间的脉冲激光。具体的，压缩实心刻写光束的焦斑尺寸可通过方式一或方式二来实现：

方式一、分别形成波长不同的实心刻写光束及空心抑制光束，所述空心抑制光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零；令所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合；将重合后的光束照射于光盘物理存储介质，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑，例如：所述空心抑制光束照射于所述光盘物理存储介质的吸收调制层；又例如：在所述空心抑制光束的作用下，所述吸收调制层抑制所述实心刻写光束的外围光斑透过吸收调制层，再例如：所述方式一或所述方式二的实心刻写光束采用脉冲光束实现双光子刻写方法等，据以压缩所述实心刻写光束的焦斑尺寸；

方式二、减小所述实心刻写光束的波长和/或增大物镜的数值孔径。

s22：读取需存入光盘的数字存储信息，作为刻写控制信息。

详细而言，所述刻写控制信息包括按序排列的各子刻写控制信息。每一所述子刻写控制信息用于控制一个信息记录点的刻写；所述信息记录点处包括m个数据存储位点，每一所述子刻写控制信息由m位二进制数构成，每位二进制数的“0”、“1”数码用于表示是否在对应的数据存储位点处进行相应深度信息沟槽的刻写。

具体的，所述刻写控制信息的编码方法包括以下步骤：

步骤一、将各待刻写信息记录点所包含的数据存储位点的数量m作为2的幂指数，以确定采用2^m进制数来编码；

步骤二、将m位二进制的待存入光盘的数字存储信息作为一待刻写信息记录点的刻写控制信息sk；根据所述待刻写信息记录点的各数据存储位点处是否要进行相应深度信息沟槽刻写的情况对应赋予组内每位二进制数的“0”和“1”数码；

步骤三、所有的待刻写信息记录点的刻写控制信息组成2^m位数字信息集1≤k≤2^m，以作为总的刻写控制信息。

可选的，各所述数据存储位点处以不同深度信息表示不同位数进行数据存储，也即同一数据存储位点处采用多种不同深度信息沟槽分别表征不同存储数码，从而提高数据信息存储量。例如：在同一数据存储位点处采用4种不同深度信息分别对应表征存储数码“0”、“1”、“2”、“3”，从而提升存储数据的信息容量。

参见图2b，举例而言，现每个信息记录点具有3个数据存储位点，所以需采用八进制数进行编码；每3位二进制数的数字存储信息sk为一组，作为一待刻写信息记录点的刻写控制信息，且若该刻写信息记录点的第1位数据存储位点处需要刻写，则赋予组内第1位二进制数“1”数码，若不需刻写则赋予其“0”数码；若该刻写信息记录点的第2位数据存储位点处需要刻写，则赋予组内第2位二进制数“1”数码，若不需刻写则赋予其“0”数码，以此类推。于图2b中，“001”表示第二个待刻写信息记录点的刻写控制信息，其第1位和第2位分别为“0”，第3位为“1”，说明在第二个待刻写信息记录点的第1位数据存储位点处和第2个位数据存储位点处不做刻写，而在第3位数据存储位点处需要刻写z3深度的沟槽。

s23：根据所述刻写控制信息中的一组m位子刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的记录层刻写对应的信息记录点。

与步骤s22阐述的编码方法相对应的，本步骤在具体实施时采用一种刻写控制信息的解码方法，包括以下步骤：

步骤一、根据数字存储信息中的一组m位二进制数，在光盘物理存储介质的记录层刻写对应的信息记录点；其中，根据每位二进制数的数码来判断是否要在所述信息记录点的对应的数据存储位点处进行相应深度信息沟槽刻写，刻写后形成该信息记录点的连续刻写沟槽深度信息

步骤二、待完成对所述信息记录点的刻写后，将实心刻写光束移动至下一信息记录点，并根据所述数字存储信息中的下一组m位二进制数控制所述实心刻写光束进行沟槽刻写，刻写后形成该信息记录点的连续刻写沟槽深度信息直至完成所有信息记录点的刻写，形成总的连续刻写沟槽深度信息1≤k1,k2≤2^m。

参见图1a，以m＝3为例，在记录层102的信息记录点107处的3个固定位置(1)、(2)、(3)处进行不同沟槽深度z1、z2、z3的连续刻写，其中，是否刻写取决于上述刻写控制编码的内容，若该编码中对应(m)处的数码为“1”，则在(m)处进行沟槽深度zm的刻写，若该编码中对应(m)处的数码为“0”，则不在(m)处刻写。当然，在具体应用中“0”和“1”的含义也可以交换，也即数码为“0”时刻写而为“1”时不刻写，本发明对此不做限定。在完成了信息记录点107的刻写后，根据105移动至下一信息记录点的刻写，以此类推，直至完成数据记录的全过程。

值得注意的是，亦可在同一数据存储位点处采用不同深度信息进行数据存储，从而提高数据信息存储量。

s24：待完成所述信息记录点的刻写后，将所述被压缩的焦斑移动至下一待刻写信息记录点所在的位置，并根据所述刻写控制信息中的下一组m位子刻写控制信息控制所述被压缩的焦斑进行刻写，直至完成所有信息记录点的数字存储信息的写入。

进一步地，本实施例的基于纳米光刻的光盘写入方法还包括：通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点处的沟槽刻写深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点处的沟槽刻写宽度。

值得说明的是，通过本实施例的基于纳米光刻的光盘写入方法，可使信息记录点的大小不大于130nm，信息记录点的轨道间距不大于320nm，从而在提高光刻信息写入速度的同时，极大地提升了光盘的存储密度和存储维度。

第七实施例

如图3a所示，本实施例提供一种基于纳米光刻的光盘读取方法，包括以下步骤：

s31：形成白光光源，并将其聚焦照射于光盘物理存储介质的记录层的一信息记录点。

s32：收集测量光信号。

所述测量光信号中包括所述信息记录点的由其各刻写沟槽的反射光场相干叠加而成的总反射光场其中，为所述信息记录点的第i个刻写沟槽的反射光场；e0为未刻写沟槽的反射光场；m为所述信息记录点的数据存储位点的位数；“0”和“1”数码分别表示所述信息记录点的数据存储位点是否有刻写沟槽；n1(λ)为所述光盘物理存储介质的记录层的折射率，其依赖于刻写光束的波长λ；zi为第i个刻写沟槽的深度信息，z0＝0表示未刻写的沟槽深度信息为0；l0为所述记录层的厚度；δn＝n1-n0，n0为空气的折射率。

以下结合图3b对本步骤进行解释。详细而言，采用第一实施例的光盘物理存储介质，入射光场为先经过记录层，折射率为n1(λ)、厚度为l0，再经过反射层，折射率为n2(λ)、厚度为l1，高倍物镜收集反射光谱信号即可获得反射光场，也即刻写方向与读取方向相反。由于，对于不同沟槽深度zi，对应的记录层厚度为(l0-zi)，因此，某个信息记录点的第i个刻写沟槽的反射光场信号可表示为其中，m为该信息记录点的数据存储位点的位数，“0”和“1”数码分别表示所述信息记录点的数据存储位点是否有刻写沟槽，n1(λ)为记录层折射率，其依赖于波长λ，l0为记录层厚度，zi为对应刻写沟槽深度(z0＝0)，δn＝n1-n0。这些不同的沟槽深度对应的反射光场构成了反射光谱测量的完备基e0，e1，e2...em；测量光束衍射受限光斑内刻写了m位沟槽深度，其对应总的反射光场为各阶光场的相干叠加，即反射光谱强度为

s33：预先获得所述光盘物理存储介质的记录层上的连续刻写沟槽深度信息wk及其对应的数字存储信息sk、反射测量光谱信息refk的关联关系。

如图2b所示，以m＝3为例，对应的刻写控制编码为“000”到“111”，分别在(1)、(2)、(3)处进行不同深度沟槽z1、z2、z3的信息刻写，每组刻写控制编码所对应的刻写结果与反射光谱曲线展示在其下方。由图1d中对应的反射光谱信息可以看出，在光谱窗口340nm～500nm内，对应的反射光谱存在较大的差异性，包括有“峰值”的移动、强度的变化以及“峰谷”的移动等。

s34：在从所述测量光信号中得到反射测量光谱信息refk′后，在所述关联关系中查找与之匹配的反射测量光谱信息refk所对应的连续刻写沟槽深度信息wk，进而将该连续刻写沟槽深度信息wk对应的所述信息记录点的数字存储信息sk读出。

以上，结合步骤s33～s34即可从反射光谱中解码出数据存储信息。根据测量的反射光谱曲线与对应的叠加光场分布进行比对来反解出刻写信息，能一次性读取m位数字存储信息，大大加快了光盘的读取速率。

进一步地，本实施例的基于纳米光刻的光盘读取方法还包括：将白光光源聚焦照射于所述光盘物理存储介质的记录层的下一信息记录点；根据下一信息记录点的测量光信号与所述关联关系得到下一信息记录点的数据存储信息，直至读出所有信息记录点的数据存储信息。

第八实施例

如图4所示，展示了一种基于纳米光刻的光盘读写装置，该读写装置可划分为基于纳米光刻的光盘写入装置与基于纳米光刻的光盘读取装置两部分。本实施例的光盘写入装置可用于实现对第一实施例的光盘物理存储介质的信息的写入，其光盘写入方法的原理与第六实施例对应；而光盘读取装置可用于实现对第一实施例的光盘物理存储介质的数字存储信息的读取，其光盘读取方法的原理与第七实施例对应。

本实施例的基于纳米光刻的光盘写入装置包括：光路模块、控制模块，其中，控制模块可采用cpu、mcu、soc等控制器件，用于执行第六实施例中介绍的步骤s22～s24，以及通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点处的刻写沟槽深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述记录层上数据存储位点处的刻写沟槽宽度。

当所述光路模块采用第六实施例中的方式二来压缩实心刻写光束的焦斑尺寸并将其照射于光盘物理存储介质时，所述光路模块包括：第一激光器501、第一透镜502、第一滤波件503、第二透镜504、第一二向色镜505、及高倍物镜508。

工作时：所述第一激光器501发出第一预设波长的激光，以作为实心刻写光束；第一透镜502、第一滤波件503、及第二透镜504沿所述实心刻写光束的光路依次布置；其中，第一透镜502汇聚所述实心刻写光束，滤波件503对经第一透镜502汇聚的实心刻写光束进行滤波，第二透镜504对经第一滤波件503滤波的实心刻写光束进行准直扩束，并汇聚到第一二向色镜505；第一二向色镜505与第二透镜504呈一定角度布置，将经第二透镜504准直扩束的实心刻写光束反射至高倍物镜508；高倍物镜508聚焦接收的实心刻写光束并将其照射于光盘物理存储介质509的表面，以进行数据存储信息的写入。

较佳的，第一激光器501采用蓝光激光器、紫外激光器、深紫外激光器、或波段在可见光到紫外光之间的高峰值功率激光器，通过采用更短波长刻写光束(可采用半导体激光405纳米或更短波长输出，或355纳米和266纳米固体激光输出，或者248纳米、193纳米和157纳米输出准分子激光等等)以及高数值孔径物镜的聚焦方式，获得压缩的衍射受限聚焦光斑104，该光束作用于记录层上进行信息记录。

较佳的，第一滤波件503采用小孔或单模光纤，比如：刻写光束从激光器501中出射，经透镜502聚焦，根据透镜502的焦距和na选择对应的μm级小孔503对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔503。

本实施例的基于纳米光刻的光盘读取装置包括：光路模块、处理模块，其中，处理模块可采用光谱仪514，用于执行第七实施例中介绍的步骤s31～s34。光谱仪514的类型包括但不限于光栅光谱仪或高速测量光谱仪、高速测量光谱仪等。

常用的光栅光谱仪采用机械转动光栅的方法，不适用于数据的高速读取与处理。为达到光盘读取对速率、灵敏度的要求，本实施例的光谱仪514采用高速测量光谱仪，具体包括：光学色散元件、窄带集成滤光片、及线阵探测器；其中，所述光学色散元件对接收的测量光信号进行分光，以使反射光谱信息在空间上展开；所述窄带集成滤光片获得经所述光学色散元件色散后的反射光谱信息所对应的波长的光；所述线阵探测器对经所述窄带集成滤光片所得到的各波长的光的光强进行探测，以获得反射光谱信息。当然，在其他具体应用中，亦可根据实际光谱测量需求，光谱仪可仅用“光学色散元件+线阵探测器”或者“集成式窄带滤波片+线阵探测器”的方式进行快速光谱信息测量。

当所述光路模块采用第六实施例中的方式二来压缩实心刻写光束的焦斑尺寸并将其照射于光盘物理存储介质时，所述光路模块包括：光源513、透镜组512、高倍物镜508、分束镜507、单个透镜511，此外，为了实现与写入装置的结合，读取装置还包括第三二向色镜506，设于透镜组512与分束镜507之间。

工作时：光源513发出白光；透镜组512将所述白光进行准直扩束并反射至第三二向色镜506，经反射到达分束镜507；分束镜507对接收的白光进行分光并发射至高倍物镜508；高倍物镜508将接收的白光聚焦作用于光盘物理存储介质509的表面，以对其记录层进行反射测量，并将收集的测量光信号射出；分束镜507对高倍物镜508射出的测量光信号进行分光；单个透镜511将接收的测量光信号汇聚至光谱仪514；光谱仪514处理接收的测量光信号，并从中解码出数据存储信息。

较佳的，所述光源为卤素灯、钨灯、氙灯、白光led灯、带通滤波的白光光源、或紫外led光源。带通滤波的白光光源使得测量光斑得到压缩。紫外led光源使得测量信息记录点间距和轨道间距可进一步提高。

另外，记录层的具体材料可根据光源的种类进行相应选择，如选择卤素灯、钨灯、氙灯和白光led灯等白光光源，可选择sio2、光敏材料等作为记录层材料，该类材料特征为在可见光及紫外波段具有较高透射率材料；而采用紫外led光源，用以提高测量信息记录点间距和轨道间距时，则选择gaf2，mgf2等作为记录层材料，该类材料特征为在紫外及深紫外波段具有较高的透射率。

第九实施例

如图5所示，展示了一种基于纳米光刻的光盘读写装置，该读写装置可划分为基于纳米光刻的光盘写入装置与基于纳米光刻的光盘读取装置两部分。本实施例的光盘写入装置用于实现对第二实施例的光盘物理存储介质的信息的写入，其光盘写入方法的原理与第六实施例对应，而光盘读取装置用于实现对第二实施例的光盘物理存储介质的信息的读取，其光盘读取方法的原理与第七实施例对应。

与第八实施例不同的是，本实施例的光路模块采用第六实施例中的方式一来压缩实心刻写光束的焦斑尺寸并将其照射于光盘物理存储介质。由此，本实施例的光盘写入装置的结构可视为在图3a结构的基础上新增了：第二激光器601、第三透镜603、第二滤波件605、第四透镜607、空心光束生成件609、及第二二向色镜610。由于本实施例的光盘读取装置的结构和工作原理与图3a所示读取装置相同，因而不再重复赘述。

工作时：第二激光器601发出第二预设波长的激光；第三透镜603、第二滤波件605、第四透镜607、及空心光束生成件609沿所述第二预设波长的激光的光路依次布置；其中，第三透镜603汇聚所述第二预设波长的激光，第二滤波件605对经第三透镜603汇聚的第二预设波长的激光进行滤波，第四透镜607对经第二滤波件605滤波的第二预设波长的激光进行准直扩束，并汇聚到空心光束生成件609，空心光束生成件609根据接收的第二预设波长的激光生成空心抑制光束，并将其发射至第二二向色镜610；第二二向色镜610与空心光束生成件609呈一定角度布置且与第一二向色镜611平行布置，将空心抑制光束反射至高倍物镜614；高倍物镜614将所述实心刻写光束聚焦形成“衍射极限”尺寸大小的实心光斑616与所述空心抑制光束的空心光束617在空间上重合，并将二者同时照射于光盘物理存储介质615的表面，以进行数据存储信息的写入；其中，实心光斑616用于数据存储信息的写入，而空心光束617用于抑制实心光斑616的外围光斑透过光盘物理存储介质815的吸收调制层。

上述令实心光斑616与空心光束617在空间上重合的实现方式可以为：以空心光束617为基准，通过调节透镜608前后位置调节光束616的发散度，同时调节二向色镜611，调节光束616的入射角度，使实心光斑616与空心光束617在空间上重合，同时作用于光盘物理存储介质结构615上，以在记录层进行数据存储信息写入过程618。

较佳的，所述第一预设波长的激光的光强符合高斯强度分布；所述第二预设波长的激光的光强符合环形强度分布且中心强度趋于零。刻写光束可选用蓝光或紫外短波长连续激光，亦可根据记录层的材料的双光子吸收特性选择可见到紫外的高峰值功率脉冲激光，实现更小尺寸的双光子双光束纳米信息刻写。

较佳的，第二滤波件605采用小孔或单模光纤，具体的：刻写光束从激光器602中出射，经透镜604聚焦，根据透镜604的焦距和na选择对应的μm级小孔606对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔606；抑制光束从激光器601中出射，经透镜603聚焦，根据透镜603的焦距和na选择对应的μm级小孔605对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔605。

较佳的，空心光束生成件609采用涡旋相位板或空间光调制器，产生相位由0到π分布的激光束。

第十实施例

如图6所示，显示为一种基于纳米光刻的光盘只读装置，用于实现对第一实施例或第二实施例等光盘物理存储介质的信息的读取。本实施例的基于纳米光刻的读取装置包括：光源701、透镜组702、高倍物镜704、分束镜703、单个透镜707、光谱仪708。

工作时：光源701发出白光；透镜组702将所述白光进行准直扩束并汇聚到分束镜703；分束镜703对接收的白光进行分光并发射至高倍物镜704；高倍物镜704将接收的白光聚焦作用于光盘物理存储介质705的表面，以对其记录层进行反射测量，并将收集的测量光信号射出；单个透镜707将所述测量光信号汇聚至光谱仪708；光谱仪708处理接收的测量光信号，并从中解码出数据存储信息。

由于本实施例的光盘只读装置所执行的基于纳米光刻的光盘读取方法与第七实施例的原理相同，因而不再重复赘述。

本实施例的光盘只读装置可实现信号的快速测量读取，光路简洁、稳定性强，光谱仪708通过采用光学色散元件与窄带滤光片的方法，结合线阵探测器快速获得光谱信息，并进行信号处理，满足光盘读取时数据快速处理的实用要求，适用于光盘信息的高速读取。

综上所述，本发明的基于纳米光刻的光盘读写方法及刻写控制信息的编解码方法，具有以下有益技术效果：

1、与现有蓝光光盘存储方法相比，当m＝0时，本发明的纳米光刻信息的光盘写入方法与现有蓝光光盘存储技术相近，但本发明能够实现更小尺寸的信息记录点，使得刻写的信息记录点的大小和轨道间距可以等于或小于或远小于现有蓝光的记录点130nm和轨道间距320nm；而当m≥1时，本发明有效提升了存储密度和存储维度。因此，本方法具有更高的存储容量、更快的读取速度、更强的可扩展性；

2、本发明的基于纳米光刻的光盘写入方法通过减小刻写光束的光斑尺寸来提高信息存储密度，通过使用不同沟槽深度表征不同位数数码信息来提升信息存储维度，从而极大地提升了光盘信息存储的存储密度和存储容量；

3、利用本发明的基于纳米光刻的光盘写入方法进行数据存储，相较现有蓝光光盘利用材料折射率变化进行数据存储，具有更高的稳定性，更适用于信息的长久保存；

4、利用材料吸收调制特性对刻写光束聚焦光斑进行压缩，并通过控制刻写光束和抑制光束的强度和作用时间精准控制刻蚀深度和刻蚀宽度，实现了纳米尺寸的纳米光刻信息写入过程；

5、反射光谱测量方法可实现存储信息的快速读取，同时，在数据读取过程中由于采用白光光谱读取方式，即可在现有光驱定位精度要求下进行数据读取，无须对现有光驱系统进行较大改进；

6、通过增加高折射率材料的中间层用以提高反射光谱差异和光谱读取分辨能力，根据具体实用要求对光盘结构进行优化，可进一步提高光盘的存储容量；

7、提出光盘的新型介质腔物理存储结构，进一步提升信息写入密度和光谱读取效率，并且提升光盘的寿命以及抗刮痕和抗灰尘能力；

8、高速测量光谱仪采用光学色散元件与窄带滤光片，结合线阵探测器的形式，可以快速获得光谱信息，将其应用于光盘信息的读取，极大地提升了光盘的读取速率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。