一种新型近场光存储深亚微米微飞行头 【技术领域】
本发明设计属于近场光存储深亚微米近场间距控制器件，属光存储技术领域，用于近场光存储主光学单元的承载，并且嵌入固体浸没透镜(SIL)与物镜，保持工作过程中SIL与盘面的深亚微米近场间距，特别涉及深亚微米微飞行头底面气垫面设计。
背景技术
超高密度超高速海量光存储是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，汇集电子、机械、材料、制造、测试等多个学科，具有广阔的应用前景。采用了固体浸没透镜(SIL)的近场光存储技术，成像分辨率突破衍射极限，将存储密度至少提高一个数量级。在基于SIL的近场光存储系统中，要使压缩形成的深亚微米光斑几乎不扩大的直接耦合到存储介质有以下关键技术和难点：首先必须保证SIL底面与存储介质的间距稳定在超亚微米的近场范围内，以获得良好的近场耦合效率；其次为保证激光束经过物镜后能准确聚焦于SIL底面，要求二者间距变化小于100nm。因此，必须研制适用于近场光存储系统的承载飞行头，搭载SIL和物镜等光学器件，快速跟踪工作过程中盘面高速旋转产生轴向偏摆和自身振颤，获得相对稳定的近场间距，并保证物镜后工作距恒定。为克服传统光学头结构复杂、质量大、响应速度慢等弱点，提高系统的数据传输率，承载微飞行头应基于集成化的主光学单元，寻求合理的工作机理和结构设计，使其具有集成化、微型化、高频响、大承载及工作姿态稳定等优点。现有技术无法满足上述要求。
【发明内容】
本发明地目的是提供一种新型的深亚微米微飞行头，以克服现有技术的不足，实现主光学单元承载，同时嵌入固体浸没透镜(SIL)和物镜，在盘片高速旋转的过程中，将SIL与盘面间距控制在100nm以内，保证SIL与盘面近场间距远远小于波长的工作条件，而且物镜的后工作距保持很定，并保证在整个工作半径范围内，SIL中心点近场工作距相对稳定。
本发明公开了一种新型近场光存储深亚微米微飞行头，包括承载微工作台、固体浸没透镜(SIL)和聚焦物镜，其特征在于：所述承载微工作台底面整体上是沿长度方向和宽度方向的抛物面叠加形成的类球面，承载微工作台前端开有用于嵌入SIL的中心槽；所述SIL的上半部分为球冠面，下半部分为用于装卡定位的长方体基座，所述长方体基座的底面为正方形，所述SIL采用微装配技术嵌入所述承载微工作台前端的中心槽；所述聚焦物镜通过底部的圆柱形平台粘结在所述承载微工作台上表面。
所述微飞行头底面主要由设置在承载微工作台上的轨道、主通气槽和固体浸没透镜构成，其中根据刻蚀高度不同，轨道分布于气垫面和浅通气槽，在气流引入边布置有引入边浅通气槽第一轨道，在所述浅通气槽第一轨道上布置有气垫面引入边主轨道，在微飞行头引入边两侧布置有长方体第一保护轨道和长方体第二保护轨道，在气垫面引入边主轨道前方布置有圆柱形第一保护轨道和圆柱形第二保护轨道；在微飞行头中部布置有开放式主通气槽，在主通气槽两侧布置有圆柱形第三保护轨道和圆柱形第四保护轨道，在主通气槽中部布置有气流流量调整第一轨道和气流流向调整第二轨道；在微飞行头气流导出边中部设有SIL基座底面形成的正方形轨道，在SIL基座底面两侧，沿气流导出边分别布置有圆柱形第五保护轨道和圆柱形第六保护轨道，以及浅通气槽第二轨道和浅通气槽第三轨道；在浅通气槽第二轨道上布置有耳形第一轨道，在浅通气槽第三轨道上布置有耳形第二轨道。
本发明的有益效果为：1.深亚微米微飞行头采用气体动压支撑的工作方式，结构紧凑，抗扰动能力强，获得的近场间距稳定。2.将SIL作为微飞行头底面一个轨道的设计便于获得更高的近场耦合效率。3.将SIL与物镜集成于一个承载微工作台保证了物镜的后工作距恒定。4.微飞行头采用了正负压力并存的结构设计，在整个寻道过程中，对气流速度的变化不敏感。5.微飞行头采用了开放式主通气槽设计，主通气槽产生的负压力对灰尘颗粒具有良好的吸附作用，同时，灰尘颗粒能够从主通气槽两侧导出，避免流入SIL底面，造成对SIL的磨损，提高了微飞行头的耐用性。6.微飞行头前端的两个耳形轨道上的正压力，提高了微飞行头的滚动方向承载刚度。7.微飞行头SIL两侧的立柱结构，可以在头/盘发生接触时保护SIL。在气流线速度为13.2m/s时，本微飞行头的承载力大于90mN，最小近场间距为44nm。满足近场光存储系统的需要。
【附图说明】
图1a为近场光存储深亚微米微飞行头的结构示意图。
图1b为图1a的A-A剖视图。
图2为图1中承载微工作台的底面轨道示意图。
图3为图1中聚焦物镜的结构示意图。
图4为图1中SIL的结构示意图。
图5a为微飞行头工作原理图。
图5b为微飞行头底面轨道的结构示意图。
图6为工作情况下，微飞行头的底面压力分布图。
【具体实施方式】
下面结合附图来说明本发明的具体实施方式和工作原理。
如图1a、图1b、图2、图3和图4所示，本发明所述近场光存储深亚微米微飞行头，包括承载微工作台1、固体浸没透镜(SIL)3和聚焦物镜2。为提高头/盘界面摩擦学特性，承载微工作台1底面整体上是沿长度方向和宽度方向的抛物面叠加形成的类球面，承载微工作台1前端开有用于嵌入SIL的中心槽。SIL 3的上半部分为球冠面，下半部分为用于装卡定位的长方体基座，所述长方体基座的底面为正方形，所述SIL采用微装配技术嵌入所述承载微工作台前端的中心槽。聚焦物镜2用于采用玻璃加工，它通过底部的圆柱形平台粘结在承载微工作台1上表面。
承载微工作台1采用三氧化二铝和碳化钛的掺杂物加工，承载微工作台1的整体尺寸为2.05mm×1.6mm×0.5mm，其前端开槽尺寸为0.86mm×0.86mm，其底面刻饰有16条轨道形成的复杂三维形貌。SIL 3采用钛酸锶材料制成，其上半部分为半径为0.43mm的球冠面，下半部分为长方体基座，基座的底面为边长为0.86mm的正方形，基座高度为0.1mm。
微飞行头在工作过程中，采用动压空气薄膜支撑，如图5a所示，微飞行头通过被支撑点与近场光存储系统相连，工作过程中，盘面高速旋转形成附面气流，气流从微飞行头气流导入边导入微飞行头和盘面之间，由气流导出边导出。附面气流在微飞行头底面气垫面(轨道)的作用下，形成厚度为几十纳米的动压空气润滑薄膜，产生系统工作所需的近场间距。微飞行头在动压薄膜气浮力、主光学单元加载力和自身重力作用下，达到稳定飞行状态。微飞行头在工作过程中，具有竖直方向的平动，沿长度方向的俯仰转动和宽度方向的滚动转动三个自由度，工作过程中，气流方向与微飞行头中心线的夹角成为巡航角。
所述微飞行头底面主要由设置在承载微工作台上的轨道、主通气槽和固体浸没透镜构成，其中根据刻蚀高度不同，轨道分布于气垫面和浅通气槽，如图5b所示，在气流引入边布置有引入边浅通气槽第一轨道503，在所述浅通气槽第一轨道503上布置有气垫面引入边主轨道502，在微飞行头引入边两侧布置有长方体第一保护轨道501和长方体第二保护轨道504，在气垫面引入边主轨道前方布置有圆柱形第一保护轨道518和圆柱形第二保护轨道505；在微飞行头中部布置有开放式主通气槽507，在主通气槽507两侧布置有圆柱形第三保护轨道517和圆柱形第四保护轨道506，在主通气槽中部布置有气流流量调整第一轨道515和气流流向调整第二轨道516；在微飞行头气流导出边中部设有SIL基座底面形成的正方形轨道508，在SIL基座底面两侧，沿气流导出边分别布置有圆柱形第五保护轨道512和圆柱形第六保护轨道511，以及浅通气槽第二轨道514和浅通气槽第三轨道509；在浅通气槽第二轨道514上布置有耳形第一轨道513，在浅通气槽第三轨道509上布置有耳形第二轨道510。
微飞行头底面按刻蚀的深度分为三层：最低一层凹进去的部分为主通气槽(main recess)507，中间为浅通气槽(Shallow recess)，包括浅通气槽第一轨道503、浅通气槽第二轨道514、浅通气槽第三轨道509和气流流向调整第二轨道515。除主通气槽和浅通气槽外的其他各轨道形成位于最上方的气垫面(ABS)。气垫面与浅通气槽的高度差为140nm，与主通气槽的高度差为2.3μm。气垫面涂有20的类金刚石薄膜(diamond-like carbon，DLC)，该结构是一层透明的绝缘钝化膜，具有很高的硬度，可保护飞行头气垫面不受各种物理作用和化学作用的腐蚀，同时增强滑块在飞行过程中的耐磨程度，极大的改善头盘界面的摩擦学特性。微飞行头工作过程中，气流从图5b中所示的左侧边导入，右侧边导出。在微飞行头底面上，边长0.86mm的正方形轨道508是由SIL的基座底面形成的，SIL基座底面作为滑块气垫面一条轨道的设计保证SIL和盘片的头盘间距小于100nm，获得了较高的近场耦合效率。
微飞行头底面压力分布如图6所示，工作过程中，光盘高速旋转产生附面气流，气流由引入边进入飞行头底面，首先由图5b中浅通气槽第一轨道503流向气垫面引入边主轨道502，因气垫面和浅通气槽的高度差极小，附面气流受到极大的挤压，形成引入边的正压力。当气流进入主通气槽507时，因主通气槽和气垫面存在相对较大的高度差，气流此时进入一个相对开阔的区域而迅速膨胀，使被压缩的气流迅速释放，此时在主通气槽产生小于大气压的气浮力，形成将飞行头吸引向盘片表面的负压力，即出现负压效应。位于主通气槽中心的气流流量调整第一轨道515和气流流向调整第二轨道516减小了主通气槽的面积，提高了飞行头的承载能力，调整了气流的流向，减小了SIL底面的灰尘颗粒流量，同时该组合产生的正压力对飞行头的俯仰角有一定影响。气流经过主通气槽507流向SIL底面形成的正方形轨道508再次被压缩，形成导出边的正压力，它和引入边的正压力共同支撑飞行头，使之与盘片保持近场间距。浅通气槽第三轨道509和耳形第二轨道510，以及浅通气槽第二轨道514和耳形第一轨道513上的正压力将影响飞行头的滚动角大小，并在一定程度上提高了飞行头的运动刚度，增强了飞行头的抗扰动性。长方体第一保护轨道501、长方体第二保护轨道504，圆柱形第一保护轨道518、圆柱形第二保护轨道505、圆柱形第三保护轨道517、圆柱形第四保护轨道506、圆柱形第五保护轨道512和圆柱形第六保护轨道511构成飞行头的停泊点，一旦工作过程中发生头盘接触，碰撞将最先发生在停泊点，避免划伤SIL及浅通气槽第一轨道503和气垫面引入边主轨道502。
通过计算可知，飞行过程中的附面气流改变将引起正压力和负压力同步变化，保证了净压力相对恒定，从而使飞行头在不同转速、不同半径、不同海拔高度具有更加恒定的飞行高度。因此负压力的存在极大提高了飞行头的承载刚度，使其具有更强的抗扰动性和更好的自适应性。这种正负压力并存的结构极大提高了飞行头的性能，并有效的减小了加工误差对飞行头飞行高度的影响。