一种抗灰尘的近场承载微工作台设计

　　1　引　言

　　基于固体浸没透镜(Solid Immersion Lens,SIL)的近场光存储技术可使成像分辨率突破衍射极限,极大地提高存储密度。为满足高密度、高速度和集成化的要求,提高界面近场耦合效率,此技 术多采用气浮微工作台[1-4]承载光学元件,跟踪光盘高速旋转产生的轴向跳动和自身振颤。微工作台内嵌有SIL,在附面气流的作用下,微工作台将SIL 与盘片的间距保持在50 nm左右。此外,考虑SIL和物镜相互之间位置误差对存储光斑光学特性的影响,要求物镜和SIL的间距变化小于±0.1μm,SIL倾斜小于±1°。由于 近场间距接近甚至小于分子平均自由程,高速附面气流夹杂的灰尘颗粒会破坏微工作台的工作稳定性[1],并严重磨损SIL底面。本文设计的微工作台具有抗灰 尘、大承载、飞高恒定等特点,适用于多种近场光存储系统。

　　2　微工作台的结构设计

　　微工作台的工作原理是基于流体力学的微流动理论。当光盘高速旋转时,由于气体分子粘滞作用的存在,在光盘表面形成附面气流。因微工作台底面刻蚀 有复杂的三维气垫面,气流在气垫面作用下,在盘面和微工作台底面之间形成了一个类似空气动压轴承的空气润滑薄膜,使二者脱离接触,从而获得具有较高近场耦 合效率的深亚微米近场间距。

　　承载系统结构如图1所示。微工作台1整体尺寸为2.032 mm×1.6 mm×0.6 mm。为保证光盘在高速旋转的过程中,经过物镜的激光束准确聚焦于SIL底面,采用了将SIL7和聚焦物镜6集成在一个微工作台的结构设计。SIL顶部为 球冠形,半径为0.5 mm,高为0.35 mm,底部为长方体的基座,基座底面正方形边长为1 mm,基座高为0.15 mm,其底面用离子束刻蚀法加工有一个直径为0.4 mm,高为140 nm的圆形凸台。微工作台通过球形铰链5与自适应舌片4联接,自适应舌片经过激光焊点2固定在柔性悬架3上。

　　3　微工作台气垫面设计

　　微工作台三维气垫面设计是系统获得稳定近场间距的核心技术,气垫面结构如图2所示。底面是沿X方向和Y方向抛物面叠加形成的类球面,该结构有助 于改善台盘界面的摩擦学特性,防止气垫面和盘片突发接触时产生月牙力,增强了微工作台的可靠性。此外,类球面存在对工作过程中气流的引入导出也有一定影 响,从而能在一定程度上调整微工作台的工作姿态。该气垫面沿长度方向的球冠面高度为30 nm,沿宽度方向的拱形面高度为10 nm。

　　由图2可知,微工作台底面按刻蚀深度分为3层,最上方的是气垫面(Air Bearing Surface,ABS),包括图中编号为1,2,4,8,9,10,11的轨道。中间为浅通气槽(Shallow Recess),包括编号为3,5,7,13的轨道,浅通气槽的刻蚀深度为0.15μm,在轨道5上刻蚀有一个小的豁口。最低的部分形成主通气槽 (Main Recess),包括6,12,主通气槽深度为3μm。气垫面沉积有2.5 nm的类金刚石薄膜(Diamond-Like Carbon),保护气垫面不受各种物理作用和化学作用的腐蚀,同时增强微工作台在工作过程中的耐磨能力,改善台盘界面的摩擦学特性。